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某改進(jìn)型1030MW超臨界機(jī)組高加撤出保護(hù)探討及優(yōu)化

摘要：某改進(jìn)型1030MW機(jī)組在國內(nèi)屬首次創(chuàng)新應(yīng)用，制造廠家認(rèn)為當(dāng)高加系統(tǒng)撤出后，由于通流的增加可能導(dǎo)致過負(fù)荷從而影響機(jī)組安全運(yùn)行，原機(jī)組保護(hù)邏輯中規(guī)定了當(dāng)高加撤出后若機(jī)組負(fù)荷大于1030MW延時(shí)1min，或大于1106MW延時(shí)10s后觸發(fā)機(jī)組主保護(hù)。上述定值并未經(jīng)過實(shí)際工程考驗(yàn)，為了提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性和安全性，在對保護(hù)邏輯進(jìn)行確認(rèn)和優(yōu)化的基礎(chǔ)上，安排了800MW工況下的高加跳閘試驗(yàn)。試驗(yàn)后對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析核算，進(jìn)一步完善了相關(guān)控制邏輯和定值，確定了該機(jī)組高加撤出保護(hù)的實(shí)施方案。同時(shí)也對各型機(jī)組在高加跳閘工況下的危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行了分析總結(jié)。

關(guān)鍵詞：高加跳閘主機(jī)保護(hù)邏輯優(yōu)化超臨界 1030MW

Research and optimization of 1030MW supercritical unit protection logic about high pressure heater withdrawal

He Wei-xiao1, Chen Bo2, Luo Zhi-hao2, Zhang Yong-jun2

(1.Hangzhou Boiler Group Co.,LTD, Hangzhou 310021, China; 

2.Zhejiang Electric Power Test and Research Institute, Hangzhou 310014, China)

Abstract:  1030MW unit for the first time in domestic innovation application.Turbine manufacturers think that when the high pressure heater system after the withdrawal, due to the increased flow may lead to excessive load which affects the safety operation of the unit.The original unit protection logic made the following provisions：When the high pressure heater is withdrawn if the unit load is greater than the 1030MW delay of 1min, or more than 1106MW 10s after the delay triggering unit ETS protection。But the protection setting value has not been practical engineering test.In order to improve the reliability and safety of the unit operation.In confirmation and Optimization Based on the protection of logic, arranged the trip test of high pressure heater of 800MW.After the test of related data were analyzed accounting.To further improve the relevant control logic and protection setting value.Determine the unit to protect embodiment, after the withdrawal of high pressure heater.But also on the various types of units in the high-pressure heater tripping hazard point conditions were analyzed and summarized.

Key Words:HPH trip, ETS Protected, Logic Optimization, Supercritical unit, 1030MW

1.引言

對于超臨界機(jī)組而言，高加撤出后由于汽輪機(jī)高加各級抽汽被排擠，使得進(jìn)汽量增大和抽汽量減小，從而導(dǎo)致抽汽口后的各級葉片的實(shí)際蒸汽流量增大，使葉片(特別是末級葉片)的工作應(yīng)力增大。同時(shí)蒸汽流量增大使得各級的焓降也增加，使其工作應(yīng)力增加。其動(dòng)態(tài)工況下可能超過末級葉片材料的許用應(yīng)力，可能發(fā)生葉片扭曲變形和斷裂的嚴(yán)重安全事故。

某改進(jìn)型1030MW機(jī)組在國內(nèi)屬首次創(chuàng)新應(yīng)用，該機(jī)組通過各種手段以提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，機(jī)組整體的安全裕量經(jīng)過了優(yōu)化和嚴(yán)格控制。因此制造廠家提出當(dāng)高加撤出后，汽輪機(jī)超出額定出力后的工況為存在危險(xiǎn)的工況，并給出了加熱器快卸保護(hù)的邏輯定義：當(dāng)高加撤出后若機(jī)組負(fù)荷大于1030MW延時(shí)1min，或大于1106MW延時(shí)10s后觸發(fā)機(jī)組主保護(hù)。

然而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，若發(fā)生高加系統(tǒng)的跳閘，高加的各級抽汽將使得機(jī)組負(fù)荷快速增加，同時(shí)鍋爐側(cè)的控制也需要面對給水溫度快速下降的問題。因此需要進(jìn)行一次實(shí)際的、安全可控的高加跳閘過程試驗(yàn)，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)以指導(dǎo)控制邏輯的優(yōu)化和保護(hù)邏輯的實(shí)現(xiàn)。

2.工況風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析及邏輯優(yōu)化

根據(jù)上述分析，整個(gè)試驗(yàn)過程中所存在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)如下。

2.1汽輪機(jī)負(fù)荷的快速增加

過程中各級抽汽量從加熱給水被排擠到汽輪機(jī)末級做功的增加量，可以認(rèn)為是高加跳閘過程中汽輪機(jī)負(fù)荷快速增加的原因。機(jī)組的熱平衡計(jì)算圖如圖1所示，從圖中可以看出各級抽汽被排擠后的做功增加路徑。

假設(shè)各級高加抽汽瞬間被排擠，同時(shí)被排擠的蒸汽均直接做功至汽輪機(jī)末級，且鍋爐的蓄熱足以支持冷再蒸汽量增加后對再熱蒸汽的加熱要求，根據(jù)表1中所示的機(jī)組熱平衡計(jì)算圖數(shù)據(jù)可做出如下計(jì)算推論。

在80%THA工況下，#1~#3抽汽做功總增加量為572288409KJ/h，即約159MW。

在THA工況下，#1~#3抽汽做功總增加量為813632492KJ/h，即約226MW。

因此如果不采取任何措施，當(dāng)機(jī)組在1030MW負(fù)荷運(yùn)行時(shí)發(fā)生高加跳閘工況，機(jī)組負(fù)荷可能會(huì)超出廠家給出的1106MW高限定值。需要注意的是，上述計(jì)算結(jié)果僅僅表明了在理想工況下可能出現(xiàn)瞬態(tài)極大值，若考慮到高加撤出的整個(gè)過程并不是瞬間完成的，那么動(dòng)態(tài)過程中高加撤出所帶來的負(fù)荷增加的幅值將小于上述推論值，同時(shí)負(fù)荷增加的持續(xù)時(shí)間則需要結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析。

2.2給水溫度的快速下降

根據(jù)機(jī)組熱平衡計(jì)算圖，1000MW工況下由于高加的投撤，給水溫度相差100℃。因此高加撤出后給水溫度的大幅快速下降將對機(jī)組鍋爐側(cè)控制帶來直接影響。其主要體現(xiàn)在給水控制上。表2中所示為高加投入和撤出工況下鍋爐吸熱量的對比數(shù)據(jù)。

根據(jù)表2可理論計(jì)算出在高加投撤的兩種工況下的鍋爐參數(shù)及吸熱變化情況。

1) 水冷壁吸熱量在高加撤出后降低了約1.95%

THO工況水冷壁吸熱量：3231261.6MJ/h；THA工況水冷壁吸熱量：3295662.4MJ/h

2) 鍋爐總吸熱量在高加撤出后提高了約3.65%

3) 鍋爐總給水流量在高加撤出后降低了約14.1%THO工況鍋爐總吸熱量：7778063.44MJ/h；THA工況鍋爐總吸熱量：7504248.59MJ/h

THO工況鍋爐總給水流量：2416.8t/h；THA工況鍋爐總給水流量：2814.4t/h

因此對于采用煤水比控制策略的機(jī)組需要按照給水溫度下降的速率來切換給水流量指令線，并增加爐側(cè)的風(fēng)量煤量以滿足對流吸熱的要求。對于采用焓值控制策略的機(jī)組，一方面需按照給水溫度下降的速率來切換給水流量指令線，并增加爐側(cè)的風(fēng)量煤量以滿足對流吸熱的要求，同時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際速率來切換水冷壁吸熱的目標(biāo)焓值防止過程中給水下降過快或過慢。

另從表2中可以看出：高加撤出后汽輪機(jī)末級通流量增加了約10%。因此試驗(yàn)過程中應(yīng)關(guān)注機(jī)組軸向位移等涉及到通流量增加后受影響的主重要參數(shù)。

3.試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述分析，在試驗(yàn)前對控制邏輯進(jìn)行了優(yōu)化，并選擇了800MW負(fù)荷作為試驗(yàn)工況。邏輯中的改動(dòng)包括：

1) 高加出系后汽機(jī)主控快關(guān)調(diào)門3.5%，同時(shí)鍋爐主控按照比例減少40MW的出力。10min后將這兩部分前饋以一定速率收回。

2) 給水焓控的計(jì)算中，省煤器出口的目標(biāo)焓值1min后以一定速率切換至高加撤出后的參數(shù)。

3) 鍋爐指令對應(yīng)的煤水線1min后以一定速率切換至高加撤出后的參數(shù)。

試驗(yàn)中的過程曲線如圖2~3中所示。

從圖中可以看出試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)反映了如下問題：

1) 在高加跳閘信號觸發(fā)的瞬間，汽機(jī)調(diào)門關(guān)小3.5%，給水流量下降了293t/h，煤量下降了18t/h，機(jī)組負(fù)荷下降了10MW，其中由于給水指令下降的流量約為50t/h。從高加跳閘信號觸發(fā)開始，經(jīng)過21秒后機(jī)組負(fù)荷才開始增加，給水流量才開始回升。這表明該系統(tǒng)高加聯(lián)程閥切換至旁路需要20s左右，因此汽機(jī)調(diào)門無需在高加跳閘信號觸發(fā)后立即動(dòng)作，以防止高加撤出初期由于負(fù)荷下降CCS回路調(diào)節(jié)調(diào)門開大。

2) 機(jī)組負(fù)荷在出系后15s左右到達(dá)低點(diǎn)，下降約15MW，在出系后60s左右負(fù)荷快速上升結(jié)束，接近到達(dá)高點(diǎn)，上升約35MW。而全過程中主蒸汽壓力最終上升約1.5MPa。均在可控范圍內(nèi)。

3) 從給水系統(tǒng)完成切至水路開始，省煤器入口水溫開始下降，并經(jīng)過170s后省煤器出口溫度開始下降，再經(jīng)過330s左右省煤器出口溫度下降至穩(wěn)定位置。這表明該機(jī)組省煤器熱容較大，因此給水焓控目標(biāo)值應(yīng)從高加撤出后3min開始切換，并按照一定速率5min左右切換完成，同時(shí)可用省煤器入口水溫信號來表征高加撤出。

4) 由于排擠抽汽帶來的機(jī)組負(fù)荷最終增加量約為40MW左右，并持續(xù)200s時(shí)間。這表明在滿負(fù)荷時(shí)發(fā)生高加跳閘所可能帶來的機(jī)組負(fù)荷增加量應(yīng)約為60MW左右。滿負(fù)荷發(fā)生高加跳閘時(shí)可采用降低目標(biāo)負(fù)荷的辦法防止負(fù)荷的超調(diào)。

4.實(shí)施方案

結(jié)合試驗(yàn)和上述數(shù)據(jù)分析結(jié)果，最終對該機(jī)組進(jìn)行了如下控制優(yōu)化：

1) 將原高加出系60s后機(jī)組負(fù)荷仍大于1030MW或高加出系10s后機(jī)組負(fù)荷大于1106MW，汽機(jī)ETS保護(hù)動(dòng)作；修改為高加出系360s后機(jī)組負(fù)荷仍大于1030MW或高加出系60s后機(jī)組負(fù)荷大于1106MW，汽機(jī)ETS保護(hù)動(dòng)作。

2) 調(diào)整高加跳閘后汽機(jī)主控的減小前饋為5%～10%，同時(shí)對應(yīng)鍋爐主控指令減少60MW～100MW。汽機(jī)主控快減回路前饋的作用時(shí)間可設(shè)置為高加跳閘信號觸發(fā)后3~5秒。

3) 采用省煤器入口給水溫度＜220℃且省煤器入口給水溫度品質(zhì)不壞作為高加撤出后觸發(fā)機(jī)組實(shí)際煤水控制線的修正和焓控調(diào)整的信號。

4) 增加負(fù)荷目標(biāo)限制邏輯：機(jī)組負(fù)荷大于950MW時(shí)發(fā)生高加跳閘時(shí)，將負(fù)荷目標(biāo)設(shè)置為950MW，一段時(shí)間后運(yùn)行人員可根據(jù)需要進(jìn)行負(fù)荷目標(biāo)調(diào)整。

5.小結(jié)

就汽輪機(jī)本體而言，廠家一般都保證了高加撤出后機(jī)組的滿負(fù)荷出力工況，即THO工況。因此高加撤出后危及機(jī)組安全運(yùn)行的工況主要是指高加跳閘后的切換工況。

針對不同類型機(jī)組的高加跳閘工況，其危險(xiǎn)點(diǎn)和預(yù)控方向是有所區(qū)別的，所涉及到的主保護(hù)可以歸納為：汽輪機(jī)過負(fù)荷保護(hù)，中間點(diǎn)溫度保護(hù)，主機(jī)低汽溫保護(hù)和汽包水位保護(hù)。本文前面所述的邏輯優(yōu)化主要是針對汽輪機(jī)過負(fù)荷保護(hù)，下面對高加跳閘所涉及的其他保護(hù)進(jìn)行小結(jié)。

1) 中間點(diǎn)溫度保護(hù)：針對有中間點(diǎn)溫度保護(hù)的超臨界機(jī)組，對于采用焓控的該類機(jī)組，如果未能及時(shí)切換省煤器出口目標(biāo)焓值，將導(dǎo)致給水進(jìn)一步降低，從而使得中間點(diǎn)溫度高。對于采用煤水比控制的該類機(jī)組，應(yīng)及時(shí)調(diào)整動(dòng)態(tài)工況下的過熱度設(shè)定值，如仍然維持在高位，則同樣可能引發(fā)給水向低方向過調(diào)，從而觸發(fā)中間點(diǎn)溫度高保護(hù)。相比較而言，由于焓控機(jī)組直接采用了目標(biāo)焓升和實(shí)際焓升的比例修正，因此過調(diào)幅度更大，工況更危險(xiǎn)。

2) 主機(jī)低汽溫保護(hù)：由于高加撤出后給水溫度的大幅快速降低，主汽溫度也會(huì)呈現(xiàn)降低趨勢，此時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整煤水控制線，以適應(yīng)新的燃燒工況。對于采用焓控的超臨界機(jī)組而言，若省煤器出口目標(biāo)焓值切換過快，將會(huì)導(dǎo)致給水反向調(diào)節(jié)，使得主汽溫度進(jìn)一步惡化。

3) 汽包水位保護(hù)：針對亞臨界汽包爐，由于給水溫度的快速下降，汽包進(jìn)入大量冷水。同時(shí)為了防止汽輪機(jī)過負(fù)荷快速關(guān)閉調(diào)門，使得汽壓上升。兩者都會(huì)產(chǎn)生負(fù)向的虛假水位。克服此波虛假水位是保證高加跳閘工況下汽包爐安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

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