超臨界火力發(fā)電機組中壓供熱壓力控制系統(tǒng)優(yōu)化簡析

引言

習近平同志在十九大報告中提出,要深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革。在電力產(chǎn)能過剩、競爭加劇的前提下,增強供給結(jié)構(gòu)對需求變化的適應(yīng)性和靈活性,提高全要素的配置已經(jīng)成為整個火電行業(yè)發(fā)展的必然趨勢,因此如何減低煤耗、推進火力發(fā)電機組的供熱改造成為火力發(fā)電廠的重點生存課題之一,而保證機組供熱系統(tǒng)穩(wěn)定、長周期運行又成為重中之重。

本文針對福建華電可門發(fā)電有限公司(以下簡稱"可門公司")機組中壓供熱系統(tǒng)中蒸汽壓力控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能差,造成供熱運行中熱用戶用熱壓力不足甚至中斷供熱等問題分析了原因,并提出了改進意見。

1存在的問題

可門公司擁有4臺600MW超臨界火力發(fā)電機組,汽輪機系上海汽輪機有限責任公司制造的超臨界、中間一次再熱、單軸三缸四排汽凝汽式汽輪發(fā)電機組,20l7年3月完成#2、#3、#4機組中壓供熱系統(tǒng)改造,并于4月l日正式向熱用戶供熱。各臺機組的中壓供熱蒸汽均抽取至冷段再熱蒸汽(以下簡稱"冷再")母管,經(jīng)減溫減壓器調(diào)節(jié)溫度、壓力后匯集至中壓供熱集箱,集箱出口至用戶端。中壓供熱系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

可門公司供熱由一臺機組主供,其余機組供熱處于熱備用狀態(tài)。自投運以來,壓力控制系統(tǒng)存在問題逐漸顯現(xiàn),雖然壓力控制采用閉環(huán)的PI調(diào)節(jié),但無論如何調(diào)整PI參數(shù),均不能較好地穩(wěn)定供熱壓力,在實際運行中壓力調(diào)節(jié)閥始終處于頻繁大幅調(diào)節(jié)狀態(tài),供熱壓力隨之出現(xiàn)大幅波動現(xiàn)象,甚至調(diào)節(jié)發(fā)散最終導致壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)切除自動。

供熱管道就地壓力調(diào)節(jié)閥采用電動執(zhí)行機構(gòu),在閥門調(diào)節(jié)動作的過程中,經(jīng)常存在閥門實際動作幅度與閥位反饋不一致現(xiàn)象,電動調(diào)節(jié)閥不能準確動作到位,也進一步加劇了壓力控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

供熱系統(tǒng)壓力控制不穩(wěn)定增加了供熱管網(wǎng)的熱損耗,也增大了機組的供熱煤耗,嚴重影響了熱用戶的生產(chǎn)運營,造成熱用戶的設(shè)備加熱不均勻甚至減產(chǎn)等不良事件。同時,供熱壓力大幅波動對供熱機組的冷再壓力也會產(chǎn)生不利影響,進而影響機組安全運行。

2原因分析

針對以上問題分析原因:

(l)可門公司供熱壓力控制系統(tǒng)采用出口壓力作為被控參數(shù),是單純的反饋閉環(huán)自動控制系統(tǒng),壓力調(diào)節(jié)控制邏輯如圖2所示。主要熱用戶是一家大型化工廠,由于其生產(chǎn)工藝流程的特殊性,該用戶對熱需求量瞬時變化較大,lmin內(nèi)的最多升降可達60t/h。當熱用戶需求量瞬間增大時,供熱蒸汽流量迅速增加,供熱壓力調(diào)節(jié)閥無法及時開啟會導致蒸汽管道壓力快速降低,供熱壓力不足:供熱壓力調(diào)節(jié)閥開大調(diào)壓時,熱用戶需求量開始大幅降低,供熱蒸汽流量隨之減少,調(diào)節(jié)閥無法快速做出響應(yīng),會導致供熱超壓。因此,頻繁大幅變化的供熱流量作為一個主要干擾因素影響了中壓供熱系統(tǒng)的壓力控制。

(2)由于大電網(wǎng)技術(shù)管理需要,當電網(wǎng)頻率偏差時調(diào)度中心通過自動發(fā)電控制(AGC)裝置調(diào)整機組負荷,機組在投入AGC時負荷可能會出現(xiàn)大幅升降,進而影響機組各主要物理量參數(shù)。中壓供熱蒸汽抽取自冷再母管,因此當母管內(nèi)蒸汽壓力出現(xiàn)大幅變化時,也會影響供熱系統(tǒng)壓力控制。尤其是當機組夜間進行深度調(diào)峰,負荷降低至330MW甚至更低時,機組冷再壓力可低至2.2MPa,經(jīng)過抽汽口節(jié)流及管道疏水等因素影響,根據(jù)供熱壓力調(diào)節(jié)閥的流量特性,閥門要保持100%的開度才成保證用戶對供熱壓力2MMP的要求,此時閥門已經(jīng)失去基本調(diào)節(jié)作用。由此可見,冷段再熱蒸汽壓力頻繁變化或壓力過低同樣會影響中壓供熱系統(tǒng)的壓力控制。

(3)就地供熱管道由于閥門節(jié)流作用導致管道振動頻率高、幅度大,壓力調(diào)節(jié)閥安裝于水平管道正上方,受供熱管道大幅振動影響,調(diào)閥電動執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部測量閥位變化的電位器齒輪與傳動齒輪出現(xiàn)嚙合不到位,即齒輪打滑現(xiàn)象,電位器的反饋電流無法匹配實際閥位,進而導致壓力調(diào)節(jié)閥實際開度過大或過小,嚴重影響供熱壓力的調(diào)節(jié)。

3改進措施

通過分析原因,可以制定以下對應(yīng)的改進措施:

(1)可門公司中壓供熱壓力控制系統(tǒng)是一個基于出口壓力偏差控制的反饋控制系統(tǒng)。若控制系統(tǒng)中存在一個或多個干擾量,當干擾發(fā)生時,如果被控量尚未變化,偏差等于零,反饋控制器就不會產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用,此時反饋控制總是要滯后于擾動,并不能及時消除偏差。而在此基礎(chǔ)上加入擾動補償控制(或稱為"前饋控制"),可以在被控量還未發(fā)生變化時,讓控制器先做出調(diào)節(jié),就能夠及時補償干擾對被控量的影響。中壓供熱壓力控制系統(tǒng)作為一個單純的閉環(huán)控制系統(tǒng)難免存在穩(wěn)定性問題,只要干擾因素存在,作為被控量的供熱出口壓力就會變得難以控制。在此系統(tǒng)中主要的干擾因素就是供熱出口流量和冷再壓力,這兩個物理量可通過變送器進行準確測量,將它們作為前饋加入中壓供熱壓力控制系統(tǒng),組成前饋一反饋控制系統(tǒng)。通過觀察冷再壓力與中壓供熱壓力設(shè)定值的差值和中壓供熱壓力調(diào)節(jié)閥開度之間的關(guān)系,建立函數(shù)f(x)。同時考慮當熱用戶側(cè)流量需求減少甚至為0時,前饋也應(yīng)當減小直至為0,因此將函數(shù)f(x)乘以由中壓供熱流量得出的系數(shù)作為前饋分量加入中壓供熱壓力控制系統(tǒng),經(jīng)過優(yōu)化后的控制邏輯圖如圖3所示。

(2)中壓供熱壓力調(diào)節(jié)閥的電動執(zhí)行機構(gòu)為一體化安裝形式,根據(jù)其結(jié)構(gòu)功能不同可將執(zhí)行機構(gòu)分為控制部分和傳動部分,現(xiàn)將控制部分與傳動部分分離,其中傳動部分繼續(xù)與閥門保持正常連接,在蒸汽管道旁的地面上設(shè)置支撐架,將控制部分安裝于相對靜止的支撐架上,通過傳輸電纜將控制部分與傳動部分相連,這樣就可以避免電動執(zhí)行機構(gòu)的電位器等零部件因管道大幅振動受損進而影響執(zhí)行機構(gòu)的正常控制。經(jīng)過分體改造后的安裝情況如圖4所示。執(zhí)行機構(gòu)經(jīng)分體式改造后既能保證控制部分的相對獨立,又能使整個執(zhí)行機構(gòu)繼續(xù)正常地受控和動作,不失整體性,又增強了穩(wěn)定性。

(3)依據(jù)前文所述,機組負荷過低同樣會影響中壓供熱系統(tǒng)的壓力控制[9]。由于供熱管線至用戶端較長,沿途有壓力損耗,因此在供熱端適當提高出口壓力設(shè)定值至2.05MMP,確保熱用戶供熱壓力2MMP的需求。在機組冷再供熱抽汽流量一定的工況下,結(jié)合機組安全穩(wěn)定運行時所能達到的最低負荷進行綜合分析,在保證機組冷再供熱抽汽參數(shù)達到設(shè)計要求的情況下,確定機組不同供熱流量對應(yīng)的最低電負荷。調(diào)取運行曲線查詢機組在不同負荷下冷再壓力、最大供熱出口流量及此時壓力調(diào)節(jié)閥開度等數(shù)值,同時根據(jù)熱用戶每日平均瞬時供熱量90t/h的要求,觀察表1可見,負荷在a80MW以下時,維持供熱出口壓力2.05MMP需要壓力調(diào)節(jié)閥100%的開度,閥門失去調(diào)節(jié)作用。通過試驗得出結(jié)論,只有機組負荷保持在390MW及以上時,才能保證供熱出口壓力可控可調(diào)。

4效果檢查

對可門公司#a機組中壓供熱壓力控制系統(tǒng)軟硬件進行優(yōu)化改造后,于2016年6月10日重新投入運行并測試其穩(wěn)定性。經(jīng)過連續(xù)一周時間的運行測試,調(diào)取此段時間內(nèi)的運行參數(shù)曲線,可以發(fā)現(xiàn)中壓供熱壓力控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性有了大幅提升,其中壓力調(diào)節(jié)閥動作指示正常,供熱出口壓力控制平穩(wěn),沒有出現(xiàn)壓力大幅震蕩導致供熱退出自動甚至切除的情況。

可門公司通過對供熱過程中機組及熱用戶運行情況的探索和分析,制定合理方案,徹底優(yōu)化改造了機組中壓供熱壓力控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)備,提高了壓力控制的穩(wěn)定性,進而保證了中壓供熱系統(tǒng)的平穩(wěn)、高效運行。供熱壓力控制穩(wěn)定,減少了供熱安全閥泄壓及管道輸水導致的熱損耗,大大降低了機組的供熱煤耗。

5效益

(1)經(jīng)濟效益:在對#3機組中壓供熱壓力控制系統(tǒng)優(yōu)化改造前由于壓力控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)不穩(wěn)定經(jīng)常中斷供熱,通過優(yōu)化改造,供熱穩(wěn)定性大幅提升,#3機組的供熱煤耗由40.21kg/t降低至38.42kg/t,按#3機組2017年全年供熱量474536t,同年的標準煤價格850元/t計算,可以為公司節(jié)約標煤474536x(40.21-38.42)/1000≈849.42t,節(jié)約資金849.42×850/10000≈72.2萬元。

(2)社會效益:該項目適應(yīng)國家對能源企業(yè)供給側(cè)改革的要求,增強了火電企業(yè)機組供熱的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性,提升了企業(yè)在供熱市場中的競爭力,提高了知名度,為公司繼續(xù)開拓供熱市場打下了堅實基礎(chǔ)。同時,也為其他火電廠同類型機組中壓供熱系統(tǒng)所出現(xiàn)的類似問題的處理提供了充分的借鑒依據(jù),改造經(jīng)驗值得推廣。

6結(jié)語

目前,可門公司已完成#3機組中壓供熱壓力控制所有改進措施的實施。通過對這臺機組供熱情況近一年的運行觀察,機組供熱高效、穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)任何故障。實踐證明,各項優(yōu)化改進措施都卓有成效,能適應(yīng)各種運行工況變化的考驗,大大提高了機組的安全性和可靠性。后續(xù)將結(jié)合實際運行情況對其余供熱機組進行相應(yīng)的優(yōu)化改造。