M701F4型机组启机过程高压旁路阀维持45%开度的原因分析及改进探讨

2022-10-22车国营

应用能源技术 2022年9期

车国营

(中海油珠海天然气发电有限公司，珠海 519050)

0 引言

珠海电力为燃气-蒸汽联合循环热电联产机组发电厂，一期总装机容量为4×460 MW。燃气轮机由东方汽轮机厂生产，型号是三菱M701F4重型；余热锅炉由东方日立锅炉厂生产，型式是卧式、水平烟气流、汽包炉，锅炉汽水循环系统是三压、再热、自然循环；汽轮机由东方汽轮机厂生产，型式是三压、一次中间再热、双缸双排汽、双抽凝汽式，设计有一套100%容量的高、中、低压旁路系统。在机组热态启动过程中，高压旁路阀多次出现阀门维持固定阀位45%开度而无法正常关闭的现象。本文对此现象进行了原因分析，并查找影响因素，提出具体改进措施，从而避免发生机组非停事故。

1 高旁控制模式

1.1 高旁压力设定值

高旁压力设定值是根据汽机不同启动状态而定，汽机状态的界定条件又是根据缸温来判断的，见表1和表2。

表1 启机状态与高压旁路设定值的关系

表2 汽机启机状态与缸温对应的关系

发电机并网后，高压旁路压力给定值增加0.5 MPa，目的是使得高压旁路快速关闭，尽快升汽机负荷。

1.2 高旁控制模式

高旁控制模式分为三种，即最小阀位模式、压力调节模式、压力跟踪模式(压力调节后备模式)，高压旁路压力控制逻辑如图1所示。

图1 高压旁路压力控制逻辑

(1)最小阀位模式是当主蒸汽压力没有达到旁路阀压力设定值，其开度保持10%；

(2)压力调节模式是当主蒸汽压力上升至旁路阀压力设定值，旁路阀按PI调节器调节开度，以维持主蒸汽压力为旁路阀压力设定值；

(3)压力跟踪模式是当汽机负荷和主蒸汽压力达到条件投入压控后，高旁控制切换为压力跟踪模式。当旁路全关且汽轮机进入压控模式时，旁路压力设定在当前压力的基础上叠加一个阈值，使实际压力设定总是大于实际压力，从而保证旁路可靠关闭[1]。在高压控制投入且旁路投自动情况下，进汽和旁路压力的给定值在当前进汽压力的实际值基础上进行增减，即高压进汽压力给定值减少0.2 MPa，高旁压力给定值增加0.5 MPa，目的是让旁路保持全关、主汽调阀保持全开。在这个模式下，旁路的设定值会高于实际的压力值，处于长期关闭状态，只有蒸汽压力出现大幅升高时，旁路才会打开泄压，这也是机组正常运行状态下的旁路运行方式[2]。

1.3 高旁在启机中的正常动作过程

(1)当高压主蒸汽压力>0.1 MPa时，高旁及减温水投自动，减温水调阀设定0，高旁开至最小阀位10%；

(2)当高压主蒸汽压力>0.5 MPa且燃机运行且冷态或温态时，高旁以15%/min速率开至固定阀位45%；

(2)当高压主蒸汽压力>0.5 MPa且燃机运行且热态或极热态时，高旁以15%/min速率开至固定阀位45%；

(4)当高压主蒸汽压力>旁路设定值时，高旁由固定阀位控制切至压力调节模式；

(5)当高、中压主汽调阀>30%且再热蒸汽压力>1.1 MPa时，投入高、中压控制，高、中压旁路压力给定值按一定速率自动增加，直至高于蒸汽压力0.5、0.2 MPa，以控制高、中压旁路全关。

2 高旁阀位输出指令

2.1 高旁PID阀位输出

(1)高旁压力设定值与高压主蒸汽压力平均值经PID计算高旁PID阀位输出；

(2)当高旁处于最小阀位模式时：

①高压主蒸汽压力平均值小于高旁压力设定值，高旁PID阀位输出为0；

②高压主蒸汽压力平均值大于高旁压力设定值，高旁PID阀位输出自动跟踪当前阀位，即高旁最小阀位45%，随后高旁进入压力调节模式，根据压力进行开关高旁，使其稳定在高旁压力设定值附近；

(3)当高旁处于压力后备模式时：

①高压主蒸汽压力平均值小于高旁压力设定值，高旁PID阀位输出为0；

②高压主蒸汽压力平均值大于高旁压力设定值，高旁PID阀位输出自动跟踪当前阀位0，在当前阀位0开大，但是正常运行情况下不存在，因为高旁压力设定值会自动跟踪高压主蒸汽压力平均值，且在此基础上增加0.5 MPa，使得高压主蒸汽压力平均值始终小于高旁压力设定值，确保高旁PID阀位输出为0。

2.2 高旁最小阀位输出

(1)高压主蒸汽压力>0.1 MPa，高旁最小阀位输出10%；

(2)高压主蒸汽压力>0.5 MPa，且燃机运行，高旁最小阀位输出45%。

2.3 高旁阀位控制指令

高旁阀位控制指令是高旁PID阀位输出和高旁最小阀位输出进行比较，取大输出，且高旁模式手动和自动相互跟踪当前阀位，高旁阀位输出指令控制逻辑如图2所示。

图2 高旁阀位输出指令控制逻辑

(1)当高压主蒸汽压力平均值<高旁压力设定值时，高旁PID阀位输出为0，高旁最小阀位输出为10%、45%，均大于高旁PID阀位输出，故高旁控制指令是高旁最小阀位输出为10%、45%；

(2)当高压主蒸汽压力平均值>高旁压力设定值时，高旁PID阀位输出为高旁最小阀位输出45%，但由于高压主蒸汽压力>高旁压力设定值且-5<高旁最小阀位输出-高旁PID阀位输出<5，高旁最小阀位输出下降至10%，而高旁PID阀位输出仍然保持45%，此时高旁PID阀位输出大于高旁最小阀位输出，故高旁控制指令是高旁PID阀位输出式；

(3)当高压控制投入时，高旁压力设定值在当前高压主蒸汽压力增加0.5 MPa，高旁最小阀位控制模式退出，高旁最小阀位输出下降至0，而高旁PID阀位输出逐渐下降至0。

3 高压旁路阀位控制异常经过及原因分析

3.1 高压旁路维持45%开度的异常经过

异常发生在机组热态启动(锅炉压力为0)汽轮机冲转过程中。0时2分，燃机并网，汽机缸温381.8 ℃，燃机温匹负荷98 MW；0时24分，汽机冲转参数满足，汽机开始冲转，此时高、中压旁路开度分别是45%、50%；0时38分，汽机并网高、中压旁路设定值分别增加0.5、0.2 MPa，高旁维持45%开度，中旁逐渐关小；0时44分，汽机缸温>400 ℃，燃机温匹负荷升至125 MW；0时47分，高、中压控制投入，高旁仍然维持45%开度，中压旁路快速关闭；1时4分，高压缸排汽温度达438.6 ℃，高旁仍然维持45%开度，立即将高旁切手动关闭。

3.2 高压旁路维持45%开度的原因分析

3.2.1 高压主蒸汽压力下降

汽机发电机并网前，高压主蒸汽压力最大达到6.334 MPa，高旁压力设定值为6.5 MPa，汽机发电机并网后，高压调阀逐渐开大，导致高压主蒸汽压力开始下降，高压主蒸汽压力无法达到高旁压力设定值，高旁PID阀位输出为0。

假设高旁压力设定值不变，那么高压主蒸汽压力相应增加一个高旁压力设定值，这就相当于高压主蒸汽压力大于高旁压力设定值，高旁PID阀位输出会逐渐打开，高旁PID阀位输出为30.2%，高旁最小阀位输出为45%，高旁最小阀位输出与高旁PID阀位输出相差超出±5%范围，无法复位高旁最小阀位，最终高旁阀位控制指令一直输出45%。

高旁切手动，高旁PID阀位输出自动跟踪阀位至45.3%，高旁控制指令为高旁PID阀位输出，由于高压主蒸汽压力平均值小于高旁压力设定值，无法复位高旁最小阀位，当高旁PID阀位输出逐渐关闭小于45%时，高旁阀位控制指令又变为高旁最小阀位输出45%。

3.2.2 高旁压力设定值较高

汽机发电机并网后，高压调阀逐渐开大，高压主蒸汽压力已经下降，而高旁压力设定值却又增加0.5 MPa变成7 MPa(实际只有6.9 MPa),导致高压主蒸汽压力更不可能达到高旁压力设定值。

假设高旁压力设定值较低，比如是6 MPa，高压主蒸汽压力在#2汽机发电机并网前就达到了高旁压力设定值，则高旁阀位控制进入压力调节模式，当#2汽机发电机并网后，高压主蒸汽压力下降时，高旁阀位控制指令就会根据压力进行关小高旁从而提高高压主蒸汽压力。

但就是因为假设不成立，进而反推出本应该高旁关小起到憋压的作用，而高旁却始终保持45%开度，相当于开大了高旁，再次导致高压主蒸汽压力下降。

4 针对高旁阀位不能正常关闭的改进措施

4.1 提高中压旁路设定值

当汽机发电机并网后，中旁压力设定值提高，促使中旁关小，中压主蒸汽调阀逐渐开大，从而提高再热蒸汽压力。

若汽轮机是热态或极热态启机，中旁压力设定值直接增加0.2 MPa，若汽轮机是冷态或温态，鉴于汽轮机低负荷暖机，可在汽机带20 MW负荷时，将中旁压力设定值提高0.2 MPa，目的是提前进入旁路压力后备模式，尽快关闭旁路，减少工质流失。

4.2 降低高旁压力设定值

当高压主蒸汽压力平均值>高旁压力设定值时，高旁PID阀位输出为高旁最小阀位输出45%，但由于高压主蒸汽压力>高旁压力设定值且-5<高旁最小阀位输出-高旁PID阀位输出<5，高旁最小阀位输出下降至10%，而高旁PID阀位输出仍然保持45%，此时高旁PID阀位输出大于高旁最小阀位输出，故高旁控制指令是高旁PID阀位输出。此时高旁进入压力调节模式，通过降低高压旁路压力设定值，使得高压主蒸汽压力>高旁压力设定值条件很容易满足，使得高旁尽早进入压力调节模式，根据压力进行调节。

4.3 修改燃机温匹负荷

(1)修改前温匹负荷

根据燃机排气温度330～350，对应燃机负荷20 MW；

根据燃机排气温度420～450 ℃，对应燃机负荷40～50 MW；

根据燃机排气温度高出汽机缸温80～100 ℃，对应燃机负荷70～100 MW；

根据燃机排气温度高出汽机缸温80～100 ℃，对应燃机负荷100～130 MW。

(2)修改后温匹负荷，见表3。

表3 燃机温匹负荷与汽轮机缸温对应关系

(3)由于启机完成时的设定负荷为190 MW是不变的，当汽轮机负荷偏小时，只有加大燃气轮机负荷来满足总负荷达到设定值[3]。通过提高燃机温匹负荷，设定相应的升负荷率，把汽轮机主蒸汽压力尽可能提高。当汽轮机冲转时，由于高中压主蒸汽调阀缓慢打开，高压主蒸汽压力就会降低，及早提高燃机温匹负荷就会使得锅炉产生的更多蒸汽抵消冲转瞬间的影响。