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APS管控的燃气—蒸汽温度匹配——粤电新会电厂燃机APS规划与设计(十一)

2022-12-26 12:31来源:北极星电力网作者:莫真荣 王立地关键词:APS粤电新会电厂王立地收藏点赞

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新会电厂为燃气—蒸汽联合循环机组,燃气轮机和蒸汽轮机分别各自拖动一台发电机,联合循环功率450MW(ECR)。燃气轮机由美国通用电气(GE)提供,PG9371FB型多级轴流式,燃用天然气,燃机功率314MW,燃机排气温度640℃,IGV开度88°~21.5°连续可调。蒸汽轮机由哈尔滨汽轮机厂(HTC)制造,N150/C120-11.00/3.30/0.43/1.40 型,抽凝式汽轮机,额定功率151.29MW(纯凝),120.82MW(抽汽)。余热锅炉(HeatRecoverySteamGenerator—HRSG)由东方菱日(MHDB)生产,MHDB-PG9371-Q1型,自然循环余热锅炉,烟囱高度80m。燃气轮机控制装置随机配套,GE公司的MARK-Ⅵe。余热锅炉、汽轮机和电厂主要辅机的DCS选用艾默生的OVATION。

燃气—蒸汽联合循环机组产生的电量全部源于燃气轮机的热能,燃气轮机的热能由天然气在其燃烧室内燃烧产生,总体热能差不多三分之二经燃气发电机转换成电量,还有大约三分之一热能存在于燃机的排气中,燃机排气流经余热锅炉生成过热蒸汽驱动汽轮发电机转换成电量。按照燃机的启动顺序,燃机点火升速到3000rpm,同期并网后,须控制燃机排气温度调节余热锅炉蒸汽温度与汽机HIP缸温相匹配(即燃气/蒸汽温度匹配, Temperature Matching ON,简称“温匹”),实现燃机排气、余热锅炉蒸汽、汽机金属壁温等主设备热力参数的协调。当蒸汽品质及相关工艺参数符合汽轮机冲转要求后,汽轮机暖机冲转、同期并网、带目标负荷,待DEH转入“压力控制”模式,温匹退出。

所谓的燃气/蒸汽温度匹配,就是通过调节燃机压气机进口导叶(INLET GUIDE VANE—IGV) 开度或者燃料量将燃机排气温度控制在某一设定值,确保余热锅炉的主蒸汽温度高于汽轮机HIP汽缸壁温,并为汽缸通流后缸壁温度适配和机组升负荷提供条件。温度匹配调节回路在机炉OVATION(DCS)和燃机MARK-Ⅵe(DCS)上都设有手动/自动投切按钮,而温度设定值和温度变化率均由OVATION(DCS)给定,当机组冷态启动时,燃气轮机排气温度相对缸温较高,需要开大 IGV的角度,增加稳定输出功率时的空气流量,降低排气温度来应对较低的汽机金属温度。当机组热态启动时,燃气轮机排气温度相对缸温较低,此时 IGV又处于最小开度,需要增加燃料量来提高燃机排气温度。

整体看燃气/蒸汽温匹调节可以认为是一个PID串级调节回路,PID主调节器(简称主调)设计在OVATION上,副调节器组态(简称副调)在MARK-Ⅵe中,OVATION主调输出的温匹给定信号通过硬接线送至MARK-Ⅵe副调的输入端(STPT)。HRSG高压过热器入口烟温是温匹主调的过程测量值(PV),温匹主调的给定值(STPT)由一个随动定值系统产生。

当燃气—蒸汽联合循环机组启、停受控于APS(Automatic Procedure Start-up/ Shut-down—自动程序启、停系统)时,温匹调节必然被纳入APS管控。新会电厂APS对标具有DIA(Digital Intelligent Automation—数字式智能自动化)理念的国际规范进行设计和组态,新会电厂APS机组启、停规划为8个阶段,机组启动4个阶段:1)节点BP01—辅机启动;2)节点BP02—燃机启动;3)节点BP03—汽机冲转;4)节点BP04—机组升负荷。机组停止4个阶段:1)节点BP51—机组降负荷;2)节点BP52—停机熄火;3)节点BP53—真空破坏;4)节点BP54—闷炉。

APS启机节点BP02“燃机启动”步序逻辑的第6步发出“投入温匹”指令,温匹投入“自动调节”。燃机投入温匹的必要条件为“燃机已带负荷30MW”,指令从OVATION发出至燃机的MARK-Ⅵe,MARK-Ⅵe此时须切换在“外部负荷”控制方式。

APS启机节点BP04“机组升负荷”步序逻辑的第8步发出“退出温匹”指令,待 IGV开度≤41.8,两分钟内开度变化率<0.05度,汽机有功功率>30MW,目标负荷设定≥50MW,汽机高压主调阀、中压A、B主调阀皆在全开位置,汽机主汽压力升至2MPa,DEH切至“压力控制方式”,温匹自动退出。

APS控制下的模拟量调节必定要按照APS节点“一键启停”的要求进行设计,工作方式能“自动地投自动”和全工况定值随动是最基本的控制策略。

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图1 燃气—蒸汽联合循环机组燃气/蒸汽温度匹配调节原理图

燃机排气温度调节设计有 “三态式”智能切换功能。参阅图1,条件“热工设备可用”和“工艺系统启动”得到满足,三态式智能切换器将调节回路“自动地投自动”。若“热工设备可用”而“工艺系统启动”条件不满足,调节回路切至自动伺服(Stand—By)”。按下调节回路M/A站“自动”键,但“热工设备可用”条件不满足,调节回路被锁定在“手动”,这表明热工装置异常,消除故障后才能再次投入。

燃机排气温度调节全工况定值随动给定在满足条件:APS已投入(APS IN)且人工按下“温匹定值自动/手动”键在“自动”,则触发器RS1=“1”、切换器T1=“1”,调节器定值工作方式切换为自动给定,给定信号从切换器T1的YES端输入。如果APS没有投入,调节器给定只能采用手动方式。APS已投入,为灵活适应机组运行工况,也可置“温匹定值自动/手动”键在“手动”,触发器RS1输出=0,调节器STPT改由人工给定。

调节器自动给定工作方式下,根据机组启动冷、温、热状态,分别设定不同的给定值。需要说明,下文中出现的温度参数,有厂家给出的工艺要求,作为机组运行的安全保障,也有依据新会电厂机组多年运行经验总结出来的优化参数,选为随动给定的补偿值,经过拟人化的逻辑组态用于提升机组运行的安全性能和经济效益。

切换器T2识别到汽机冷态启动,开通YES端,接收切换器T3发来的给定值。切换器T3的开关信号由以下逻辑生成:高压过热器入口烟温减去汽机高中压下半缸内缸金属壁温,差值<75℃,时间超过3秒,发出2秒脉冲,触发器RS2输出=“1”(燃机未退出温匹),T3切换器接通YES端,YES端给定值为高压过热器入口烟温度加80℃,与限定值500℃进行小值比较,低者为冷态给定值。若高压过热器入口烟温减去汽机高中压内缸下半缸金属壁温,差值≮75℃(触发器T3输入端S=“0”),切换器T3接通NO端输入,切换器T3输出给定值371℃。

汽机不在冷态(汽机冷态=“0”,接通切换器T2输入NO端)即温态或热态启动,调节器给定值以汽机高中压下半缸内缸金属壁温V1(实时变量)为基准值,如果高压过热器入口烟温与汽机高中压下半缸内缸金属壁温差值<50℃,则在基准值V1自动增加5℃(维持足够高的燃机排气温度)形成加法器的输出V2。

温匹投入(触发器T3输入端R=“0”,非温匹自动升温状态;APS启机“机组升负荷”节点BP02步序逻辑第6步“燃机投温匹”指令至触发器T3输入端S=“1”),触发器RS3输出=“1”,V3等于切换器T4锁定V2的当前值,V3与温态或热态的补偿值相加得到V4,就是调节器的随动给定值,根据机组长期运行经验,温态随动定值V4=V3+80℃,热态随动定值V4=V3+100℃。

APS启机节点BP04“机组升负荷”步序逻辑第2步指令,温匹自动升温=“1”,退出温匹,切换器T4释放对V2的锁定,给定值V3=V2,随V1变化。

温度匹配调节回路的参数全部采用工程单位。不过, M/A站之前的温标为摄氏度,其后经过摄氏/华氏温标转换为华氏度输出到燃机的MARK-Ⅵe温度匹配程序入口作为STPT值,当MARK-Ⅵe温度匹配程序检测到燃机排气温度与OVATION发来的“温匹调节给定值”(TemperatureMatching Setpoint)相差<5.6F°时,燃气/蒸汽温度匹配程序即告完成。

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