新建火力發電機組報警系統改進研究

洪成磊

(上海申能電力科技有限公司，上海 200131)

0 引 言

隨著國家經濟深入發展，電力消費呈現新常態特征[1]。電力供應結構持續優化，電力消費增長減速換擋，結構不斷調整，電力消費增長主要動力由高耗能向新興產業、服務業和居民生活用電轉換，電力供需形勢由偏緊轉為寬松[2-3]。加之科技水平不斷提高，中國火電主力機型由原來的300 MW迅速發展到600 MW，甚至1 000 MW以上機組，這標志著中國的火電技術已達到了新的高度。當今DCS技術比較完善，機組任一子系統、子設備的運行參數都可以采集，并且通過這些參數的變化可以判斷設備的運行狀況。目前各火電企業已逐漸由機、爐、電單專業協同操作過渡到三專業集中控制。機組日常控制人員少、工作量大已成為常態。單元機組監控測點有近萬個，運行人員每天疲于監視，但仍可能忽視某些監控測點，有些情況下運行人員還沒有查找到異常參數，事故可能已經發生。因此，DCS操作系統中的報警功能就顯得尤為重要，當機組中的子系統、子設備發生異常時，報警系統會發出報警信息，以便操作人員及時發現，迅速找到相應子系統，進行處理，保證機組安全、穩定運行。

1 新建機組報警系統存在的問題

1.1 重要報警參數缺失

電力企業建設初期，由于工程進度及工程降低造價的關系，有些影響機組運行性能的DCS系統測點被簡化或被忽視，導致機組正常運行中，無法對一些重要參數進行監視，有些參數的設置未考慮到隨環境因素的變化，對機組能損偏差的計算往往以設計工況為基準，無法實現智能監測，從而影響機組安全經濟運行。

1.2 報警定值設置不合理

在報警限值的設置上，有些參數將報警限值設定為固定值，機組運行工況變化時，無法準確反應運行狀態，報警限值應該是動態的，應取在機組所處工況的最優值處或最優值附近。

2 DCS報警系統的改進

參數的基準值是指在相應負荷下，設備正常運行應達到的最佳值。當運行參數偏離基準值時，將造成一定的能量損耗，所以設置合理的參數基準值，一方面可指導運行人員監盤調整，另一方面可指導專業管理人員進行能耗分析。當機組在滿負荷運行時，可以將生產廠家提供的設計參數作為基準值。但當機組降負荷運行、參與深度調峰時，負荷降低較多，設備參數同樣可能降低較多，仍采用設計參數作為基準值明顯不妥，有些參數要通過最佳運行調整試驗來確定基準值，有些參數采用變工況計算結果作為基準值。

2.1 DCS報警系統重要報警點補充

以“凝汽器傳熱系數”作為研究對象。

凝汽器是電站汽輪機組中重要的換熱設備[4]，其主要作用是在汽輪機的排汽部分建立低背壓，使蒸汽能最大限度地做功，然后冷卻變成凝結水，予以回收。凝汽器的這種功能需要真空、循環水兩個系統配合完成。真空系統主要將進入凝汽器的不凝結氣體抽出；循環水系統主要為凝汽器中的蒸汽冷卻提供冷源[5]，使其變成凝結水，體積縮小，便于回收，同時保證排汽部分的高真空。火力發電機組凝汽器凝結傳熱系數易受真空系統運行狀態的影響[6]，凝汽器傳熱系數作為考量凝汽器經濟性的重要指標，在目前大部分新建火力發電機組DCS報警系統中是缺失的，使得發電廠運行人員及檢修人員對凝汽器臟污程度不清楚，不利于進行汽輪機系統熱力經濟性評價。

對凝汽器凝結傳熱系數進行熱力學研究，分析如下。

1)凝汽器熱負荷

(1)

式中:Qc為凝汽器熱負荷，kJ/s；Qtl為散熱損失，%；Qgl為發電機損失，kJ/s；QAux為進出系統的輔汽熱量，kJ/s；q0為汽輪機熱耗率，kJ/(kW·h )；Pe為發電機功率，kW。

2)汽輪機熱耗率

(2)

式中:hms為主蒸汽焓，kJ/kg；hfw為最終給水焓，kJ/kg；hhrh為熱再熱蒸汽焓，kJ/kg；hcrh為冷再熱蒸汽焓，kJ/kg；hrsw為再熱器減溫水焓，kJ/kg；Gms為主蒸汽流量，kg/h；Gfw為主給水流量，kg/h；Ghrh為熱再熱蒸汽流量，kg/h；Gcrh為冷再熱蒸汽流量，kg/h；Grsw為再熱器減溫水流量，kg/h。

由于在火力發電廠中，再熱蒸汽流量無法在線測量，只能通過計算主蒸汽流量與各段抽汽量的差得到。

3)1號高加進汽流量

G1(h1-hd1)=Gfw(hfw0-hfw1)

(3)

式中:hfw0為1號高加出水焓，kJ/kg；hfw1為1號高加進水焓，kJ/kg；G1為1號高加進汽量，kg/h；h1為1號高加進汽焓，kJ/kg；hd1為1號高加疏水焓，kJ/kg。

4)2號高加進汽流量

G2(h2-hd2)+G1(hd1-hd2)=Gfw(hfw1-hfw2)

(4)

式中:G2為2號高加進汽量，kg/h；h2為2號高加進汽焓，kJ/kg；hd2為2號高加疏水焓，kJ/kg；hfw2為2號高加進水焓，kJ/kg。

5)由式(3)、式(4)得到冷再熱蒸汽流量

Gcrh=Gms-G1-G2-Ga

(5)

式中:Ga為高壓缸門桿及軸封漏汽量，kg/h。

6)由式(5)得到熱再熱蒸汽流量

Ghrh=Gcrh+Grsw

(6)

7)凝汽器傳熱系數(不考慮與外界大氣換熱)，熱平衡方程：

Qc=KΔTmA

(7)

式中:K為凝汽器傳熱系數，W/(m2·K)；A為凝汽器有效換熱面積，m2；ΔTm為換熱器熱力計算使用的對數平均溫差。

(8)

式中:Ts為凝汽器壓力對應飽和溫度，℃；Tw1為循環水進水溫度，℃；Tw2為循環水出水溫度，℃。

由式(7)、式(8)可得凝汽器傳熱系數為

(9)

根據上述各式計算出凝汽器換熱系數K，各參數點均為DCS實時采集得到，通過DCS工程師站工程軟件，對凝汽器傳熱系數K進行邏輯組態，同時添加到汽輪機參數控制器下。增加凝汽器傳熱系數K測點后，可使發電廠運行人員及檢修人員定期對此參數進行監視，提高對凝汽器換熱情況的重視，并可根據數值變化，了解凝汽器臟污程度，及時安排對凝汽器管路進行清理，提高汽輪機運行安全性及經濟性。

2.2 報警限值優化

以“汽動給水泵前置泵電流”作為研究對象。

給水系統的主要作用是將除氧器中的凝結水經過前置泵、給水泵加壓，高壓加熱器加熱，再到鍋爐省煤器，作為爐側的水源。前置泵的主要作用是增加汽動給水泵的入口壓力，減少汽泵發生汽蝕的風險，對保護汽泵安全起到重要作用。

某660 MW汽輪機的給水泵組，汽動給水泵前置泵電機采用YKK450-4型電機，額定功率600 kW，額定電壓6 kV，額定電流67.2 A，轉速1 489 r/min。

汽動給水泵前置泵工況點電流計算，選取660 MW、550 MW、450 MW、360 MW等4個機組工況點，根據6 kV母線電壓在5.8～6.3 kV波動的實際狀況，計算出汽動給水泵前置泵電流變化范圍，分析如下。

(10)

式中:ρ=1 000 kg/m3，g=9.8 m/s2，P為前置泵軸功率，W；Q為前置泵流量，m3/h；H為前置泵揚程，m；η為前置泵效率，%。

(11)

式中:U為母線電壓，V；I為前置泵驅動電機電流，A；cosφ為功率因數。

根據汽動給水泵前置泵在660 MW、550 MW、450 MW、360 MW等4個工況點實際流量，查詢前置泵驅動電機性能曲線(見圖1)，可知在各工況點揚程及效率數值，即可得出在各工況點電動機軸功率P。

圖1 汽動給水泵前置泵性能曲線Fig.1 Performance curve of booster pump of steam feed pump

根據式(11)，分別求得母線電壓在5.8 kV及6.3 kV時，4個工況點電機理論電流，從而確定汽動給水泵前置泵驅動電機電流限值范圍，各工況點參數見表1、表2。

從表1及表2可以看出，汽動給水泵前置泵驅動電機電流在電壓5.8～6.3 kV范圍內，機組運行不同工況點(360～660 MW)時，電流變化范圍在33～50 A之間，故可將汽動給水泵前置泵驅動電機電流高限設置為50 A，低限設置為33 A。

表1 6.3 kV各工況點參數Table 1 Parameters of 6.3 kV each operating point

表2 5.8 kV各工況點參數Table 2 Parameters of 5.8 kV each operating point

機組運行時，前置泵驅動電機電流若大于50 A，可以幫助運行人員及早發現廠用電壓異常、前置泵驅動電機缺相運行、給水系統漏流等異常現象；前置泵驅動電機電流若小于33 A，可以幫助運行人員及早發現可能存在的水泵出口門誤關憋泵、水泵氣蝕出力下降等情況。

通過對汽動給水泵前置泵驅動電機電流的合理設置，可通過電流變化，快速發現設備異常，及時進行處理，防止異常擴大，可以舉一反三，采用此方法對發電廠各輔助設備電流進行理論計算，得出各電流設置高、低限值，提高參數設置合理性。

3 結 語

闡述分析了火力發電廠DCS報警系統中部分影響機組經濟性、安全性的重要指標缺失的不足，通過具體實例分析這些指標重要性，并建議對此類重要指標進行補充，完善現有系統的覆蓋面，用以提高報警系統的全面性。提出了火力發電廠DCS系統部分參數報警閾值的設定與生產實際脫節的現狀，并提供了解決思路，用以提高報警系統的時效性。