塔式光熱機組 SGS 跳閘控制邏輯調試方法優化改進

趙廣榮

(中國電建集團江西省電力建設有限公司,江西 南昌 330001)

塔式光熱機組利用大規模自動跟蹤太陽的定日鏡場陣列,將太陽熱輻射精準反射到置于高塔頂部的集熱器(MSR),集熱器利用熔鹽作為吸熱工質吸收太陽輻射能量,并間接通過蒸汽發生系統(SGS)產生高溫高壓蒸汽(540～560 ℃),其間產生的熱量用來發電和儲存在熱熔鹽罐,以備早、晚或多云時發電使用。蒸汽發生系統是利用熔鹽作為儲熱介質的太陽能熱發電站的核心系統之一[1]。

塔式光熱機組主要由鏡場、吸熱塔、冷熔鹽罐、熱熔鹽罐、蒸汽發生系統、汽輪機、發電機以及空冷島等關鍵部件組成,這些部件形成了機組發電最主要的熔鹽循環和汽水循環[2],如圖1所示。

圖1 某100 MW塔式光熱機組系統圖

熔鹽儲熱是光熱發電系統中最關鍵的部分,它提供了能量轉換裝置所需的初始溫度,換熱管則將這些熱量進行高效的交換[3]。在塔式光熱機組正常運行過程中,當SGS(包括蒸汽側和熔鹽側)一旦發生威脅設備運行安全的情況時,為了防止造成設備損壞,SGS跳閘,切斷SGS熔鹽循環,以保護SGS各附屬設備,最大程度降低機組發生運行事故的風險。機組在消除設備故障后能及時快速啟動SGS并建立穩定熔鹽循環,能降低SGS熔鹽側凍鹽的風險,增加機組的發電效率。

根據塔式光熱機組SGS跳閘保護動作特點及動作后系統恢復實際經驗,結合電力調試相關技術規范標準,對調試方法進行改進。以此提升SGS運行的安全性,有效減少SGS跳閘后系統恢復時間,降低SGS熔鹽凍結的風險,提高機組運行發電的經濟性,保障機組運行安全可靠性。

1 控制邏輯調試及優化

1.1 SGS跳閘條件調試

常規塔式光熱機組,SGS換熱器(包括過熱器、再熱器、蒸發器、省煤器)熔鹽側溫度變化率一般不參與SGS跳閘保護。為了減少換熱器在SGS啟動/停止過程中產生的熱應力,延長SGS內各設備的使用壽命,根據SGS設備廠家要求,對SGS內換熱器,包括過熱器、再熱器、蒸發器、省煤器本體殼側進口端熔鹽溫度與管側進口端蒸汽溫度最大溫差設置保護,當進鹽溫度變化率高高±15 ℃/min,延時2 s時,觸發SGS跳閘。

SGS分為一、二列運行,兩列SGS熔鹽回冷熔鹽罐共用一根母管,很難實現單列SGS熔鹽側系統隔離,容易造成公用熔鹽管路串鹽,進而導致堵鹽凍鹽事故。為保障機組正常安全運行,SGS任意一列觸發SGS跳閘條件,另一列也同時觸發SGS跳閘。

如若觸發SGS熔鹽側疏鹽條件或手動緊急疏鹽按鈕,為防止SGS發生嚴重事故或事故擴大化,SGS將自動執行疏鹽順控。根據DCS控制邏輯,SGS任意一列SGS跳閘觸發疏鹽條件,另一列同時觸發疏鹽條件。

1.2 SGS自動疏鹽順序控制邏輯優化

1.2.1 SGS自動疏鹽順序優化

SGS疏鹽采用手動控制,易發生誤操作現象。為更好地控制SGS疏鹽,SGS采用自動疏鹽順控,優化疏鹽順序。當疏鹽條件觸發,正常情況下SGS熔鹽側系統疏鹽先后順序取決于換熱器實際安裝位置,由高到低執行疏鹽:通過過熱器、再熱器、蒸發器、省煤器進行疏鹽。特殊情況下,如發生省煤器出口熔鹽溫度低低保護時,SGS熔鹽側系統疏鹽順控將優先進行省煤器鹽側疏鹽,確保將SGS換熱器凍鹽風險降至最低。

1.2.2 SGS自動疏鹽順控步序

SGS疏鹽順控第一步: 確認SGS跳閘已動作,手動啟動疏鹽順控,SGS熔鹽側閥門置自動位置,如觸發緊急疏鹽條件,DCS將會自動執行疏鹽順控。

SGS疏鹽順控第二步:停止調溫鹽泵組和熱鹽泵組;關閉調溫鹽至SGS進鹽電動閥門和調節閥門,關閉進鹽電動閥門和調節閥門。

SGS疏鹽順控第三步:打開再熱器、過熱器進鹽調節閥和電動門; 疏鹽泵組投自動,疏鹽泵自動啟動/停止,以控制疏鹽罐液位。

SGS疏鹽順控第四步:依次打開過熱器、再熱器、蒸發器、省煤器熔鹽側本體排空電動門和疏鹽電動門進行疏鹽。由于過熱器和再熱器熔鹽側溫度在整個系統中是最高的,為保障設備本體安全,必須優先進行疏鹽。其次對SGS至冷鹽罐再循環管、調溫泵至再熱器管道等進行疏鹽。監測SGS疏鹽時熔鹽側各溫度和壓力參數的變化,當SGS熔鹽側過熱器、再熱器、省煤器、蒸發器、主要熔鹽管道所有疏鹽閥和排空閥均已打開,且熔鹽管路所有壓力測點數值小于0.5 barg,此狀態保持600 s后可視為SGS熔鹽已疏空。

SGS疏鹽順控第五步:打開再熱器、過熱器、蒸發器、省煤器、熔鹽管路所有排空管路疏鹽閥,將排空管存留熔鹽排至疏鹽罐。

1.2.3 SGS自動疏鹽注意事項

疏鹽順控結束后,保持熔鹽側所有閥門在開位的同時,閥門及管道電伴熱保持加熱模式繼續運行24～36 h;疏鹽過程中,注意疏鹽泵聯啟正常,仔細觀察疏鹽罐液位變化,當疏鹽順控結束后,疏鹽罐液位長時間沒有上漲,才能確保SGS鹽已排凈;SGS熔鹽側疏鹽結束后,SGS汽水側蒸汽壓力會緩慢降低,此時盡可能進行保溫保壓,延長SGS整個疏鹽過程。

2 調試方法改進步驟

2.1 SGS跳閘條件確定

根據SGS廠家說明書、設計院相關文件及前述SGS跳閘條件優化,業主、監理、設備廠家、組態廠家共同討論確定SGC跳閘條件及控制邏輯優化方案,組態廠家按照邏輯方案進行組態工作。詳細SGS 跳閘條件如下。

1)延時2 s跳閘:汽包液位低低 9%;過熱蒸汽出口、再熱蒸汽出口、過熱器、再熱器進口熔鹽溫度高高 570 ℃;省煤器進口給水、汽包飽和蒸汽、再熱器進汽、過熱器進鹽、再熱器進鹽、蒸發器進鹽、省煤器進鹽溫度變化率高高±15 ℃/min;過熱器進鹽溫度與蒸汽側進汽溫度溫差高高 280 ℃;再熱器進鹽溫度與蒸汽側進汽溫度溫差高高 290 ℃;蒸發器進鹽溫度與水側進口溫度溫差高高 190 ℃;省煤器熔鹽側進鹽溫度與給水進口溫度差高高 110 ℃;進鹽混合壓力高高 20 barg;蒸發器進鹽溫度高高 500 ℃;省煤器進鹽溫度高高 380 ℃;汽包壓力高高185 barg;冷熔鹽進鹽溫度高高 370 ℃。

2)延時2 s跳閘并觸發疏鹽:汽包壓力低低 54 barg;過熱器出口熔鹽溫度低低 260 ℃;再熱器出口熔鹽溫度低低 260 ℃;省煤器進口熔鹽溫度低低 260 ℃;省煤器出口熔鹽溫度低低 255 ℃。

3)低壓旁路跳閘SGS:再熱器壓力高高30 barg,或SGS熱負荷大于80 MWt,機組未并網,低壓旁路關閉。

4)當空冷島疏水罐液位高高高、SGS熱負荷大于70 MWt、機組已并網時,延時20 s。

5)所有給水泵失去,延時600 s。

6)SGS熱負荷大于70 MWt且機組未并網,高壓蒸汽旁路關閉,延時10 s。

7)延時120 s跳閘:當SGS熱負荷大于15 MWt時,所有調溫泵跳閘,所有熱鹽泵跳閘。

8)手動按鈕。

9)緊急疏鹽請求。

10)所有強制循環泵跳閘或泵出口流量低低60 kg/s,延時120 s(觸發疏鹽)。

2.2 SGS熔鹽側閥門測試

考慮到二元熔鹽特有的低溫凍結性質,為避免閥門卡澀或損壞,在熔鹽側閥門投運前,運行人員應完成試運設備和系統的閥門、測點、報警信號單體調試驗收傳動試驗[4]。若閥門未進行測試,熔鹽系統運行時閥門產生故障,易導致熔鹽管路堵塞。

SGS熔鹽側閥門測試采用“先就地后遠方傳動模式”進行。將閥門控制器切換到“就地”控制模式,就地進行閥門開關測試與DCS控制畫面校對開關到位信號正確無誤。將閥門控制器切換到“遠方”控制模式,重新測試閥門開關校對開關到位信號并記錄閥門開關全行程時間。調節閥傳動采用對閥門全行程0、25%、50%、75%、100%開度校對,調節閥指令與反饋偏差應在1%以內。SGS熔鹽側閥門傳動在SGS未充鹽之前可以不投入閥門或管道電伴熱運行,熔鹽側閥門傳動必須在閥門電伴熱溫度合適、閥門閥體及傳動軸承處保溫層合格的情況下進行。

2.3 SGS跳閘條件靜態試驗

在啟動SGS預熱和充鹽工作前必須完成SGS跳閘條件靜態邏輯模擬試驗,跳閘條件必須逐一校對核準,確保跳閘首出和動作對象正確。將DCS畫面所有SGS跳閘條件和首出復位, 檢查SGS跳閘動作對象并置于模擬運行狀態,手動操作SGS跳閘按鈕或者模擬SGS跳閘條件,DCS畫面確認SGS跳閘首出及動作對象是否正常。按順序逐一進行全部SGS跳閘條件靜態邏輯模擬試驗,確保組態邏輯符合設計要求。

2.4 SGS自動疏鹽順控試驗

模擬SGS跳閘條件中任意一條,SGS應進入自動疏鹽狀態,按照過熱器、再熱器、蒸發器、省煤器順序進行疏鹽。若模擬省煤器出口熔鹽溫度低低保護,SGS熔鹽側系統疏鹽順控將優先進行省煤器鹽側疏鹽,確保將SGS換熱器凍鹽風險降至最低。檢查自動疏鹽步序是否符合SGS自動疏鹽順控優化后的邏輯方案。

2.5 SGS跳閘后系統恢復

運行機組觸發SGS跳閘保護后,操作人員應及時查出原因,快速處理故障,啟動恢復SGS,重新并網發電。調試單位在分系統試運和整套啟動試運中,監督和指導運行操作[5]。

2.5.1 SGS跳閘后操作

確認SGS已跳閘,動作對象正確。SGS蒸汽側進行保壓,避免SGS蒸汽系統壓力快速泄壓導致SGS熔鹽側觸發緊急疏鹽條件。SGS熔鹽側將熱鹽泵、調溫泵控制器,以及一、二列調溫鹽至SGS的調節閥、熱鹽調節閥、再熱器進鹽調節閥、過熱器進鹽調節閥均切換手動控制。保持汽包水位正常。復位SGS跳閘,確認所有跳閘條件及首出已復位完成。

2.5.2 只投入熱鹽運行時操作(一、二列同步進行)

SGS跳閘后,一、二列SGS熔鹽側熔鹽循環已切斷,為防止SGS熔鹽側系統入口混合熔鹽壓力超壓,SGS熔鹽至冷鹽罐再循環閥保持全開。SGS熔鹽側重新啟動充鹽時應緩慢進行,打開熱鹽至SGS進鹽調節閥3%開度,熱鹽流量大約為30 kg/s(單列)。此時SGS熔鹽側流程為:熱熔鹽泵—SGS入口熔鹽混合管路—SGS熔鹽至冷熔鹽罐再循環閥—冷熔鹽罐。打開SGS過熱器和再熱器進鹽調節閥至5%開度,SGS熔鹽側開始建立小流量循環。根據蒸發器進鹽溫度變化率(小于15 ℃/min),逐步緩慢打開過熱器和再熱器進鹽調節閥,最終保持過熱器進鹽調節閥50%開度,再熱器進鹽調節閥10%開度。檢查確認SGS蒸汽側系統閥門狀態及旁路系統具備進汽條件。保持一、二列過熱器出口蒸汽主、旁路的電動門、手動門打開,高壓蒸汽旁路閥關閉且保持手動模式,低壓旁路投入自動控制 ,高、低壓旁路減溫水投入自動控制。關閉一、二列SGS熔鹽至冷鹽罐再循環閥,同時快速手動打開高壓蒸汽旁路閥10%～15%開度。觀察一、二列蒸發器進鹽溫度變化趨勢,在SGS熔鹽至冷鹽罐再循環閥關閉后,一、二列蒸發器進鹽溫度通常會出現快速上升,此時需根據該溫度變化率適當調節高壓蒸汽旁路開度值(經驗值為25%)。SGS蒸汽通流回路建立,熔鹽與蒸汽進行熱交換后,蒸發器進鹽溫度變化率會趨向穩定,SGS熔鹽側鹽循環建立。待一、二列蒸發器進口鹽溫變化趨勢穩定后,可逐步緩慢加大一、二列熱鹽至SGS進鹽調節閥開度,在加大進SGS熱鹽流量過程中,需緩慢逐步將再熱器進鹽調節閥打開,當再熱器出口熔鹽溫度與過熱器出口熔鹽溫度的溫差在20 ℃以內時,將過熱器和再熱器進鹽調閥開度比例調整至60%：40%。高壓蒸汽旁路閥門適時投入自動控制。繼續增加熱鹽至SGS的熔鹽流量,直到達到汽機沖轉參數,等待機組并網。

2.5.3 冷熱鹽混合運行時操作(一、二列同步進行)

SGS熔鹽至冷熔鹽罐再循環閥已打開。打開熱鹽至SGS進鹽調節閥3%開度,熱鹽流量大約為30 kg/s,打開調溫至SGS進鹽調節閥10%開度。此時需要根據SGS過熱器和再熱器進鹽溫度調整調溫熔鹽流量,通常保持SGS入口混合熔鹽溫度低于過熱器和再熱器進鹽溫度5 ℃即可。以下操作基本與SGS只通熱鹽運行操作基本一致,可根據調試任務進行SGS升溫或降溫運行。在關閉SGS熔鹽至冷熔鹽罐再循環閥后,SGS入口混合熔鹽溫度會發生大幅度波動,此時應保持熱鹽至SGS進鹽調節閥和調溫至SGS進鹽調節閥開度不變,不建議進行調整。當SGS冷熱鹽混合運行跳閘后,根據調試任務安排進行降溫至冷鹽循環,總用時2 h 36 min。SGS降溫期間系統內各參數正常,SGS降溫速率符合設備廠家小于15 ℃/min的要求。

2.5.4 操作注意事項

SGS熔鹽側各設備(包括過熱器、再熱器、蒸發器、省煤器)進鹽溫度變化率需嚴格執行廠家升溫速率,要求小于15 ℃/min,避免產生較大的熱應力,損壞設備。恢復運行期間,給水加熱器需及時投入,防止因給水溫度低造成省煤器熔鹽側凍鹽。保證SGS蒸汽側系統壓力,避免出現汽包壓力低低(低于54 barg)導致SGS緊急疏鹽。 機組低負荷運行期間,注意再熱器蒸汽入口溫度不能低于240 ℃,避免再熱器熔鹽側凍鹽。

3 結語

采用優化后的SGS跳閘條件及控制邏輯后,最大程度地保障了SGS熔鹽側系統各換熱設備安全運行,為機組可靠性運行奠定了基礎。調試方法的改進縮短了調試工期,提升了調試質量,相關SGS跳閘后系統恢復的運行操作要求,有效縮短了機組重新并網發電的時間。

某項目中SGS 跳閘后,經過1 h 38 min機組重新并網發電,提高了塔式光熱機組的經濟效益。2022年12月15日12:01,SGS一、二列開始進行疏鹽順控。在SGS疏鹽過程中,始終保持1#疏鹽泵運行,疏鹽罐液位從最初液位345 mm上升至最高1 588 mm,隨后開始下降至500 mm。2022年 12月15日13:01,停止1#疏鹽泵運行,此過程共耗時近60 min。SGS一列開始執行疏鹽順控到完成疏鹽順控的時間為19 min,SGS二列開始執行疏鹽順控到完成疏鹽順控的時間為20 min 30 s。

SGS系統換熱器運行工況得到良好的保障,過熱器、再熱器、省煤器、再熱器、蒸發器未曾發生一例凍鹽和泄漏事故,縮短了機組進入整套啟動的時間,使機組順利進入商業運行期,極大地提高了電廠的經濟效益及地方環保效益。