某電廠2×1000MW超超臨界機組高壓旁路控制系統(tǒng)可靠性改進研究

國能徐州發(fā)電有限公司 牛志崗

1 引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟與科學技術的不斷發(fā)展以及電網(wǎng)容量的擴大，以及“上大壓小”政策的有效實施，我國的火電機組已經(jīng)跨上了百萬級的臺階，國內新建百萬機組數(shù)量也在不斷增多，相對于以往的機組而言，大容量機組具有高參數(shù)、低消耗、少排放等特點。對于這樣的機組，其高壓旁路控制系統(tǒng)的重要性不言而喻，國能徐州發(fā)電有限公司從挖掘高壓旁路控制系統(tǒng)的潛在隱患，在分析清楚系統(tǒng)控制原理的基礎上，提出了三個方面的改善建議并已經(jīng)應用于實際，提高了高旁控制系統(tǒng)的可靠性，對機組長周期安全穩(wěn)定運行至關重要。

2 超超臨界機組中旁路系統(tǒng)的應用

2.1 旁路系統(tǒng)的結構

所謂的汽輪機旁通系統(tǒng)，從本質上來講屬于一種較為常見的蒸汽旁通系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由以下兩方面構成，即使蒸汽管道和汽輪機。二者在連接方式上為并聯(lián)，實際作業(yè)過程中能夠發(fā)揮降溫減壓作用。從結構的角度進行分析，可將其簡單的分為單級、兩級、三級旁路系統(tǒng)。高壓旁路系統(tǒng)，在作業(yè)過程中能夠提供一個穩(wěn)定的蒸汽源，為加熱鍋爐和加熱系統(tǒng)正常運行提供有力保障；低壓分流系統(tǒng)將加熱的蒸汽引入冷凝器，使再熱器對管道進行加熱，恢復工作介質。本設計既保護了再熱器，又基本滿足了調試時蒸汽參數(shù)與汽輪機金屬溫度匹配的要求。如果汽輪機失去負荷，其可以使汽輪機無負荷或輔助動力運行。

2.2 旁路系統(tǒng)的容量

蒸汽機防空系統(tǒng)容量的選擇，應結合實際需要，以其旁路功能為標準進行選擇，從概念的角度進行分析，旁路容量為系統(tǒng)的最大蒸汽量，具體大小的劃分上，以其占鍋爐標稱吸汽能力的百分比進行呈現(xiàn)。結合實際工作要求，啟動旁路的選擇，應重點考慮是否具備再在熱保護功能，容量方面最好能夠控制在20%mcr左右，上下浮動不超過10%。如果鍋爐閥PCV能正常運行，具有40%MCR容量的旁路可以滿足大多數(shù)設備的需要[1]。

2.3 旁路的功能

一是適應不同的機組啟動方式。在機組啟動時，根據(jù)實際工作的需要，相應的機制運行狀態(tài)也略有不同，通常情況下包括下兩種，即恒壓運行和滑壓運行，這兩種工作狀態(tài)都可以通過旁路相應的裝置的調整進行實現(xiàn)，如機組想要以滑動才能運行，相關工作的人員則需要對其蒸汽驅動汽輪機進行參數(shù)控制，確保其處于低參數(shù)運行狀態(tài)，而如果想要汽輪機提供作業(yè)所需的供熱和負荷，工作人員則只要針對其主蒸汽壓力和主蒸汽電流進行相應調整，通過參數(shù)的調高，使其適應汽輪機的金屬狀態(tài)。

二是保護再熱器。該功能主要是用于鍋爐啟動階段，以旁路系統(tǒng)為通道，鍋爐中的蒸氣可以直接進入蓄熱系統(tǒng)，以保護散熱器不過熱[2]。

三是如果汽輪機短時間出現(xiàn)故障，鍋爐可以不停機運行。當壓力降低時，鍋爐產生的蒸汽經(jīng)旁路系統(tǒng)吸收脫硫，進入冷凝器恢復工質。

當出現(xiàn)故障時，設備可以通過旁路系統(tǒng)的能量傳輸，借助輔助電源運行。當主蒸汽壓力或熱蒸汽壓力超過設定值時，旁路系統(tǒng)的閥門將迅速開啟，實現(xiàn)設備的超壓保護。

2.4 旁路控制系統(tǒng)高旁溫度控制特性

由于通過低壓閥進入電容器的飽和蒸汽受到傳統(tǒng)閉環(huán)溫度控制濕度高或低的影響，很容易通過冷凝器的冷卻管道。低壓旁路溫度控制系統(tǒng)控制低壓旁通閥后的蒸汽，維持能量平衡。在預估低壓旁通閥的壓力和低壓旁通蒸汽流量的加熱蒸汽壓力的基礎上，根據(jù)低壓旁通后再熱器的壓力、溫度計算出蒸汽的焓降。根據(jù)低旁通閥后蒸汽焓降與純化水焓降的差值，以及精處理結束時的壓力和溫度，計算出焓降和低旁通蒸汽流量的乘積。從而計算出理論上抽水量，再用低旁通水量對其進行調整。

由節(jié)流閥的流量特性函數(shù)計算出閥位指令。為了防止繞過關閉低壓出口溫度上升時，最小的脫硫控制水閥必須相應地增加。

2.5 旁路系統(tǒng)的運行情況與探討

機組在實際運行的過程中，根據(jù)自身的需要，一般可實現(xiàn)以下幾種功能，即啟動、溢出和安全，其中啟動功能在實現(xiàn)的過程中，主要是通過旁路系統(tǒng)來對自身狀態(tài)進行調整，以起到改善其中條件的作用，通過相應工藝的應用，可以有效調節(jié)汽輪機汽溫輸入和氣缸溫度，實現(xiàn)鍋爐汽溫的有效控制。溢流功能意味著殘余蒸汽旁路系統(tǒng)事故發(fā)生后，會突然降低放電單元的負載在過渡過程中，以確保最低下的鍋爐穩(wěn)定燃燒負荷。安全功能是指當蒸汽壓力過高時，此時則會立即觸發(fā)噴霧系統(tǒng)運行機制，根據(jù)設定好的條件，會將多余的蒸汽排放到電容器中，繼而起到保護工作設備及減少作業(yè)噪聲的作用。

發(fā)生事故時，必須使用輔助電源或不得降低鍋爐，除設備配備旁路系統(tǒng)外，設備本身應能適應這種運行方式，包括非油穩(wěn)燃鍋爐最小負荷、溫度升高、排氣室汽輪機負荷、電容容量降低等。經(jīng)過多年的實踐，由于工廠維修質量、管網(wǎng)安裝條件、運行管理、企業(yè)管理等各種因素，往往難以保證旁路系統(tǒng)處于熱備狀態(tài)。因此，許多旁路系統(tǒng)的“溢流和安全”保護功能無法實現(xiàn)。一些電廠旁路使用不當也給機組帶來了安全隱患。如大同二電廠352機組一次旁路系統(tǒng)發(fā)生爆炸，貴陽電廠投產后不久，30%旁路系統(tǒng)后管道振動和突破過渡得到抑制。

2.6 超超臨界機組旁路系統(tǒng)的主要功能

一是提高啟動特性。在機組運行的過程中，為了滿足工作需要，針對一些煙氣溫度較高的區(qū)域，通常會設置加熱器，針對這些裝置如何的進行保護就顯得尤為重要，機組旁路系統(tǒng)的設置則可以起到很好的防護效果，在緊急情況下可以防止燃燒現(xiàn)象的出現(xiàn)。且在汽輪機和鍋爐作業(yè)的過程中，得益于機組旁路系統(tǒng)的有效調節(jié)，汽輪機金屬升溫速率會控制在科學合理范圍之內，預防其出現(xiàn)金屬過度疲勞現(xiàn)象，延長其實際使用壽命。

二是在臨時負荷過渡條件下，剩余容量可以處理剩余蒸汽。自從許用載荷減速率的鍋爐低于汽輪機及其允許的最小負荷高于汽輪機，旁路系統(tǒng)的有效應用，可以在一定程度上提升鍋爐的運行穩(wěn)定性，這方面特性的發(fā)揮，尤指臨時過渡條件下，根據(jù)相關工作數(shù)據(jù)的進一步分析可知，如果應得到的話，其可以有效避免過度安全閥作用的發(fā)揮，既在汽輪發(fā)電機發(fā)生故障時，旁路系統(tǒng)可以代替鍋爐安全閥發(fā)揮保護作用。針對汽輪發(fā)電機故障問題，旁路系統(tǒng)一可以發(fā)揮針對性作用，防止鍋爐設備異常關閉現(xiàn)象的出現(xiàn)[3]。

3 壓力開關可靠性改造

國能徐電2×1000MW機組旁路系統(tǒng)是由Bopp&Reuther公司提供的液壓控制系統(tǒng)。旁路閥采用液動控制，在正常情況下，旁路系統(tǒng)從全關到全開的一次行程時間為10s；在緊急情況下，旁路系統(tǒng)能快速開啟或快速關閉的最長時間小于2s。液（油）動執(zhí)行器的工作介質為抗燃油，油系統(tǒng)由13-16MPa的控制油（驅動油）組成每臺機組的旁路系統(tǒng)裝置液動執(zhí)行器的供油裝置（油站）配供2套。供油裝置（油站）配供油溫自動控制裝置、在線自動凈化過濾裝置及沖洗裝置。每套油站備用裝置自動投入時間無延遲，投入后60s即可達到工作油壓。油站蓄能器所儲能量，在其電源故障的情況下，能提供足夠的液壓動力，使旁路系統(tǒng)所有閥門完成1～2次全行程的開或關。

目前，高旁控制共有四套回路，即DCS內部判斷主汽壓力與設定值偏差大調節(jié)開啟、DCS內部主汽壓力高快開高旁、運行操作臺高旁快開按鈕和就地壓力開關動作快開高旁。

前三套控制回路均為多點保護，既有效避免高旁拒動又避免高旁誤動，可靠性較高。第四套回路設計是整個高壓旁路就地設置有三套獨立的壓力開關控制，只要任意一個壓力開關動作，四個高旁通過高旁快開電磁閥開啟，壓力開關動作定值為29.8MPa。此設計為單點保護，該項保護的可靠性較為薄弱。一旦某個壓力開關誤動，則會引起高旁動作，影響機組安全運行。為提高保護的可靠性，將就地單個壓力開關動作聯(lián)啟高旁改為三個壓力開關至少兩個動作聯(lián)啟高旁，提高保護的可靠性。

首先國能徐州發(fā)電有限公司2×1000MW機組高旁壓力開關安全快開為失電動作，任意一個開關動作，將同時發(fā)送給PCS1、PCS2控制柜的繼電器模塊，四個高旁將同時開啟。改造前雖然采用兩個常閉節(jié)點串聯(lián)法，但是使用的是同一塊壓力開關的節(jié)點，誤動的風險很高。經(jīng)過國能徐州發(fā)電有限公司專業(yè)技術人員的充分論證，結合25反錯要求，在不改動原有輸出線的情況下，新增加一排中間過度端子排，將開關1、2，2、3，1、3各取一副常閉節(jié)點串聯(lián)作為安全快開的輸出，從而實現(xiàn)重要保護“三取二”的原則，大大減少誤動的可能。經(jīng)過就地多次試驗，完全滿足現(xiàn)場的使用要求。高旁壓力開關改造原理圖如圖1所示。

圖1 高旁壓力開關改造前后原理圖

4 高旁就地控制柜24V電源可靠性提升改造

4.1 目前配置

高旁就地控制柜直流24V電源作為整個高旁系統(tǒng)就地控制卡件、比例閥、電磁閥等工作電源。國能徐州發(fā)電有限公司現(xiàn)配置為1、3號高旁合用一套控制電源，2、4號高旁合用一套控制電源[4]。每套控制電源由2塊交流220V轉直流24V電源模塊冗余配置組成，電源模塊型號為PHCENIX QUINTPS/1AC/24DC/20，兩塊電源模塊直流24V輸出端正、負分別直接并聯(lián)。

4.2 存在的問題

由于兩個電源模塊輸出端直接并聯(lián)，且電源模塊內部并未隔離，如一塊電源模塊內部發(fā)生短路會直接影響另外一塊電源模塊，造成供電中斷、高旁全開，嚴重影響機組安全。近年來，方天技術監(jiān)督檢查等均提出高旁24V控制電源內部沒有隔離的整改問題，且同類型機組運行中發(fā)生過一個電源模塊短路故障造成供電中斷、高旁開啟的不安全事件。

4.3 解決方案

經(jīng)研究，該型號電源模塊已使用近8年，且工作正常，因此本次改造不對電源模塊換型，只更換為同型號電源模塊。

在同一控制柜兩塊24V電源模塊的輸出正端加裝一個隔離模塊，該模塊型號為MDK40-6，額定容量40A，該型號電源模塊已在DEH控制柜內使用多年，可靠性高、結構簡單，能起到兩路電源隔離作用。改造后原理圖見圖2所示。

圖2 改造后原理圖

5 高旁油系統(tǒng)控制塊移位改造

5.1 目前存在的問題

國能徐州發(fā)電有限公司高旁系統(tǒng)原設計為集成塊和電磁閥組與油動機集中安裝在閥門上，由于此處溫度較高，并且每次啟停爐高旁閥動作時，閥門及管路的振動不可避免的影響集成塊、電磁閥組的螺栓連接組件的疲勞強度及密封件的密封性能，易發(fā)生液壓油泄漏。

5.2 高壓旁路閥工作原理分析

5.2.1 正常開啟關閉時間

旁路油站供油正常，高旁閥完全關閉狀態(tài)下，安全電磁閥帶電，快開電磁閥失電，系統(tǒng)給出開啟旁路閥指令，比例閥開啟，抗燃油經(jīng)過比例閥、快開電磁閥、節(jié)流閥進入到油缸的有桿腔，活塞桿向上移動，閥門開啟之指定位置。

5.2.2 快開時間

旁路油站供油正常，高旁閥完全關閉狀態(tài)下，安全電磁閥帶電，系統(tǒng)給出快開旁路閥指令，快開電磁閥帶電，快開電磁閥閥芯移動切換油路。

5.2.3 安全快開時間

旁路油站供油正常，高旁閥完全關閉狀態(tài)下，安全電磁閥帶電，快開電磁閥失電，系統(tǒng)給出安全快開旁路閥指令，安全快開電磁閥失電，插裝閥安全油壓泄壓，插裝閥打開。

依據(jù)對高旁控制系統(tǒng)原理的分析，原始設備的參數(shù)，得出改造后對正常開啟關閉時間沒有影響，通過對改造設備的設計可以對快開時間延長不超過20%,對安全快開時間延長不超過0.2s。

5.3 具體解決方案

增加高旁閥巡查檢修平臺。根據(jù)現(xiàn)場布置情況增加高旁閥，減溫水隔離閥、調節(jié)閥的檢修平臺。增加的平臺同時要考慮油動機電磁閥移位后布置位置，增加平臺示位置如圖3所示。

圖3 增加平臺示意圖

油動機油系統(tǒng)集成塊及電磁閥組移位。根據(jù)平臺位置與進、回油管位置，就近布置電磁閥組，保留現(xiàn)有的油管隔離閥，在隔離閥后用不銹鋼管與電磁閥組連接，電磁閥后用不銹鋼管引出后采用高壓軟管與油動機模塊連接[5]。油管布置要求簡潔、整齊、阻力最小，所有接頭均采用錐形硬密封，軟管長度盡可能短，不銹鋼管進行必要的支架加固，避免振動，油動機油系統(tǒng)集成塊及電磁閥組移位對比如圖4所示。

圖4 油動機油系統(tǒng)集成塊及電磁閥組移位對比圖

電磁閥控制部分改造。電磁閥外移后，熱控設備電纜相應移動，充分利用舊電纜，電纜長度不足則需從高旁PCS控制柜敷設相應新電纜。原各閥門油動機配套的中間接線端子箱為卡扣式，中間接線環(huán)節(jié)多，需拆除。

因閥門調試需要，閥門位移傳感器的信號電纜設置中間接線端子箱，安裝在電磁閥組件平臺的合適位置，便于檢修維護。電磁閥及位移開關的信號電纜取消中間接線。

電磁閥加裝防雨罩及平臺防漏油措施。電磁閥組件增加防雨罩，防止風雨侵蝕，同時對電磁閥組件位置的平臺增加鋼板封閉和儲油池，當電磁閥密封出現(xiàn)泄漏時要求避免泄漏油噴射至高溫閥門或者管道上，漏油不會從平臺滴落至下部設備管道上。

6 結語

本文對高旁系統(tǒng)壓力開關改造、就地控制柜24V電源改造、油系統(tǒng)集成塊及電磁閥組外移改造方法進行了詳盡的說明闡述，改造后高旁控制系統(tǒng)可靠性效果明顯，具有較高的推廣和研究價值。