M701F4型機組啟機過程高壓旁路閥維持45%開度的原因分析及改進探討

車國營

(中海油珠海天然氣發(fā)電有限公司，珠海 519050)

0 引 言

珠海電力為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組發(fā)電廠，一期總裝機容量為4×460 MW。燃氣輪機由東方汽輪機廠生產(chǎn)，型號是三菱M701F4重型；余熱鍋爐由東方日立鍋爐廠生產(chǎn)，型式是臥式、水平煙氣流、汽包爐，鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)是三壓、再熱、自然循環(huán)；汽輪機由東方汽輪機廠生產(chǎn)，型式是三壓、一次中間再熱、雙缸雙排汽、雙抽凝汽式，設(shè)計有一套100%容量的高、中、低壓旁路系統(tǒng)。在機組熱態(tài)啟動過程中，高壓旁路閥多次出現(xiàn)閥門維持固定閥位45%開度而無法正常關(guān)閉的現(xiàn)象。本文對此現(xiàn)象進行了原因分析，并查找影響因素，提出具體改進措施，從而避免發(fā)生機組非停事故。

1 高旁控制模式

1.1 高旁壓力設(shè)定值

高旁壓力設(shè)定值是根據(jù)汽機不同啟動狀態(tài)而定，汽機狀態(tài)的界定條件又是根據(jù)缸溫來判斷的，見表1和表2。

表1 啟機狀態(tài)與高壓旁路設(shè)定值的關(guān)系

表2 汽機啟機狀態(tài)與缸溫對應(yīng)的關(guān)系

發(fā)電機并網(wǎng)后，高壓旁路壓力給定值增加0.5 MPa，目的是使得高壓旁路快速關(guān)閉，盡快升汽機負荷。

1.2 高旁控制模式

高旁控制模式分為三種，即最小閥位模式、壓力調(diào)節(jié)模式、壓力跟蹤模式(壓力調(diào)節(jié)后備模式)，高壓旁路壓力控制邏輯如圖1所示。

圖1 高壓旁路壓力控制邏輯

(1)最小閥位模式是當(dāng)主蒸汽壓力沒有達到旁路閥壓力設(shè)定值，其開度保持10%；

(2)壓力調(diào)節(jié)模式是當(dāng)主蒸汽壓力上升至旁路閥壓力設(shè)定值，旁路閥按PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)開度，以維持主蒸汽壓力為旁路閥壓力設(shè)定值；

(3)壓力跟蹤模式是當(dāng)汽機負荷和主蒸汽壓力達到條件投入壓控后，高旁控制切換為壓力跟蹤模式。當(dāng)旁路全關(guān)且汽輪機進入壓控模式時，旁路壓力設(shè)定在當(dāng)前壓力的基礎(chǔ)上疊加一個閾值，使實際壓力設(shè)定總是大于實際壓力，從而保證旁路可靠關(guān)閉[1]。在高壓控制投入且旁路投自動情況下，進汽和旁路壓力的給定值在當(dāng)前進汽壓力的實際值基礎(chǔ)上進行增減，即高壓進汽壓力給定值減少0.2 MPa，高旁壓力給定值增加0.5 MPa，目的是讓旁路保持全關(guān)、主汽調(diào)閥保持全開。在這個模式下，旁路的設(shè)定值會高于實際的壓力值，處于長期關(guān)閉狀態(tài)，只有蒸汽壓力出現(xiàn)大幅升高時，旁路才會打開泄壓，這也是機組正常運行狀態(tài)下的旁路運行方式[2]。

1.3 高旁在啟機中的正常動作過程

(1)當(dāng)高壓主蒸汽壓力>0.1 MPa時，高旁及減溫水投自動，減溫水調(diào)閥設(shè)定0，高旁開至最小閥位10%；

(2)當(dāng)高壓主蒸汽壓力>0.5 MPa且燃機運行且冷態(tài)或溫態(tài)時，高旁以15%/min速率開至固定閥位45%；

(2)當(dāng)高壓主蒸汽壓力>0.5 MPa且燃機運行且熱態(tài)或極熱態(tài)時，高旁以15%/min速率開至固定閥位45%；

(4)當(dāng)高壓主蒸汽壓力>旁路設(shè)定值時，高旁由固定閥位控制切至壓力調(diào)節(jié)模式；

(5)當(dāng)高、中壓主汽調(diào)閥>30%且再熱蒸汽壓力>1.1 MPa時，投入高、中壓控制，高、中壓旁路壓力給定值按一定速率自動增加，直至高于蒸汽壓力0.5、0.2 MPa，以控制高、中壓旁路全關(guān)。

2 高旁閥位輸出指令

2.1 高旁PID閥位輸出

(1)高旁壓力設(shè)定值與高壓主蒸汽壓力平均值經(jīng)PID計算高旁PID閥位輸出；

(2)當(dāng)高旁處于最小閥位模式時：

①高壓主蒸汽壓力平均值小于高旁壓力設(shè)定值，高旁PID閥位輸出為0；

②高壓主蒸汽壓力平均值大于高旁壓力設(shè)定值，高旁PID閥位輸出自動跟蹤當(dāng)前閥位，即高旁最小閥位45%，隨后高旁進入壓力調(diào)節(jié)模式，根據(jù)壓力進行開關(guān)高旁，使其穩(wěn)定在高旁壓力設(shè)定值附近；

(3)當(dāng)高旁處于壓力后備模式時：

①高壓主蒸汽壓力平均值小于高旁壓力設(shè)定值，高旁PID閥位輸出為0；

②高壓主蒸汽壓力平均值大于高旁壓力設(shè)定值，高旁PID閥位輸出自動跟蹤當(dāng)前閥位0，在當(dāng)前閥位0開大，但是正常運行情況下不存在，因為高旁壓力設(shè)定值會自動跟蹤高壓主蒸汽壓力平均值，且在此基礎(chǔ)上增加0.5 MPa，使得高壓主蒸汽壓力平均值始終小于高旁壓力設(shè)定值，確保高旁PID閥位輸出為0。

2.2 高旁最小閥位輸出

(1)高壓主蒸汽壓力>0.1 MPa，高旁最小閥位輸出10%；

(2)高壓主蒸汽壓力>0.5 MPa，且燃機運行，高旁最小閥位輸出45%。

2.3 高旁閥位控制指令

高旁閥位控制指令是高旁PID閥位輸出和高旁最小閥位輸出進行比較，取大輸出，且高旁模式手動和自動相互跟蹤當(dāng)前閥位，高旁閥位輸出指令控制邏輯如圖2所示。

圖2 高旁閥位輸出指令控制邏輯

(1)當(dāng)高壓主蒸汽壓力平均值<高旁壓力設(shè)定值時，高旁PID閥位輸出為0，高旁最小閥位輸出為10%、45%，均大于高旁PID閥位輸出，故高旁控制指令是高旁最小閥位輸出為10%、45%；

(2)當(dāng)高壓主蒸汽壓力平均值>高旁壓力設(shè)定值時，高旁PID閥位輸出為高旁最小閥位輸出45%，但由于高壓主蒸汽壓力>高旁壓力設(shè)定值且-5<高旁最小閥位輸出-高旁PID閥位輸出<5，高旁最小閥位輸出下降至10%，而高旁PID閥位輸出仍然保持45%，此時高旁PID閥位輸出大于高旁最小閥位輸出，故高旁控制指令是高旁PID閥位輸出式；

(3)當(dāng)高壓控制投入時，高旁壓力設(shè)定值在當(dāng)前高壓主蒸汽壓力增加0.5 MPa，高旁最小閥位控制模式退出，高旁最小閥位輸出下降至0，而高旁PID閥位輸出逐漸下降至0。

3 高壓旁路閥位控制異常經(jīng)過及原因分析

3.1 高壓旁路維持45%開度的異常經(jīng)過

異常發(fā)生在機組熱態(tài)啟動(鍋爐壓力為0)汽輪機沖轉(zhuǎn)過程中。0時2分，燃機并網(wǎng)，汽機缸溫381.8 ℃，燃機溫匹負荷98 MW；0時24分，汽機沖轉(zhuǎn)參數(shù)滿足，汽機開始沖轉(zhuǎn)，此時高、中壓旁路開度分別是45%、50%；0時38分，汽機并網(wǎng)高、中壓旁路設(shè)定值分別增加0.5、0.2 MPa，高旁維持45%開度，中旁逐漸關(guān)小；0時44分，汽機缸溫>400 ℃，燃機溫匹負荷升至125 MW；0時47分，高、中壓控制投入，高旁仍然維持45%開度，中壓旁路快速關(guān)閉；1時4分，高壓缸排汽溫度達438.6 ℃，高旁仍然維持45%開度，立即將高旁切手動關(guān)閉。

3.2 高壓旁路維持45%開度的原因分析

3.2.1 高壓主蒸汽壓力下降

汽機發(fā)電機并網(wǎng)前，高壓主蒸汽壓力最大達到6.334 MPa，高旁壓力設(shè)定值為6.5 MPa，汽機發(fā)電機并網(wǎng)后，高壓調(diào)閥逐漸開大，導(dǎo)致高壓主蒸汽壓力開始下降，高壓主蒸汽壓力無法達到高旁壓力設(shè)定值，高旁PID閥位輸出為0。

假設(shè)高旁壓力設(shè)定值不變，那么高壓主蒸汽壓力相應(yīng)增加一個高旁壓力設(shè)定值，這就相當(dāng)于高壓主蒸汽壓力大于高旁壓力設(shè)定值，高旁PID閥位輸出會逐漸打開，高旁PID閥位輸出為30.2%，高旁最小閥位輸出為45%，高旁最小閥位輸出與高旁PID閥位輸出相差超出±5%范圍，無法復(fù)位高旁最小閥位，最終高旁閥位控制指令一直輸出45%。

高旁切手動，高旁PID閥位輸出自動跟蹤閥位至45.3%，高旁控制指令為高旁PID閥位輸出，由于高壓主蒸汽壓力平均值小于高旁壓力設(shè)定值，無法復(fù)位高旁最小閥位，當(dāng)高旁PID閥位輸出逐漸關(guān)閉小于45%時，高旁閥位控制指令又變?yōu)楦吲宰钚￠y位輸出45%。

3.2.2 高旁壓力設(shè)定值較高

汽機發(fā)電機并網(wǎng)后，高壓調(diào)閥逐漸開大，高壓主蒸汽壓力已經(jīng)下降，而高旁壓力設(shè)定值卻又增加0.5 MPa變成7 MPa(實際只有6.9 MPa),導(dǎo)致高壓主蒸汽壓力更不可能達到高旁壓力設(shè)定值。

假設(shè)高旁壓力設(shè)定值較低，比如是6 MPa，高壓主蒸汽壓力在#2汽機發(fā)電機并網(wǎng)前就達到了高旁壓力設(shè)定值，則高旁閥位控制進入壓力調(diào)節(jié)模式，當(dāng)#2汽機發(fā)電機并網(wǎng)后，高壓主蒸汽壓力下降時，高旁閥位控制指令就會根據(jù)壓力進行關(guān)小高旁從而提高高壓主蒸汽壓力。

但就是因為假設(shè)不成立，進而反推出本應(yīng)該高旁關(guān)小起到憋壓的作用，而高旁卻始終保持45%開度，相當(dāng)于開大了高旁，再次導(dǎo)致高壓主蒸汽壓力下降。

4 針對高旁閥位不能正常關(guān)閉的改進措施

4.1 提高中壓旁路設(shè)定值

當(dāng)汽機發(fā)電機并網(wǎng)后，中旁壓力設(shè)定值提高，促使中旁關(guān)小，中壓主蒸汽調(diào)閥逐漸開大，從而提高再熱蒸汽壓力。

若汽輪機是熱態(tài)或極熱態(tài)啟機，中旁壓力設(shè)定值直接增加0.2 MPa，若汽輪機是冷態(tài)或溫態(tài)，鑒于汽輪機低負荷暖機，可在汽機帶20 MW負荷時，將中旁壓力設(shè)定值提高0.2 MPa，目的是提前進入旁路壓力后備模式，盡快關(guān)閉旁路，減少工質(zhì)流失。

4.2 降低高旁壓力設(shè)定值

當(dāng)高壓主蒸汽壓力平均值>高旁壓力設(shè)定值時，高旁PID閥位輸出為高旁最小閥位輸出45%，但由于高壓主蒸汽壓力>高旁壓力設(shè)定值且-5<高旁最小閥位輸出-高旁PID閥位輸出<5，高旁最小閥位輸出下降至10%，而高旁PID閥位輸出仍然保持45%，此時高旁PID閥位輸出大于高旁最小閥位輸出，故高旁控制指令是高旁PID閥位輸出。此時高旁進入壓力調(diào)節(jié)模式，通過降低高壓旁路壓力設(shè)定值，使得高壓主蒸汽壓力>高旁壓力設(shè)定值條件很容易滿足，使得高旁盡早進入壓力調(diào)節(jié)模式，根據(jù)壓力進行調(diào)節(jié)。

4.3 修改燃機溫匹負荷

(1)修改前溫匹負荷

根據(jù)燃機排氣溫度330～350，對應(yīng)燃機負荷20 MW；

根據(jù)燃機排氣溫度420～450 ℃，對應(yīng)燃機負荷40～50 MW；

根據(jù)燃機排氣溫度高出汽機缸溫80～100 ℃，對應(yīng)燃機負荷70～100 MW；

根據(jù)燃機排氣溫度高出汽機缸溫80～100 ℃，對應(yīng)燃機負荷100～130 MW。

(2)修改后溫匹負荷，見表3。

表3 燃機溫匹負荷與汽輪機缸溫對應(yīng)關(guān)系

(3)由于啟機完成時的設(shè)定負荷為190 MW是不變的，當(dāng)汽輪機負荷偏小時，只有加大燃氣輪機負荷來滿足總負荷達到設(shè)定值[3]。通過提高燃機溫匹負荷，設(shè)定相應(yīng)的升負荷率，把汽輪機主蒸汽壓力盡可能提高。當(dāng)汽輪機沖轉(zhuǎn)時，由于高中壓主蒸汽調(diào)閥緩慢打開，高壓主蒸汽壓力就會降低，及早提高燃機溫匹負荷就會使得鍋爐產(chǎn)生的更多蒸汽抵消沖轉(zhuǎn)瞬間的影響。

5 結(jié)束語

本文通過對高壓旁路閥位在機組啟動過程中動作異常而不能正常關(guān)閉，導(dǎo)致高壓缸排汽溫度高的異常事件進行了詳細的分析，介紹了高旁控制模式和閥位輸出控制邏輯，從而查找到潛在的影響因素，提出提高中壓旁路壓力設(shè)定值、降低高壓旁路壓力設(shè)定值、修改燃機溫匹負荷條件三項措施解決問題，保障了機組安全穩(wěn)定運行。