燃气-蒸汽联合循环电厂空冷系统顺序控制设计与应用

徐振华

(中国华电科工集团有限公司，北京　100160)



燃气-蒸汽联合循环电厂空冷系统顺序控制设计与应用

徐振华

(中国华电科工集团有限公司，北京100160)

摘要：为实现马来西亚某燃气-蒸汽联合循环电厂空冷系统的自动顺序控制，在分析空冷系统设计参数及控制系统配置的基础上，根据机组状态对空冷系统进行了顺序启动、顺序停机设计，为保证机组安全运行，设计了专用的空冷凝汽器背压调节系统。空冷系统采用顺序控制方式后，提高了机组的自动化水平，降低了运行人员的劳动强度。

关键词：燃气-蒸汽联合循环电厂；空冷凝汽器；空冷系统；顺序控制

0引言

顺序控制是指将生产过程中的工况和被控设备的状态，按照预先拟定的规则自动地进行一系列操作，以实现设备和系统的工作。在燃气-蒸汽联合循环电厂中，空冷系统的运行采用顺序控制方式，将各设备间复杂的逻辑关系程序化，实现自动顺序控制，可大大降低运行人员的工作强度，有利于机组的安全、稳定运行。

1工程概况

沙巴州(Sabah)是马来西亚的第二大州，位于东马，在婆罗洲的北部，自然资源丰富。近些年来，随着当地经济的不断发展，电力缺乏现象日益突出。本工程位于沙巴州亚庇市(Kota Kinabalu)工业园内，当地气候属热带气候，常年炎热而多雨。本工程系新建工程，建设规模为一套190 MW 级“2拖1”6FA系列燃气-蒸汽联合循环机组。机组包括2台PG6111FA型燃气轮机，2台双压、自除氧、自然循环卧式余热锅炉和相关的辅助设备，1台约75 MW双压、空冷式蒸汽轮机发电机组和相关的辅助设备，组成2+2+1联合循环机组，净出力为190 MW。工程热力系统如图1所示。

图1　热力系统示意

2空冷系统设置

由于本工程所处园区内水源较贫乏，且园区气候条件比较适合空冷机组的运行，所以最终采用了直接空冷的空冷汽轮发电机组。直接空冷系统是将汽轮机排出的乏汽由管道引入空冷凝汽器中，通过空冷风机将乏汽冷却为凝结水，供机组继续使用。直接空冷机组具有占地面积小、节水显著等特点[1]。

2.1空冷系统的设计参数

空气干球温度，34 ℃；气压，1 013 MPa；挡风墙顶部1 m处风速，4.0 m/s；排汽装置出口背压，≤15 kPa；汽轮发电机组功率，71.46 MW；汽轮机排汽量，250.08 t/h；排汽比焓，2 386.8 kJ/kg；环境温度，18～40 ℃。

2.2空冷系统设置

空冷凝汽器散热面积，487 732 m2；迎风面风速，2.5 m/s；风机台数，42(工频)；消耗功率，2 347 kW；计算散热量，150.3 MW。

2.3控制系统配置

本工程机组控制系统由1套ABB公司生产的800XA分散控制系统(DCS)和2套GE公司生产的 MARK VI控制系统组成。燃气轮机发电机组及其辅助系统主要由MARK VI控制系统进行监控，并将主要控制功能(如机组启动、停止、负荷调节、频率调节等)集成到DCS中。余热锅炉、汽轮机、发电机及相关辅机纳入DCS进行监控。通过DCS实现燃气轮机、余热锅炉、汽轮机、发电机整个联合循环电厂的集中监控[2]。

3空冷控制系统设计方案

本工程空冷控制系统以远程控制站的方式接入DCS，实现全厂控制系统一体化。空冷控制系统机柜布置在现场的空冷配电间内，通过冗余的工业以太网接入机组DCS中，在集中控制室内的DCS操作员站实现空冷系统的监控[1]，如图2所示。

图2　空冷控制系统设计方案

本工程空冷系统共设置42台风机，分6列布置，每列7台风机(其中第4台为逆流区风机)，均为单一转速、工频状态运行。

因本工程空冷系统风机均采用单一转速的电动机，因此，控制系统设计时仅需要考虑空冷风机的开关量控制即可，即在空冷系统启动、停止和运行过程中，仅需根据机组工况、各系统运行参数和风机的状态等条件，按照预先规定的步序启、停空冷风机即可。所以，顺序控制系统在本工程的空冷系统控制中可以发挥很好的作用。

空冷系统控制方式需根据机组状态分别进行设计，本工程将其分为3种工况，即机组启动、机组停机、机组正常运行。

3.1空冷系统顺序启动设计

机组启动过程中，空冷控制系统顺序控制启动投入需要满足一定的启动条件，本工程设置了3个顺序控制启动条件：汽轮机背压高于15 kPa；空冷凝汽器左右侧凝结水收集管中凝结水平均温度大于35 ℃；任意一台凝结水泵运行。

当这3个条件同时满足时，在操作员站的组态画面中提示空冷系统顺序启动投入允许，运行人员可以通过点击投入按钮自动顺序启动空冷系统。顺序启动过程如下：第1步：按1～6列顺序顺序启动第4台风机；第2步：按1～6列顺序顺序启动第3台风机；第3步：按1～6列顺序顺序启动第5台风机；第4步：按1～6列顺序顺序启动第2台风机；第5步：按1～6列顺序顺序启动第6台风机；第6步：按1～6列顺序顺序启动第1台风机；第7步：按1～6列顺序顺序启动第7台风机。

3.2空冷系统顺序停机设计

顺序停机过程与顺序启动过程完全相反，依据顺序启动的反向顺序进行停机。顺序停机过程如下：第1步：按6～1列顺序顺序停止第7台风机；第2步：按6～1列顺序顺序停止第1台风机；第3步：按6～1列顺序顺序停止第6台风机；第4步：按6～1列顺序顺序停止第2台风机；第5步：按6～1列顺序顺序停止第5台风机；第6步：按6～1列顺序顺序停止第3台风机；第7步：按6～1列顺序顺序停止第4台风机。

当所有风机停机后，组态画面会弹出操作提示，提示运行人员需根据下一步机组运行工况决定是否停止运行真空泵。若机组将进行热态启动，运行人员可点击“跳过”按钮，保持真空泵继续运行，以保持空冷凝汽器的真空度，并结束顺序停机过程，这样便于机组快速启动；若机组无热态启动要求，则运行人员可点击“下一步”按钮，继续进行顺序控制，停止真空泵并打开真空破坏阀，机组完全停机。

3.3空冷系统正常运行过程

机组正常运行过程中，汽轮机背压随环境温度、风速等因素的变化而变化，为保证机组出力、效率和安全，需调节空冷系统的运行状态，以保持汽轮机背压在一定的安全范围内。

本工程汽轮机正常的排汽背压为15 kPa，允许最大背压为55 kPa，自动停机背压为60 kPa，故空冷系统的调节必须保证机组运行在安全的背压范围内。

由于本工程空冷风机均在工频状态运行，所以汽轮机排汽背压可以通过启停相应的空冷风机进行调节。在机组设计工况下，空冷风机运行40台；在紧急情况下，需要启动全部42台空冷风机和所有的真空泵，尽最大可能降低汽轮机排汽背压，使机组运行在安全区域内。

根据上述条件，本工程设计了一套专用的空冷凝汽器背压调节系统。

(1)当汽轮机排汽背压低于10 kPa时，逐步停止空冷风机，停机步序同3.2，每停止2台风机后适当延时，对汽轮机排汽背压进行监控，当实际值接近汽轮机排汽背压设定值15 kPa时，停机步序停止执行，保证机组运行在最佳工况下。

(2)当汽轮机排汽背压高于30 kPa时，逐步启动备用的空冷风机，启动步序同3.1，每启动2台风机后适当延时，对汽轮机排汽背压进行监控，当实际值接近汽轮机排汽背压设定值15 kPa时，启动步序停止执行，保证机组运行在最佳工况。

(3)当汽轮机排汽背压高于55 kPa时，启动全部处于备用状态的空冷风机，启动步序同3.1，启动备用真空泵并输出声光报警，提示运行人员注意汽轮机排汽背压，必要时运行人员需就地检查空冷系统工作状态。当汽轮机背压恢复到正常状态时，自动停止备用真空泵，空冷系统进入正常运行状态。

3.4需要说明的问题

(1)空冷系统顺序控制过程中，若某一台空冷风机出现故障，程序将自动跳过此风机操作，继续执行下一步操作，组态画面将输出声光报警，提示运行人员检查。

(2)每台空冷风机本体的保护包括齿轮箱润滑油压低、齿轮箱润滑油温高、电机线圈温度高和风机振动高保护，任何一个保护工作将自动停止风机运行，输出相应的报警，提示运行人员进行处理。

(3)所有空冷系统风机处于正常停机状态时，均应手动投入备用状态，以便空冷系统顺序控制顺利执行。

(4)由于空冷系统大部分风机均处于24 h连续运行状态，为保证所有风机的性能均衡，运行人员可根据运行需要，在运行一段时间后手动对备用风机和运行风机进行切换，切换过程不影响顺序控制系统执行。

4结束语

本工程空冷系统采用顺序控制后，大大提高了机组的自动化水平，降低了运行人员的劳动强度，也为机组级顺序控制系统的设计奠定了基础。通过本工程空冷系统顺序控制的设计和应用可以看出，火力发电厂各级顺序控制系统的设计和应用需要综合考虑多种因素，如工艺系统的工作环境、工艺系统设计特点、系统设备可控性等，并且要将运行人员丰富的运行经验转化为高效可靠的计算机程序。顺序控制系统的设计和应用不但需要考虑提高工艺控制系统的自动化水平，更应该保证工艺系统乃至机组的安全。本工程空冷系统顺序控制系统的应用可为其他工程顺序控制系统的设计提供一定的参考。

参考文献：

[1]大中型火力发电厂设计规范：GB 50660—2011[S].

[2]燃气-蒸汽联合循环电厂设计规定：DL/T 5174—2003[S].

(本文责编：刘芳)

收稿日期：2015-12-28；修回日期：2016-03-16

中图分类号：TM 611.31

文献标志码：B

文章编号：1674-1951(2016)03-0023-03

作者简介：

徐振华(1982—)，男，吉林长春人，助理工程师，从事火力发电厂热控专业电力设计及技术管理工作(E-mail:xuzhenhua@chec.com.cn)。