二拖一聯(lián)合循環(huán)機組大聯(lián)鎖方案設(shè)計與研究

1、二拖一聯(lián)合循環(huán)機組大聯(lián)鎖方案設(shè)計與研究路浩 中國能源建設(shè)集團天津電力建設(shè)公司調(diào)整試驗所摘 要本文闡述了大聯(lián)鎖在發(fā)電廠中的重要性，并以委內(nèi)瑞拉比西亞聯(lián)合循環(huán)機組為例，介紹了二拖一聯(lián)合循環(huán)機組的配置，結(jié)構(gòu)特點。在此基礎(chǔ)上，針對二拖一類型的聯(lián)合循環(huán)機組的大聯(lián)鎖邏輯構(gòu)成進行重點描述，并與傳統(tǒng)火電機組的大聯(lián)鎖進行了對比分析，描述了設(shè)計過程。該機組大聯(lián)鎖邏輯設(shè)計的特點是：在邏輯控制上將機組進行單元制劃分，從而可以集中管理，分散控制；區(qū)分了余熱爐的運行狀態(tài)，從而更加清晰的判斷余熱爐主保護是否參與大聯(lián)鎖控制保護；將RB邏輯加入到大聯(lián)鎖邏輯控制中，從而使機組更加高效、經(jīng)濟、安全的運行。大聯(lián)鎖 燃機 余熱爐 聯(lián)合

2、循環(huán)發(fā)電機組1. 引言隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和開發(fā)，發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)在不斷調(diào)整和改善，自動化水平也在提高，燃氣輪機聯(lián)合機組也逐漸進入市場，取代傳統(tǒng)的小型燃煤機組。聯(lián)合循環(huán)機組的配置的主要設(shè)備為：燃機、余熱爐、汽輪機和發(fā)電機。所謂聯(lián)合循環(huán)機組就是燃機將燃料（燃油、天然氣）與進入燃燒室的壓縮空氣進行混合燃燒后，高溫煙氣進入燃氣輪機膨脹作功，帶動燃氣輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，拖動發(fā)電機發(fā)電；作功后的高溫煙氣由燃機排氣擴散段出口經(jīng)煙道進入余熱鍋爐，余熱鍋爐利用高溫煙氣加熱鍋爐給水，產(chǎn)出過熱蒸汽，去蒸汽輪機作功，拖動汽輪發(fā)電機發(fā)電。與傳統(tǒng)的火力發(fā)電機組相比，聯(lián)合循環(huán)機組中的余熱爐和燃機的結(jié)構(gòu)特點有所不同，工藝流程不同，從

3、而導(dǎo)致邏輯保護的差異性。對于二拖一類型的聯(lián)合循環(huán)機組相比與傳統(tǒng)火電機組來說，涉及的工況更多，邏輯保護控制方案的設(shè)計更加復(fù)雜，在保護每臺主機設(shè)備的同時，要考慮全廠機組的安全、經(jīng)濟高效的運行。2. 二拖一聯(lián)合循環(huán)機組的配置 以委內(nèi)瑞拉比西亞燃機聯(lián)合循環(huán)電站項目為例，它主要設(shè)備包括2臺西門子SGT6-5000F燃機（GTG），2臺余熱鍋爐（HRSG），1臺蒸汽輪發(fā)電機（STG）和3臺主變壓器。在環(huán)境溫度33，相對潮濕度80%條件下，每臺燃機發(fā)電機設(shè)計發(fā)電166MW；余熱鍋爐和汽輪機，在環(huán)境溫度33、相對濕度80%條件下，汽輪發(fā)電機可以發(fā)電167MW。本機組的特點就是燃機配備煙氣旁路煙筒，實現(xiàn)燃機發(fā)電

4、機組的單循環(huán)發(fā)電機，也能帶動余熱爐參與聯(lián)合循環(huán)機組發(fā)電；每臺余熱爐配備一套蒸汽旁路系統(tǒng)，旁路接在余熱爐出口電動門和并汽門之間，共計兩套，方便聯(lián)合循環(huán)階段單臺爐的啟停操作。如圖2.1所示。全廠不設(shè)計輔汽聯(lián)箱，軸封汽源接口取自每臺爐的并汽閥和汽機主汽門之間，通過減溫減壓器實現(xiàn)所需蒸汽，由于軸封汽源設(shè)計的不夠合理，增加了大聯(lián)鎖邏輯保護實現(xiàn)的難度。圖2.1 聯(lián)合循環(huán)機組布置圖3. 大聯(lián)鎖控制保護方案為保證機組安全穩(wěn)定運行，尤其是在事故工況下機組能穩(wěn)定的運行到機組可以承擔的最好運行結(jié)果，大聯(lián)鎖邏輯保護的意義尤為重要，特別是目前情況下，機組對經(jīng)濟效益要求逐漸提高，對大聯(lián)鎖控制方案提出了新的要求，需要在機組

5、安全穩(wěn)定的情況下，實現(xiàn)機組經(jīng)濟效益的最大化，資源的最優(yōu)利用，通過與傳統(tǒng)火電燃煤機組的對比，來介紹如何設(shè)計實現(xiàn)二拖一聯(lián)合循環(huán)機組的大聯(lián)鎖控制保護方案。3.1 傳統(tǒng)火電燃煤機組大聯(lián)鎖控制保護方案傳統(tǒng)火電燃煤機組大聯(lián)鎖控制保護方案經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)很成熟，但也有所不同，從點火方式式上分為：燃油、微油和等離子；從鍋爐的類型上分為：汽包爐、直流爐、流化床鍋爐等，但是對于機組大聯(lián)鎖控制保護方案主要包括主燃料跳閘（MFT）、危急遮斷（ETS）和發(fā)電機保護（GRP）三部分，大聯(lián)鎖方案考慮的是三者之間相互跳閘的聯(lián)鎖關(guān)系，在任何一方出現(xiàn)緊急事故時能處理好三者之間的關(guān)系，盡量降低本身事故的同時，避免另外兩大設(shè)備及其

6、附屬設(shè)備不出現(xiàn)異?；驌p害。傳統(tǒng)火電燃煤機組大聯(lián)鎖控制保護方案中三者處于平等地位，不以任何一方為主導(dǎo)，特點是以汽機保護盤柜ETS作為聯(lián)接鍋爐保護和發(fā)電機保護的橋梁，實現(xiàn)三大設(shè)備的橫向聯(lián)鎖保護。如圖3-1所示。簡單之處在于，任何一方跳閘后，其與兩方設(shè)備，必須跳閘，不能繼續(xù)運行。圖3-1 大聯(lián)鎖示意圖3.2 二拖一聯(lián)合循環(huán)機組大聯(lián)鎖控制保護方案對于二拖一聯(lián)合循環(huán)機組大聯(lián)鎖控制保護方案的設(shè)計來說，設(shè)計的中心原則與傳統(tǒng)的火電燃煤機組類似，不同點和難點在于一臺燃機或者余熱爐跳閘后，剩余的燃機、余熱爐以及汽機如何繼續(xù)運行，因此燃機的主保護、鍋爐的主保護，以及鍋爐和汽機之間的保護聯(lián)鎖，應(yīng)增加加以區(qū)分判斷，有別

7、于傳統(tǒng)火電機組的互跳關(guān)系。對于委內(nèi)瑞拉比西亞項目來說，全廠配備有西門子T3000控制系統(tǒng)，Ovation的DCS系統(tǒng)和DEH系統(tǒng),及能在DCS系統(tǒng)實現(xiàn)全廠的負荷控制，也可以在T3000和DEH系統(tǒng)中分別控制燃機和汽機的負荷，各系統(tǒng)之間的聯(lián)鎖保護通過硬接線來實現(xiàn)。3.2.1 燃機的主保護燃氣輪機是一種以連續(xù)流動的氣體作為工質(zhì)、把熱能轉(zhuǎn)換為機械功的旋轉(zhuǎn)式動力機械。在空氣和燃氣的主要流程中，由壓氣機、燃燒室和燃氣透平這三大部件組成的燃氣輪機循環(huán)，通稱為簡單循環(huán)。燃氣輪機的工作過程：壓氣機連續(xù)地從大氣中吸入空氣并將其壓縮；壓縮后的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃氣，隨即流入燃氣渦輪中

8、膨脹做功，推動渦輪葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉(zhuǎn)；加熱后的高溫燃氣的做功能力顯著提高，因而燃氣渦輪在帶動壓氣機的同時，尚有余功作為燃氣輪機的輸出機械功。燃機的控制系統(tǒng)能實現(xiàn)燃機的啟停操作，并配有主保護系統(tǒng)，它燃機的主要保護類似鍋爐的FSSS系統(tǒng)和汽機的ETS系統(tǒng)的集成體。對于燃機的主保護系統(tǒng)設(shè)計從三部分考慮：跳閘判斷條件（包括首出）、復(fù)位和跳閘的后續(xù)動作。跳閘判斷條件：主要為啟動失敗、潤滑油系統(tǒng)故障（溫度、油壓、油位）、葉片溫度異常、IGV故障、燃燒系統(tǒng)故障、超速保護、發(fā)電機軸溫高、頻率異常、發(fā)電機故障、外圍附屬系統(tǒng)故障等。復(fù)位方式：采用畫面的中的手動復(fù)位按鈕，在無跳閘條件時，對跳閘出口指令和跳閘

9、首出進行復(fù)位。跳閘的后續(xù)動作：關(guān)燃料快關(guān)閥，來切斷燃料；關(guān)IGV和VGV切斷進氣。這類似于傳統(tǒng)燃煤機組中停磨，停風機。對于燃機的主保護系統(tǒng)分為軟邏輯保護和硬回路保護，硬回路中主要是通過兩個跳閘按鈕（分別布置在控制柜和操作臺）或 轉(zhuǎn)速卡的DO輸出，直接切斷燃油快關(guān)閥的工作電源使其斷電關(guān)閉。 3.2.2 介紹余熱爐的保護控制如何設(shè)計。1） 傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電機組鍋爐的主保護通過FSSS系統(tǒng)來實現(xiàn)：燃燒器的控制和燃料安全控制。燃燒器控制系統(tǒng)的功能是對鍋爐燃燒系統(tǒng)設(shè)備進行監(jiān)視和控制，保證點火器，油槍和磨煤機組系統(tǒng)的安全啟動、停止和運行。燃料安全系統(tǒng)的功能是在鍋爐點火前和跳閘停爐后對爐膛進行吹掃，防止可燃物

10、在爐膛堆積。在檢測到危及設(shè)備、人身安全的運行工況時，啟動主燃料跳閘（MFT），迅速切斷燃料，緊急停爐。然而對于余熱爐來說，它是通過燃機的排煙量來控制余熱爐的升溫升壓，相對于傳統(tǒng)鍋爐來說只有“鍋”沒有“爐”，不存在點火燃燒裝置，僅是通過燃機排放的煙氣來實現(xiàn)余熱爐的升溫升壓。所以，余熱爐的主保護不同與傳統(tǒng)燃煤鍋爐的MFT。對于余熱爐主保護控制方案來說，同樣從三個方面（邏輯保護的觸發(fā)條件、后續(xù)動作指令以及復(fù)位條件）和兩種方式（軟件和硬接線保護）出發(fā)，對于余熱爐來說，它的熱動力來自燃機的排放煙氣，在異常情況下應(yīng)該切斷燃機煙氣進入余熱爐，所以可以不設(shè)置余熱爐的急停按鈕，但必須設(shè)計燃機的急停按鈕。軟邏輯設(shè)

11、計如下：1） 邏輯保護的觸發(fā)條件 應(yīng)該從汽包水位異常、主蒸汽超溫超壓考慮，經(jīng)過與制造廠討論后，決定將鍋爐的主保護條件為：汽包水位異常（超高和超低）、主蒸汽和再熱蒸汽超溫超壓、鍋爐的煙筒擋板在關(guān)的位置、汽機跳閘和燃機跳閘信號。其中，需要說明的是“鍋爐的煙筒擋板關(guān)”的條件，杭鍋廠設(shè)計煙筒內(nèi)部的煙氣擋板的初衷是想在停爐后減慢鍋爐的冷卻速度，實際意義不大，但是機組運行過程中，此擋板如果在關(guān)位置會對燃機的排氣背壓造成影響，從這個角度出發(fā)，將此條件作為鍋爐保護的條件之一。2） 跳閘后續(xù)動作指令的設(shè)計 應(yīng)該從保護余熱爐自身設(shè)備，以及相關(guān)的主要設(shè)備出發(fā)。鍋爐廠的最初的保護方案：關(guān)斷燃機的煙氣擋板和跳閘汽機。此

12、方案僅適合一拖一的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，不適用于二拖一類型的機組。根據(jù)比西亞項目的系統(tǒng)特點，應(yīng)該增加并汽閥、減溫水控制閥和蒸汽旁路閥的保護邏輯。對于關(guān)斷燃機的煙氣擋板門來實現(xiàn)對鍋爐的保護，從實際運行的情況看效果不是很好，一方面對煙氣的旁路擋板沖刷大，易于破壞；另外一方面對于SGT-5000F西門子明確提出燃機降低到60%以下的負荷，才允許調(diào)節(jié)煙氣擋板由聯(lián)合循環(huán)的位置到單循環(huán)的位置，否則，影響燃機的背壓，危害到燃機的安全運行，但是該燃機的最大降負荷速率為20MW/min，降負荷過程相對時間較長，與“緊急情況下切斷鍋爐的熱源”的原則矛盾，綜合上述兩方面的原因：將“關(guān)斷燃機的煙氣擋板”來保護余熱爐的方案

13、取消，改為直接“跳閘燃機”。3） 復(fù)位方式 對于傳統(tǒng)的燃煤機組的復(fù)位條件，鍋爐無跳閘條件，啟動鍋爐的吹掃程序來完成對主保護MFT的復(fù)位。但是對于余熱爐來說，沒有送引風機，綜合考慮，添加手動復(fù)位按鈕來實現(xiàn)，保證靈活性和可控性。3.2.3 介紹二拖一聯(lián)合循環(huán)機組的主設(shè)備之間的橫向保護，主要從二拖一工況和一拖一工況實現(xiàn)，示意圖見圖3-2和圖3-3。#2燃機發(fā)電機#2燃機#1燃機發(fā)電機#1余熱爐#1燃機#2余熱爐汽輪機汽輪發(fā)電機圖3-2 二拖一工況大聯(lián)鎖示意圖參與聯(lián)合循環(huán)的燃機發(fā)電機參與聯(lián)合循環(huán)的余熱爐參與聯(lián)合循環(huán)的燃機汽輪機汽輪發(fā)電機 圖3-3 一拖一工況大聯(lián)鎖示意圖1） 機組在二拖一運行工況下大聯(lián)

14、鎖保護動作情況：所謂二拖一工況，即：兩臺燃機發(fā)電機、兩臺燃機、兩臺余熱爐、一臺汽輪機和汽輪發(fā)電機都在運行，此時全廠經(jīng)濟效益高，資源合理利用。 燃機發(fā)電機首先跳閘的情況： 跳閘對應(yīng)的燃機，跳閘燃機對應(yīng)的余熱爐，一臺余熱爐跳閘則關(guān)并汽閥，開旁路，觸發(fā)一臺余熱爐切除聯(lián)合循環(huán)的邏輯，DCS系統(tǒng)通過硬接線發(fā)RB信號到DEH系統(tǒng)，DEH改為功率控制回路，目標負荷為RB發(fā)生時汽機負荷的45%，如果兩臺爐都跳閘則開旁路，跳閘汽機，汽機跳閘則跳閘汽輪發(fā)電機。 燃機首先跳閘的情況：跳閘對應(yīng)的燃機發(fā)電機和余熱爐，一臺余熱爐跳閘則關(guān)并汽閥，開旁路，觸發(fā)一臺余熱爐切除聯(lián)合循環(huán)的邏輯，DCS系統(tǒng)通過硬接線發(fā)RB信號到DE

15、H系統(tǒng)，DEH改為功率控制回路，目標負荷為RB發(fā)生時汽機負荷的45%，如果兩臺爐都跳閘則跳閘汽機，汽機跳閘則跳閘汽輪發(fā)電機。 余熱爐首先跳閘的情況：跳閘對應(yīng)的燃機，跳閘燃機相應(yīng)的燃機發(fā)電機，一臺余熱爐跳閘則關(guān)并汽閥，開旁路，觸發(fā)一臺余熱爐切除聯(lián)合循環(huán)的邏輯，DCS系統(tǒng)通過硬接線發(fā)RB信號到DEH系統(tǒng)，DEH改為功率控制回路，目標負荷為RB發(fā)生時汽機負荷的45%，如果兩臺爐都跳閘則開旁路，跳閘汽輪機，汽機跳閘則跳閘汽輪發(fā)電機。 汽輪機首先跳閘的情況： 跳閘汽輪發(fā)電機，開旁路，余熱爐和燃機繼續(xù)運行。 汽輪發(fā)電機首先跳閘的情況： 跳閘汽輪機，開旁路，余熱爐和燃機繼續(xù)運行。2）機組在一拖一運行工況下大

16、聯(lián)鎖保護動作情況：所謂一拖一工況，即：一臺燃機發(fā)電機、一臺燃機和一臺余熱爐參與聯(lián)合循環(huán)帶動汽輪機和汽輪發(fā)電機運行。此工況下，與傳統(tǒng)燃煤機組類似。 參與聯(lián)合循環(huán)的燃機發(fā)電機首先跳閘： 跳閘對應(yīng)的燃機，跳閘燃機對應(yīng)的余熱爐，開旁路，跳閘汽機，汽機跳閘則跳閘汽輪發(fā)電機。 參與聯(lián)合循環(huán)的燃機跳閘首先： 跳閘對應(yīng)的燃機發(fā)電機和余熱爐，開旁路，跳閘汽機，汽機跳閘則跳閘汽輪發(fā)電機。 參與聯(lián)合循環(huán)的余熱爐跳閘：跳閘對應(yīng)的燃機，跳閘燃機相應(yīng)的燃機發(fā)電機，開旁路，跳閘汽輪機，汽機跳閘則跳閘汽輪發(fā)電機。 汽輪機首先跳閘： 跳閘汽輪發(fā)電機，參與聯(lián)合循環(huán)的鍋爐的旁路快開。 汽輪發(fā)電機首先跳閘： 跳閘汽輪機，參與聯(lián)合循環(huán)

17、的鍋爐的旁路快開。根據(jù)上面兩種工況下的描述可知：對于聯(lián)合循環(huán)機組的大聯(lián)鎖保護設(shè)計的特點是：燃機和燃機發(fā)電機的跳閘關(guān)系、汽輪機和汽輪發(fā)電機之間的跳閘關(guān)系是固定的，燃機和余熱爐之間的跳閘關(guān)系根據(jù)中間是否設(shè)計有煙氣擋板而略有不同，余熱爐與汽輪機之間邏輯保護需要根據(jù)旁路的容量加以區(qū)分。本控制方案的設(shè)計的特點在于：1） 增加了余熱爐是否參與聯(lián)合循環(huán)的邏輯判斷，從而更加準確的判斷是一拖一還是二拖一的工況，使大聯(lián)鎖的跳閘邏輯更加合理，保證安全經(jīng)濟的運行。2） 在充分考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)不同工況設(shè)置并汽閥門聯(lián)鎖保護條件，防止兩臺爐之間串汽，保證跳爐后軸封的汽源。3） 充分利用100%蒸汽旁路的特點，取消了

18、汽機跳閘余熱爐的邏輯，使余熱爐有效的做到熱備用，能有效快速相應(yīng)汽輪機的需求。 4） 在二拖一工況跳轉(zhuǎn)到一拖一工況的邏輯中設(shè)計RB邏輯，保證了工況跳轉(zhuǎn)的自動過渡，減少了運行人員的操作。4. 二拖一聯(lián)合循環(huán)機組大聯(lián)鎖控制保護方案的擴展1） 對于設(shè)計有小島運行功能的機組應(yīng)該根據(jù)脫離外網(wǎng)后，應(yīng)該利用燃機快速響應(yīng)負荷的特點，來實現(xiàn)燃機帶負荷，根據(jù)燃機的出力情況，有選擇的跳閘汽輪機及汽輪發(fā)電機。2）對于汽機旁路設(shè)計不是100%容量的機組,汽輪機跳閘，應(yīng)該設(shè)計燃機RB，來降低余熱爐的負荷，滿足旁路容量，達到熱備用。5. 結(jié)束語本文將聯(lián)合循環(huán)機組的主保護與傳統(tǒng)燃煤機組的主保護進行比較，根據(jù)不同運行工況設(shè)置不同的聯(lián)鎖保護，將全廠大聯(lián)鎖的控制聯(lián)系