臨界機(jī)組熱控設(shè)計(jì)特點(diǎn)_secret

1、1000MW超臨界機(jī)組熱控設(shè)計(jì)特點(diǎn)當(dāng)前，火力發(fā)電機(jī)組正朝著大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，機(jī)組類型多以超臨界600MW為主。隨著各發(fā)電集團(tuán)公司對(duì)機(jī)組效率要求的進(jìn)一步提高，1000MW超臨界機(jī)組也開始不斷引入。華東電力設(shè)計(jì)院是目前國(guó)內(nèi)最早涉足于1000MW超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)的單位，通過在外高橋電廠二期、玉環(huán)電廠、泰州電廠工程中的實(shí)踐和研究，積累了一些工程設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，通過本文的介紹，為業(yè)內(nèi)同行在工程設(shè)計(jì)中提供一些參考和借鑒。對(duì)于超臨界機(jī)組，熱控設(shè)計(jì)在以下幾方面應(yīng)進(jìn)行一些特殊考慮:機(jī)組控制系統(tǒng)總體方案的確定、系統(tǒng)圖(P&ID)中現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表測(cè)點(diǎn)配置、儀表選型、DCS的選擇與配置和功能規(guī)劃、主要成套配供

2、控制裝置的選擇等。一、主要熱力系統(tǒng)的熱控設(shè)計(jì) P&ID設(shè)計(jì)是所有熱控設(shè)計(jì)工作深入開展的基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)百萬等級(jí)超臨界機(jī)組中只有外高橋二期已投入商業(yè)運(yùn)行，所以在玉環(huán)電廠工程的設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段，對(duì)外高橋二期熱力系統(tǒng)的熱控設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并多次到外高橋電廠二期現(xiàn)場(chǎng)查看機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀況，了解工程設(shè)計(jì)中各方面的細(xì)節(jié)問題。同時(shí)，業(yè)主單位和設(shè)計(jì)院還組織專業(yè)設(shè)計(jì)人員到日本三菱公司考察并交流百萬等級(jí)超臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。 在施工圖設(shè)計(jì)階段，經(jīng)各方多次討論認(rèn)為:超臨界直流爐與亞臨界汽包爐機(jī)組的主要區(qū)別在于鍋爐本體部分。超臨界機(jī)組較超臨界機(jī)組只是工藝參數(shù)相對(duì)高一些，但在熱控設(shè)計(jì)方面兩者基本上沒有大的差別。據(jù)此，最終確定

3、超臨界機(jī)組的熱控設(shè)計(jì)采取以下原則:熱力系統(tǒng)熱控設(shè)計(jì)主要參照外高橋二期，同時(shí)適當(dāng)結(jié)合當(dāng)前在建的600MW超臨界機(jī)組工程實(shí)踐?，F(xiàn)就熱力系統(tǒng)中主要部分的熱控設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。 1.1 主蒸汽、再熱蒸汽和旁路系統(tǒng) (1)主蒸汽和熱再熱蒸汽母管疏水閥門控制。外高橋二期工程中，該系統(tǒng)的疏水采用調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，通過檢測(cè)蒸汽管道中溫度與對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度的接近程度來確定調(diào)節(jié)閥門開度，或根據(jù)主汽/再熱蒸汽壓力與疏水閥開度間的對(duì)應(yīng)函數(shù)曲線確定疏水閥門開度。從理論上，這種控制方式更合理，可以更準(zhǔn)確地控制疏水的排放點(diǎn)。按常規(guī)設(shè)計(jì)，主汽/再熱蒸汽疏水閥是根據(jù)機(jī)組負(fù)荷值來決定其開啟和關(guān)閉的，疏水閥采用開關(guān)式氣動(dòng)閥門。采用常

4、規(guī)設(shè)計(jì)可能會(huì)使一部分蒸汽排入凝汽器，造成熱量浪費(fèi)，但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，也有調(diào)試人員認(rèn)為，疏水閥前后差壓太大，閥門稍一開啟就將疏水放完，此處設(shè)計(jì)為調(diào)節(jié)閥意義不大;再者，確定主汽/再熱蒸汽壓力與疏水閥開度之間的對(duì)應(yīng)函數(shù)曲線也非常困難，所以目前還是將疏水閥門設(shè)計(jì)為開關(guān)式氣動(dòng)閥門。實(shí)際設(shè)計(jì)中在疏水管道上考慮了溫度測(cè)點(diǎn)，以便在邏輯設(shè)計(jì)中確定疏水管道中介質(zhì)是否達(dá)到飽和溫度及何時(shí)開啟疏水閥門。 (2)主蒸汽流量的測(cè)量，亞臨界汽包鍋爐一般采用三沖量調(diào)節(jié)，參與調(diào)節(jié)的主蒸汽流量信號(hào)基本采用汽輪機(jī)第1級(jí)壓力計(jì)算獲得。超臨界直流鍋爐控制的關(guān)鍵任務(wù)是主蒸汽溫度調(diào)節(jié)，過熱汽溫通過給水量與燃料量的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。實(shí)際運(yùn)行中給煤

5、量控制不可能很精確，因此只能把保持煤水比作為粗調(diào)，另用噴水減溫作為細(xì)調(diào)。調(diào)節(jié)時(shí)利用煤水比保持中間點(diǎn)溫度(一般采用汽水分離器出口溫度)在一定值。中間點(diǎn)至過熱器出口間采用噴水減溫來適應(yīng)過熱器的工況變化及維持規(guī)定的過熱器出口汽溫，整個(gè)調(diào)節(jié)過程均不需要主蒸汽流量信號(hào)參與，而且在直流運(yùn)行工況，主蒸汽流量等于給水流量。查閱外高橋電廠二期設(shè)計(jì)資料發(fā)現(xiàn)，主蒸汽流量信號(hào)主要用于負(fù)荷調(diào)節(jié)回路、給水調(diào)節(jié)設(shè)定值計(jì)算、過熱蒸汽和再熱蒸汽疏水調(diào)節(jié)閥的聯(lián)鎖控制及其他調(diào)節(jié)回路中設(shè)定值的計(jì)算;玉環(huán)電廠工程中，鍋爐制造廠提供的三菱公司技術(shù)資料中均無主蒸汽流量信號(hào)的要求，而汽輪機(jī)廠家技術(shù)人員指出西門子的汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DE

6、H)中需要主蒸汽流量測(cè)量信號(hào)，當(dāng)主蒸汽流量低于15%時(shí)，汽輪機(jī)將限制升速速率。西門子汽輪機(jī)沒有第1級(jí)壓力，所以在鍋爐一級(jí)過熱器出口裝設(shè)了流量噴嘴。該測(cè)量裝置由于裝設(shè)在高溫高壓環(huán)境，設(shè)備費(fèi)用相當(dāng)昂貴，還會(huì)造成較大的管道阻力損失。所以，如能確定DEH控制中不需要或DEH自己能夠計(jì)算主蒸汽流量，則還是不要裝設(shè)主蒸汽流量測(cè)量裝置。1.2 鍋爐啟動(dòng)旁路系統(tǒng) 超臨界直流鍋爐與亞臨界汽包鍋爐最大的區(qū)別在于超臨界直流鍋爐設(shè)計(jì)有啟動(dòng)旁路系統(tǒng)。在鍋爐啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)旁路系統(tǒng)需保證直流爐水冷壁的最小流量(約35%MCR)。當(dāng)負(fù)荷小于35%MCR時(shí)，汽水分離器處于有水狀態(tài)(即濕態(tài)運(yùn)行)，此時(shí)通過水位控制閥完成對(duì)分離器水位

7、控制及最小給水流量控制;當(dāng)負(fù)荷上升等于或大于35%MCR時(shí)，給水流量與鍋爐產(chǎn)汽量相等，為直流運(yùn)行方式，進(jìn)入干態(tài)運(yùn)行，汽水分離器變?yōu)檎羝?lián)箱使用。 為平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)鍋爐控制由分離器水位和最小流量控制轉(zhuǎn)換為蒸汽溫度控制及給水流量控制，必須首先增加燃料量，而給水流量保持不變，這樣，過熱器入口焓值隨之上升，當(dāng)焓值上升到定值時(shí)，溫度控制器參與調(diào)節(jié)使給水流量增加，從而使蒸汽溫度達(dá)到與給水流量的平衡(煤水比控制蒸汽溫度)。升負(fù)荷過程中，分離器從濕態(tài)向干態(tài)轉(zhuǎn)換。 在鍋爐啟動(dòng)旁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還應(yīng)注意給水流量測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)裝設(shè)在啟動(dòng)再循環(huán)管路之后，這樣可保證給水流量測(cè)量值能夠適應(yīng)各種運(yùn)行工況:鍋爐啟動(dòng)階段測(cè)量的是啟動(dòng)循環(huán)水流

8、量;直流運(yùn)行狀態(tài)測(cè)量的是機(jī)組給水流量。如裝設(shè)在啟動(dòng)再循環(huán)管之前，鍋爐啟動(dòng)階段流量測(cè)量裝置只能測(cè)量5%的補(bǔ)給水流量，如采用此給水流量信號(hào)參與機(jī)組保護(hù)，則會(huì)觸發(fā)機(jī)組總?cè)剂咸l(MFT)保護(hù)邏輯中給水流量低低(小于25%)保護(hù)信號(hào)，造成不必要的保護(hù)動(dòng)作。為提高流量測(cè)量精度，在外商原設(shè)計(jì)的給水流量測(cè)量中同時(shí)采用了大量程和小量程變送器，小量程變送器用于機(jī)組斷水保護(hù)，大量程變送器用于給水調(diào)節(jié)。考慮到變送器的精度已能達(dá)到0.075%，應(yīng)該說大、小量程的測(cè)量誤差不會(huì)有大的影響，所以在目前設(shè)計(jì)中只裝設(shè)了1種變送器，具體效果要通過實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證。1.3 給水系統(tǒng) 超臨界機(jī)組給水系統(tǒng)熱控設(shè)計(jì)與常規(guī)亞臨界機(jī)組給水系統(tǒng)基

9、本相同。總體上來說，百萬千瓦超臨界機(jī)組給水系統(tǒng)除了給水管路的壓力參數(shù)比亞臨界和超臨界機(jī)組高之外，其他并沒有太大變化。1.4 抽汽系統(tǒng) 抽汽系統(tǒng)熱控設(shè)計(jì)中遇到的主要問題是汽輪機(jī)防進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)的選用。外高橋電廠二期和玉環(huán)工程均采用了西門子汽輪機(jī)，按照西門子的設(shè)計(jì)，汽輪機(jī)抽汽逆止門控制放在DEH中，抽汽逆止門前后裝有差壓變送器，當(dāng)前后差壓大于3.2kPa時(shí)抽汽逆止閥將關(guān)閉，這在以往國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)中是沒有的。此外，按照我國(guó)汽輪機(jī)防進(jìn)水設(shè)計(jì)規(guī)范，抽汽管道第1個(gè)逆止門前的水平管段應(yīng)裝設(shè)上下管壁溫度測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)視上下溫差，防止有水進(jìn)入汽輪機(jī)。但國(guó)外設(shè)計(jì)中抽汽管道第1個(gè)逆止門前的水平管段上并未裝設(shè)上下溫度測(cè)點(diǎn)，國(guó)外汽輪

10、機(jī)制造廠采用了自己長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)做法，并未完全遵循汽輪機(jī)防進(jìn)水的標(biāo)準(zhǔn)。為滿足我國(guó)的汽輪機(jī)防進(jìn)水設(shè)計(jì)規(guī)范要求，我們?cè)诔槠艿滥嬷归y后第1個(gè)水平管段上的頂部和相應(yīng)位置的底部各設(shè)置了1對(duì)溫差熱電偶，以監(jiān)視管內(nèi)是否積水，溫差大時(shí)在控制室報(bào)警;為了監(jiān)測(cè)積水，還在高壓缸排汽口的冷段再熱垂直管上與冷段再熱管最低點(diǎn)分別裝設(shè)1支熱電偶，根據(jù)這2支熱電偶的溫差來判斷管道中是否有水存在。由于采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求不同，各國(guó)在汽輪機(jī)防進(jìn)水設(shè)計(jì)方面可能會(huì)存在一些差異，必須首先滿足我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，然后在對(duì)國(guó)外成熟應(yīng)用加以研究的基礎(chǔ)上，將值得借鑒的內(nèi)容放入我們的設(shè)計(jì)。二、超臨界機(jī)組鍋爐本體設(shè)計(jì)特點(diǎn)2.1 汽水分離器液位控制 直流

11、鍋爐不同于常規(guī)汽包鍋爐之處在于鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)。直流鍋爐啟動(dòng)階段，汽水分離器液位需要控制在較大范圍內(nèi)。以玉環(huán)電廠工程的三菱鍋爐為例，其啟動(dòng)系統(tǒng)為帶啟動(dòng)循環(huán)泵的強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。鍋爐在濕態(tài)運(yùn)行時(shí)，通常情況下汽水分離器的液位通過啟動(dòng)循環(huán)泵出口的調(diào)節(jié)閥迸行控制;當(dāng)液位進(jìn)一步上升，分離器液位將通過分離器疏水箱至啟動(dòng)疏水?dāng)U容器的3個(gè)WDC疏水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，WDC閥根據(jù)分離器的液位測(cè)量信號(hào)進(jìn)行分程控制。2.2 煤水比控制 直流鍋爐的主蒸汽溫度主要通過煤水比進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此煤水比指令信號(hào)的計(jì)算極為重要。以玉環(huán)電廠工程三菱鍋爐為例、其煤水比信號(hào)指令來自于汽水分離器入口蒸汽過熱度偏差，同時(shí)兼顧一級(jí)過熱器出口連箱蒸汽過熱

12、度偏差和二級(jí)后墻過熱器入口母管蒸汽過熱度偏差，即煤水比控制用于確保上述各位置點(diǎn)的蒸汽過熱度在設(shè)定范圍，從而保證主蒸汽溫度控制在一定范圍。當(dāng)煤水比無法控制而超限，蒸汽溫度仍然上升時(shí)，噴水調(diào)節(jié)閥將用于主蒸汽溫度的控制。三、熱控主要檢測(cè)儀表選型3.1 熱電偶、熱電阻 由于超臨界機(jī)組的參數(shù)較亞臨界和超臨界機(jī)組均有較大程度的提高，玉環(huán)電廠工程主蒸汽設(shè)計(jì)參數(shù)為27.46MPa/610。原國(guó)內(nèi)熱電偶廠家用于高溫、高壓測(cè)量的13型熱電偶的適用參數(shù)為565/29.4MPa，顯然超臨界機(jī)組在熱電偶選型上需要進(jìn)一步研究。為此，邀請(qǐng)了上海自動(dòng)化儀表公司的技術(shù)人員就超臨界參數(shù)對(duì)熱電偶套管的壁厚、插入深度、材料強(qiáng)度等方面

13、進(jìn)行了專題研究。目前廠家已經(jīng)在頻率共振、套管強(qiáng)度等方面進(jìn)行了理論計(jì)算，并開發(fā)了相應(yīng)的產(chǎn)品。 對(duì)于主蒸汽、熱再熱蒸汽管道上的溫度測(cè)點(diǎn)，熱電偶套管的材料選擇是一個(gè)值得考慮的問題。目前國(guó)內(nèi)對(duì)異種鋼的焊接均需進(jìn)行特別培訓(xùn)和工藝評(píng)定，程序較復(fù)雜，所以盡可能避免異種鋼焊接。電廠一般要求熱電偶廠采用與工藝管道同材質(zhì)(主蒸汽管道是P92，熱再熱蒸汽管道是P9l)的鍛件制作熱電偶套管。對(duì)于制造廠，采用P92或P91制作管道沒什么大問題，但在主蒸汽和熱再熱管道上來用P92和P91材質(zhì)的熱電偶套管，當(dāng)套管生銹時(shí)可能會(huì)造成熱電偶感溫元件與套管銹住，檢修人員無法更換損壞的熱電偶感溫元件。在玉環(huán)工程中，主蒸汽、熱再熱蒸汽

14、管道上的熱電偶套管還是采用了P92和P91材料，具體效果如何要在日后運(yùn)行過程中進(jìn)一步觀察了解。3.2 變送器 變送器在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表中占較大比例，因此，產(chǎn)品選型與機(jī)組過程檢測(cè)和控制性能密切相關(guān)?？偟膩碚f，百萬千瓦超臨界機(jī)組在變送器選型方面與常規(guī)亞臨界機(jī)組基本上沒有差別，只是超臨界機(jī)組的管道壓力較亞臨界和超臨界機(jī)組高一些，在對(duì)主蒸汽和給水管道壓力變送器選型時(shí)(以ROSE-MOUNT變送器為例)，305lC型產(chǎn)品的量程已無法滿足要求，只能選305lT型。應(yīng)注意305lT為壓阻型產(chǎn)品，305lC為電容膜盒式，只要量程適合，還是應(yīng)該選擇305lC型產(chǎn)品。此外，對(duì)于高壓管道中的差壓變送器應(yīng)注意靜壓是否滿足

15、管道的工作壓力要求。高壓給水管道中差壓變送器靜壓已達(dá)到40MPa，所以305lC產(chǎn)品可能無法滿足要求，工程設(shè)計(jì)中選擇了3051S型產(chǎn)品。四、DCS的選型與配置 DCS的性能與控制系統(tǒng)硬件(包括系統(tǒng)軟件、網(wǎng)絡(luò))和工程應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)2方面相關(guān)。隨著計(jì)算機(jī)硬件和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，各DCS廠家在硬件方面的差距正在縮小，而工程設(shè)計(jì)能力方面還存在差異。 考慮到國(guó)內(nèi)DCS廠家不具備百萬千瓦超臨界機(jī)組工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，DCS招標(biāo)準(zhǔn)備階段邀請(qǐng)了國(guó)外主流DCS廠商就百萬千瓦等級(jí)超臨界機(jī)組的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制策略進(jìn)行交流，盡可能掌握市場(chǎng)上各DCS廠家超臨界機(jī)組DCS的運(yùn)行狀況及工程設(shè)計(jì)能力。在玉環(huán)電廠工程標(biāo)書編制過程中

16、，I/O點(diǎn)數(shù)量和類型的確認(rèn)也是一個(gè)難題，最終決定參考外高橋電廠二期的竣工資料及玉環(huán)工程已有的設(shè)備制造廠資料，同時(shí)在評(píng)標(biāo)過程中也請(qǐng)各投標(biāo)廠商針對(duì)機(jī)組狀況提出參考電廠的I/O點(diǎn)數(shù)，從目前實(shí)際設(shè)計(jì)的I/O點(diǎn)數(shù)量來看，原考慮的I/O數(shù)量和類型基本能滿足要求。其中值得注意的是，由于百萬千瓦等級(jí)超臨界機(jī)組目前國(guó)際上投運(yùn)數(shù)量不多、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)制造廠一般都不愿將汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)(DEH)和給水泵汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)(MEH)納入DCS，它們往往隨主設(shè)備配套提供，外高橋電廠二期、玉環(huán)電廠工程、泰州電廠均如此。更重要的是DEH及MEH包括的范圍有時(shí)較國(guó)內(nèi)以往的DEH和MEH的內(nèi)容更多(往往包

17、括了汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)、液壓油系統(tǒng)、抽汽系統(tǒng)、軸封疏水系統(tǒng)等方面的控制)，DCS的I/O點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮上述因素的影響。 DCS設(shè)計(jì)中需注意的另一方面就是控制器數(shù)量的確定。由于各DCS的控制器在硬件、系統(tǒng)軟件、功能塊設(shè)計(jì)及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、工程實(shí)際設(shè)計(jì)等多方面存在差異，各DCS廠家在投標(biāo)中提供的控制器數(shù)量差異也很大。為使玉環(huán)電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)更合理，華能國(guó)際從集團(tuán)內(nèi)部調(diào)集了各DCS使用電廠的技術(shù)專家參加玉環(huán)工程DCS的評(píng)標(biāo)，通過專家小組的商議，最終確定了在大致相同性能水平下各DCS廠家應(yīng)配置的控制器數(shù)量。五、主要成套配供控制裝置的選擇5.l DEH 目前國(guó)內(nèi)百萬千瓦等級(jí)超臨界機(jī)組主設(shè)備(機(jī)、爐、電)均是由國(guó)

18、內(nèi)三大動(dòng)力設(shè)備廠引進(jìn)國(guó)外技術(shù)制造的，相當(dāng)多的關(guān)鍵部件還是全部進(jìn)口。對(duì)于汽輪機(jī)DEH，國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)制造廠還無法熟練掌握，如果貿(mào)然納入DCS，業(yè)主方一般也不放心，所以DEH基本上還是由汽輪機(jī)廠隨主設(shè)備配套提供，這樣，有利于保證汽輪機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。但在工程設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)了一些值得注意的情況。 汽輪機(jī)DEH的范圍包括汽輪機(jī)相關(guān)輔助系統(tǒng)(潤(rùn)滑油、盤車、抽汽、軸封、疏水等系統(tǒng))有利于汽輪機(jī)控制的完整性，但會(huì)在一定程度上增加DEH與DCS接口點(diǎn)的數(shù)量。如汽輪機(jī)抽汽閥控制放在DEH控制，但高壓加熱器測(cè)量信號(hào)還是在DCS，當(dāng)高壓加熱器液位高高需要隔離加熱器時(shí)，還需將高壓加熱器液位高高信號(hào)送至DEH，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。更重要的是由于DEH自成一體，如果DEH與DCS間通信故障，運(yùn)行人員將無法利用DCS的操作員站完成汽輪機(jī)的監(jiān)控。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中還是保留了DEH的操作員站和打印機(jī)設(shè)備，這對(duì)集控室操作臺(tái)的布置會(huì)造成一些麻煩。5.2 MEH 目前國(guó)內(nèi)百萬千瓦級(jí)超臨界機(jī)組的給水泵汽輪機(jī)幾乎都是進(jìn)口的，與汽輪機(jī)DEH相同，給水泵汽輪機(jī)廠家基本上都堅(jiān)持要配供給水泵汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)(MEH)，不愿將M