燃?xì)廨啓C(jī)變工況運(yùn)行時(shí)中壓汽包水位波動(dòng)原因及分析

1、燃?xì)廨啓C(jī)變工況運(yùn)行時(shí)中壓汽包水位波動(dòng)原因及分析發(fā)表時(shí)間:2008-6-30作者：孫承志,孫鈺,李子沖摘要：一、系統(tǒng)概述    前灣燃機(jī)電廠日本三菱公司M701F燃?xì)廨啓C(jī)(簡(jiǎn)稱M701F燃機(jī))燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組配套的余熱鍋爐為杭州鍋爐廠制造的三壓、再熱、無(wú)補(bǔ)燃、臥式、自然循環(huán)爐，單臺(tái)機(jī)組額定出力390MW，其中燃?xì)廨啓C(jī)約260MW，汽輪機(jī)約130MW。    余熱鍋爐分高、中、低壓3個(gè)部分。其中，主蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸做功后排汽進(jìn)入冷段再熱管道，與來(lái)自余熱鍋爐中壓過(guò)熱器的蒸汽匯合進(jìn)入再熱器，然后進(jìn)入汽輪機(jī)中壓缸做功，具有高、中、低壓

2、旁路系統(tǒng)，高壓主蒸汽旁路與再熱器冷段相連，中低壓主蒸汽旁路與凝汽器相連。機(jī)組熱力系統(tǒng)見(jiàn)圖1。                  在機(jī)組變工況運(yùn)行時(shí)，高、中、低壓汽包的水位均有所波動(dòng)。由于中壓汽包容量小(內(nèi)直徑1250mm)，運(yùn)行時(shí)汽包正常水位為-100mm，水位高跳機(jī)值為+200mm，水位低跳機(jī)值為-35Omm。在某些工況下，中壓汽包水位波動(dòng)較大，甚至可能因其水位過(guò)低導(dǎo)致跳機(jī)。    機(jī)組運(yùn)行時(shí)，

3、中壓汽包水位與高、中壓旁路閥動(dòng)作密切相關(guān)，本文依據(jù)旁路閥的控制模型和邏輯，結(jié)合運(yùn)行調(diào)試中的實(shí)際情況，分析了變工況條件下中壓汽包水位波動(dòng)較大的原因。二、汽輪機(jī)高壓旁路閥控制模型    汽輪機(jī)高壓旁路閥與中壓旁路閥的控制模型完全相同，只是參數(shù)不同。    旁路閥開(kāi)度指令y的函數(shù)為:              式中，K、T、L、H為常數(shù)，通常K=l.2，T=2，L=-2，H=l02;x(t)=p(t)-

4、ps(t)；p(t)、ps(t)分別為主蒸汽壓力的實(shí)際值和設(shè)定值，MPa，兩者均為時(shí)間t的函數(shù)。    由式(1)可知，對(duì)旁路閥的控制是確定ps(t)。當(dāng)y0，表明旁路閥具有全關(guān)指令;當(dāng)y100，表明旁路閥具有全開(kāi)指令。因此，在M701F燃機(jī)的控制系統(tǒng)中，旁路閥控制具有最小壓力、后備壓力、實(shí)際壓力3種控制模式，并且提供了ps(t)的不同算法。2.1 最小壓力控制模式    在機(jī)組點(diǎn)火至旁路閥全關(guān)(即汽輪機(jī)的起動(dòng)結(jié)束)期間，ps(t)是機(jī)組負(fù)荷(P)的函數(shù)：      

5、0;           機(jī)組從點(diǎn)火到負(fù)荷達(dá)到86MW期間，ps(t)的算法較復(fù)雜，需要綜合考慮蒸汽溫度與汽輪機(jī)缸體溫度的匹配等。若設(shè)機(jī)組點(diǎn)火時(shí)刻為t1，則在t1時(shí)刻，ps(t)=p(t)。之后，ps(t)根據(jù)蒸汽壓力、溫度及汽輪機(jī)缸體溫度的變化，緩慢增加至5.29MPa后，維持該值不變，直至機(jī)組負(fù)荷達(dá)到86MW。2.2 后備壓力控制模式    旁路閥全關(guān)后，即進(jìn)入后備壓力控制模式。停機(jī)時(shí)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，退出后備壓力控制模式。在后備壓力控制模式下，總是ps(t)p(t)

6、，因此旁路閥始終保持全關(guān)狀態(tài)，其函數(shù)為:                  前灣燃機(jī)電廠主蒸汽壓力額定值為9.93MPa，雖然式(3)給出了p(t)l0.5，15的范圍，但機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中p(t)不超過(guò)l0MPa。2.3 實(shí)際壓力控制模式    實(shí)際壓力控制模式適用于從機(jī)組停運(yùn)到機(jī)組下次起動(dòng)點(diǎn)火前的控制。在停機(jī)時(shí)調(diào)節(jié)閥開(kāi)始關(guān)閉(設(shè)為t3時(shí)刻)，旁路閥從后備壓力控制模式切至實(shí)際壓力控制模式，即令ps(

7、t)=p(t3)，并一直維持到下一次機(jī)組點(diǎn)火之前。    以某日機(jī)組起停曲線(圖2)為例，說(shuō)明上述3種控制模式的適用情況。                  由圖2可知，機(jī)組起動(dòng)前，旁路閥為實(shí)際壓力控制模式(t0時(shí)刻)。機(jī)組起動(dòng)(t1時(shí)刻)，機(jī)組點(diǎn)火ps(t)= p(t)，此時(shí)旁路閥轉(zhuǎn)入最小壓力控制模式。ps(t)根據(jù)蒸汽壓力、溫度及汽輪機(jī)缸體溫度的變化，緩慢增加至5.29MPa(t4時(shí)刻)。在t

8、5時(shí)刻，機(jī)組負(fù)荷升至86MW，此時(shí)ps(t)適用式(2)。在機(jī)組點(diǎn)火初期，主蒸汽壓力低，旁路閥全關(guān)，隨著主蒸汽壓力的上升，旁路閥逐漸打開(kāi)。當(dāng)汽輪機(jī)具備進(jìn)汽條件后，主汽閥以一定的速率打開(kāi)，此時(shí)p(t)會(huì)下降，為了維持p(t)=ps(t),旁路閥將逐漸關(guān)閉至全關(guān)。旁路閥全關(guān)后(t2時(shí)刻)，其轉(zhuǎn)入后備壓力控制模式，此時(shí)ps(t)適用式(3)。機(jī)組停機(jī)過(guò)程中(t3時(shí)刻)，主汽閥開(kāi)始關(guān)閉，旁路閥轉(zhuǎn)入實(shí)際壓力控制模式。三、變工況條件下中壓汽包水位波動(dòng)分析3.1 停機(jī)階段    停機(jī)時(shí)，當(dāng)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組總負(fù)荷大于200MW時(shí)，蒸汽參數(shù)始終滿足汽輪機(jī)進(jìn)汽條件，故汽輪機(jī)主汽

9、閥及再熱閥保持全開(kāi)。    控制系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)指令后，低壓主蒸汽調(diào)節(jié)閥隨低壓主蒸汽壓力的降低關(guān)閉至18%時(shí)(機(jī)組負(fù)荷在(180160)MW)，調(diào)節(jié)閥及再熱調(diào)節(jié)閥開(kāi)始關(guān)閉，旁路閥轉(zhuǎn)為實(shí)際壓力控制模式。調(diào)試期間的某日停機(jī)曲線見(jiàn)圖3。                  (1)由曲線8可見(jiàn)，在t0時(shí)刻，機(jī)組負(fù)荷值逐漸下降(減負(fù)荷過(guò)程)時(shí)，調(diào)節(jié)閥(曲線1)在全開(kāi)位置，此時(shí)高壓旁路閥為后備壓力控制模式(式(3)

10、，高壓旁路閥前主蒸汽壓力設(shè)定值(曲線2)總是比實(shí)際值(曲線3)高。    (2)在t1時(shí)刻，調(diào)節(jié)閥開(kāi)始關(guān)閉，高壓旁路閥設(shè)定值等于當(dāng)前實(shí)際值，即Ps(t)=P(t1)(曲線2、曲線3)，并維持直到機(jī)組再次起動(dòng)。此時(shí)，高、中壓旁路閥為實(shí)際壓力控制模式(曲線5、曲線6)。中壓旁路閥在調(diào)節(jié)閥開(kāi)始關(guān)閉由后備壓力控制模式切換為實(shí)際壓力控制模式。    (3)在t2t3階段，隨機(jī)組負(fù)荷下降，主蒸汽及再熱蒸汽壓力降低，調(diào)節(jié)閥及再熱調(diào)節(jié)閥以一定速率開(kāi)始關(guān)閉，主蒸汽、再熱蒸汽壓力上升。在t3時(shí)刻，主蒸汽壓力大于設(shè)定值后，根據(jù)式(1)，高壓旁路閥開(kāi)始打開(kāi)。

11、    (4)隨著高壓旁路閥開(kāi)度的增大，冷段再熱蒸汽壓力迅速上升，導(dǎo)致再熱主蒸汽逆止閥關(guān)閉且中壓汽包壓力快速上升，從而使其汽包水位急劇下降，即使中壓給水流量調(diào)節(jié)為最大也難以維持正常水位。據(jù)觀察，若壓力上升速率為0.2MPa/min以上，將難以保證機(jī)組的安全運(yùn)行。    (5)在t4時(shí)刻，由于再熱蒸汽壓力大于設(shè)定值，中壓旁路閥開(kāi)始開(kāi)啟(式(1)。     因此，機(jī)組從滿負(fù)荷開(kāi)始停機(jī)時(shí)，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷低于200MW后，調(diào)節(jié)閥開(kāi)始關(guān)閉，高壓旁路閥逐漸開(kāi)啟。如果要避免由于高壓旁路閥的開(kāi)啟而導(dǎo)致中壓汽包水位急

12、劇下降，必須維持冷段再熱蒸汽壓力和中壓汽包壓力相對(duì)穩(wěn)定。理論上，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)高壓旁路閥，或者打開(kāi)再熱主蒸汽壓力釋放閥以維持壓力不變，但這兩種方法難以實(shí)現(xiàn)。另外，若將式(1)的參數(shù)T改小，則高壓旁路閥動(dòng)作會(huì)更加靈敏，這樣將加大了超調(diào)的危險(xiǎn)性，使冷段再熱蒸汽壓力的波動(dòng)加劇。    當(dāng)機(jī)組從滿負(fù)荷降至200MW負(fù)荷時(shí)，高壓旁路閥未開(kāi)啟，如果維持200MW負(fù)荷運(yùn)行l(wèi)0min，則主蒸汽壓力會(huì)快速下降。某日機(jī)組從滿負(fù)荷降至200MW負(fù)荷持續(xù)運(yùn)行時(shí)，主蒸汽壓力變化曲線見(jiàn)圖4。        

13、0;         由圖4可見(jiàn)，機(jī)組持續(xù)在200MW負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，主蒸汽壓力在6.4MPa左右。主蒸汽壓力下降后，若此時(shí)進(jìn)一步降負(fù)荷，高壓旁路閥開(kāi)啟，冷段再熱蒸汽壓力變化不大，中壓汽包的壓力也只有微小的變化(不到0.04MPa)，中壓汽包水位波動(dòng)較小，通過(guò)中壓給水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制可維持正常水位。3.2 快速減負(fù)荷    機(jī)組快速減負(fù)荷是指在機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)異常情況(如燃?xì)鈮毫Φ汀⑷細(xì)廨啓C(jī)葉片通道溫度偏差大、主蒸汽溫度高等)時(shí)，機(jī)組負(fù)荷迅速(30s)降至200MW。在此過(guò)程中，高、中壓旁路閥

14、始終工作在后備壓力控制模式，各主汽門(mén)、高、中壓旁路閥均不動(dòng)作，鍋爐各汽包壓力、主蒸汽溫度無(wú)突變，從而對(duì)各汽包水位沒(méi)有影響。3.3 甩負(fù)荷    機(jī)組甩負(fù)荷后，調(diào)節(jié)閥、再熱調(diào)節(jié)閥均立即全關(guān)，同時(shí)在邏輯上，令H=L，這樣旁路閥開(kāi)度指令y=H=L,，且H、L是主蒸汽流量F的函數(shù)：                  因此，機(jī)組甩負(fù)荷后，高、中壓旁路閥迅速開(kāi)至某一開(kāi)度（開(kāi)度取決于甩負(fù)荷瞬間的主蒸汽流量），并

15、維持5s，使主蒸汽流量、壓力等參數(shù)不變，從而中壓汽包水位波動(dòng)不大。5s后，H、L的值恢復(fù)為H=102，L=-2，由式（1）得到高、中壓旁路閥開(kāi)度指令，并轉(zhuǎn)為實(shí)際壓力控制模式。    機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，高、中壓旁路閥必須迅速開(kāi)啟，以防止主蒸汽壓力及流量的突變。高、中壓旁路閥控制邏輯中，通過(guò)令H=L，使高、中壓旁路閥開(kāi)度與蒸汽流量對(duì)應(yīng)，并迅速開(kāi)啟旁路閥維持主蒸汽壓力及流量不變。控制邏輯沒(méi)有采用比例積分調(diào)節(jié)，避免了滯后性。調(diào)試期間，機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)中，中壓汽包壓力基本不變，水位波動(dòng)不大。3.4 解列后立即起動(dòng)    M701F燃機(jī)在發(fā)電機(jī)解列后，

16、不立即切斷燃料，而是維持3000r/min運(yùn)行5min，對(duì)機(jī)組進(jìn)行冷卻，然后停機(jī)降速。在此期間，可以重新發(fā)出機(jī)組起動(dòng)指令。    在調(diào)試期間進(jìn)行超速試驗(yàn)時(shí)，通常在機(jī)組解列后重新發(fā)出停機(jī)指令。在機(jī)組解列后，高、中壓旁路閥為實(shí)際壓力控制模式，若此時(shí)發(fā)出起動(dòng)機(jī)組指令，則高、中壓旁路閥轉(zhuǎn)為最小壓力控制模式，主蒸汽壓力設(shè)定值變?yōu)?.3MPa。通常主蒸汽實(shí)際壓力在6.3MPa以上，與其壓力設(shè)定值偏差較大，將導(dǎo)致高、中壓旁路閥快速開(kāi)啟，使冷段再熱蒸汽壓力及中壓汽包壓力快速上升，中壓汽包水位迅速下降。因此，在高、中旁路閥轉(zhuǎn)為最小壓力控制模式時(shí)，主蒸汽壓力設(shè)定值不能立即變?yōu)?.3M

17、Pa，而是以一定的速率(RD)逐漸變?yōu)?.3MPa。在調(diào)試期間,某日機(jī)組解列后發(fā)出機(jī)組起動(dòng)指令,由于RD值設(shè)定較大,高、中壓旁路閥開(kāi)啟速度較快，中壓汽包壓力在1min內(nèi)上升了0.18MPa(85s上升了0.22MPa)，使得水位從-120mm降至-351mm。將RD改為0.3(即以0.3MPa/min速率下降)，中壓汽包壓力在2min內(nèi)只上升了0.07MPa，水位波動(dòng)很小。3.5 停機(jī)惰走    機(jī)組停機(jī)惰走至(600700)r/min時(shí)，中壓汽包水位必然會(huì)急劇下降。以某日停機(jī)參數(shù)為例，中壓汽包壓力(2.22.4)MPa時(shí)，汽包中的水蒸氣飽和溫度在220230之間

18、。機(jī)組降速時(shí)，M701F燃機(jī)滅火，排煙溫度迅速下降，此蒸發(fā)器煙氣溫度降至229。考慮到換熱溫度差，當(dāng)中壓汽包壓力在2.23MPa時(shí)，中壓汽包水溫已經(jīng)很難達(dá)到飽和溫度。從而，汽包中本來(lái)處于飽和溫度下的汽水混合物會(huì)大量凝結(jié)成水，中壓主蒸汽流量也迅速下降，水位急劇下降。同樣，高、低汽包水位也會(huì)迅速下降，但是高壓、低壓汽包容量較大，水位仍然可以維持在正常范圍內(nèi)。此時(shí)，高、低汽包水位短時(shí)過(guò)低，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行無(wú)影響。四、結(jié)語(yǔ)    M701F燃機(jī)配套的余熱鍋爐由于中壓汽包容量小，其水位在運(yùn)行工況變化時(shí)波動(dòng)較大。在給水泵、給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)正常時(shí)，中壓汽包水位的波動(dòng)還受煙氣溫度及冷段再熱蒸汽壓力的影響。    日本三菱公司隨機(jī)組配置的旁路閥控制邏輯的設(shè)計(jì)對(duì)冷段再熱蒸汽壓力具有顯著影響，從而影