塔式光热机组 SGS 跳闸控制逻辑调试方法优化改进

赵广荣

(中国电建集团江西省电力建设有限公司,江西 南昌 330001)

塔式光热机组利用大规模自动跟踪太阳的定日镜场阵列,将太阳热辐射精准反射到置于高塔顶部的集热器(MSR),集热器利用熔盐作为吸热工质吸收太阳辐射能量,并间接通过蒸汽发生系统(SGS)产生高温高压蒸汽(540～560 ℃),其间产生的热量用来发电和储存在热熔盐罐,以备早、晚或多云时发电使用。蒸汽发生系统是利用熔盐作为储热介质的太阳能热发电站的核心系统之一[1]。

塔式光热机组主要由镜场、吸热塔、冷熔盐罐、热熔盐罐、蒸汽发生系统、汽轮机、发电机以及空冷岛等关键部件组成,这些部件形成了机组发电最主要的熔盐循环和汽水循环[2],如图1所示。

图1 某100 MW塔式光热机组系统图

熔盐储热是光热发电系统中最关键的部分,它提供了能量转换装置所需的初始温度,换热管则将这些热量进行高效的交换[3]。在塔式光热机组正常运行过程中,当SGS(包括蒸汽侧和熔盐侧)一旦发生威胁设备运行安全的情况时,为了防止造成设备损坏,SGS跳闸,切断SGS熔盐循环,以保护SGS各附属设备,最大程度降低机组发生运行事故的风险。机组在消除设备故障后能及时快速启动SGS并建立稳定熔盐循环,能降低SGS熔盐侧冻盐的风险,增加机组的发电效率。

根据塔式光热机组SGS跳闸保护动作特点及动作后系统恢复实际经验,结合电力调试相关技术规范标准,对调试方法进行改进。以此提升SGS运行的安全性,有效减少SGS跳闸后系统恢复时间,降低SGS熔盐冻结的风险,提高机组运行发电的经济性,保障机组运行安全可靠性。

1 控制逻辑调试及优化

1.1 SGS跳闸条件调试

常规塔式光热机组,SGS换热器(包括过热器、再热器、蒸发器、省煤器)熔盐侧温度变化率一般不参与SGS跳闸保护。为了减少换热器在SGS启动/停止过程中产生的热应力,延长SGS内各设备的使用寿命,根据SGS设备厂家要求,对SGS内换热器,包括过热器、再热器、蒸发器、省煤器本体壳侧进口端熔盐温度与管侧进口端蒸汽温度最大温差设置保护,当进盐温度变化率高高±15 ℃/min,延时2 s时,触发SGS跳闸。

SGS分为一、二列运行,两列SGS熔盐回冷熔盐罐共用一根母管,很难实现单列SGS熔盐侧系统隔离,容易造成公用熔盐管路串盐,进而导致堵盐冻盐事故。为保障机组正常安全运行,SGS任意一列触发SGS跳闸条件,另一列也同时触发SGS跳闸。

如若触发SGS熔盐侧疏盐条件或手动紧急疏盐按钮,为防止SGS发生严重事故或事故扩大化,SGS将自动执行疏盐顺控。根据DCS控制逻辑,SGS任意一列SGS跳闸触发疏盐条件,另一列同时触发疏盐条件。

1.2 SGS自动疏盐顺序控制逻辑优化

1.2.1 SGS自动疏盐顺序优化

SGS疏盐采用手动控制,易发生误操作现象。为更好地控制SGS疏盐,SGS采用自动疏盐顺控,优化疏盐顺序。当疏盐条件触发,正常情况下SGS熔盐侧系统疏盐先后顺序取决于换热器实际安装位置,由高到低执行疏盐:通过过热器、再热器、蒸发器、省煤器进行疏盐。特殊情况下,如发生省煤器出口熔盐温度低低保护时,SGS熔盐侧系统疏盐顺控将优先进行省煤器盐侧疏盐,确保将SGS换热器冻盐风险降至最低。

1.2.2 SGS自动疏盐顺控步序

SGS疏盐顺控第一步: 确认SGS跳闸已动作,手动启动疏盐顺控,SGS熔盐侧阀门置自动位置,如触发紧急疏盐条件,DCS将会自动执行疏盐顺控。

SGS疏盐顺控第二步:停止调温盐泵组和热盐泵组;关闭调温盐至SGS进盐电动阀门和调节阀门,关闭进盐电动阀门和调节阀门。

SGS疏盐顺控第三步:打开再热器、过热器进盐调节阀和电动门; 疏盐泵组投自动,疏盐泵自动启动/停止,以控制疏盐罐液位。

SGS疏盐顺控第四步:依次打开过热器、再热器、蒸发器、省煤器熔盐侧本体排空电动门和疏盐电动门进行疏盐。由于过热器和再热器熔盐侧温度在整个系统中是最高的,为保障设备本体安全,必须优先进行疏盐。其次对SGS至冷盐罐再循环管、调温泵至再热器管道等进行疏盐。监测SGS疏盐时熔盐侧各温度和压力参数的变化,当SGS熔盐侧过热器、再热器、省煤器、蒸发器、主要熔盐管道所有疏盐阀和排空阀均已打开,且熔盐管路所有压力测点数值小于0.5 barg,此状态保持600 s后可视为SGS熔盐已疏空。

SGS疏盐顺控第五步:打开再热器、过热器、蒸发器、省煤器、熔盐管路所有排空管路疏盐阀,将排空管存留熔盐排至疏盐罐。

1.2.3 SGS自动疏盐注意事项

疏盐顺控结束后,保持熔盐侧所有阀门在开位的同时,阀门及管道电伴热保持加热模式继续运行24～36 h;疏盐过程中,注意疏盐泵联启正常,仔细观察疏盐罐液位变化,当疏盐顺控结束后,疏盐罐液位长时间没有上涨,才能确保SGS盐已排净;SGS熔盐侧疏盐结束后,SGS汽水侧蒸汽压力会缓慢降低,此时尽可能进行保温保压,延长SGS整个疏盐过程。

2 调试方法改进步骤

2.1 SGS跳闸条件确定

根据SGS厂家说明书、设计院相关文件及前述SGS跳闸条件优化,业主、监理、设备厂家、组态厂家共同讨论确定SGC跳闸条件及控制逻辑优化方案,组态厂家按照逻辑方案进行组态工作。详细SGS 跳闸条件如下。

1)延时2 s跳闸:汽包液位低低 9%;过热蒸汽出口、再热蒸汽出口、过热器、再热器进口熔盐温度高高 570 ℃;省煤器进口给水、汽包饱和蒸汽、再热器进汽、过热器进盐、再热器进盐、蒸发器进盐、省煤器进盐温度变化率高高±15 ℃/min;过热器进盐温度与蒸汽侧进汽温度温差高高 280 ℃;再热器进盐温度与蒸汽侧进汽温度温差高高 290 ℃;蒸发器进盐温度与水侧进口温度温差高高 190 ℃;省煤器熔盐侧进盐温度与给水进口温度差高高 110 ℃;进盐混合压力高高 20 barg;蒸发器进盐温度高高 500 ℃;省煤器进盐温度高高 380 ℃;汽包压力高高185 barg;冷熔盐进盐温度高高 370 ℃。

2)延时2 s跳闸并触发疏盐:汽包压力低低 54 barg;过热器出口熔盐温度低低 260 ℃;再热器出口熔盐温度低低 260 ℃;省煤器进口熔盐温度低低 260 ℃;省煤器出口熔盐温度低低 255 ℃。

3)低压旁路跳闸SGS:再热器压力高高30 barg,或SGS热负荷大于80 MWt,机组未并网,低压旁路关闭。

4)当空冷岛疏水罐液位高高高、SGS热负荷大于70 MWt、机组已并网时,延时20 s。

5)所有给水泵失去,延时600 s。

6)SGS热负荷大于70 MWt且机组未并网,高压蒸汽旁路关闭,延时10 s。

7)延时120 s跳闸:当SGS热负荷大于15 MWt时,所有调温泵跳闸,所有热盐泵跳闸。

8)手动按钮。

9)紧急疏盐请求。

10)所有强制循环泵跳闸或泵出口流量低低60 kg/s,延时120 s(触发疏盐)。

2.2 SGS熔盐侧阀门测试

考虑到二元熔盐特有的低温冻结性质,为避免阀门卡涩或损坏,在熔盐侧阀门投运前,运行人员应完成试运设备和系统的阀门、测点、报警信号单体调试验收传动试验[4]。若阀门未进行测试,熔盐系统运行时阀门产生故障,易导致熔盐管路堵塞。

SGS熔盐侧阀门测试采用“先就地后远方传动模式”进行。将阀门控制器切换到“就地”控制模式,就地进行阀门开关测试与DCS控制画面校对开关到位信号正确无误。将阀门控制器切换到“远方”控制模式,重新测试阀门开关校对开关到位信号并记录阀门开关全行程时间。调节阀传动采用对阀门全行程0、25%、50%、75%、100%开度校对,调节阀指令与反馈偏差应在1%以内。SGS熔盐侧阀门传动在SGS未充盐之前可以不投入阀门或管道电伴热运行,熔盐侧阀门传动必须在阀门电伴热温度合适、阀门阀体及传动轴承处保温层合格的情况下进行。

2.3 SGS跳闸条件静态试验

在启动SGS预热和充盐工作前必须完成SGS跳闸条件静态逻辑模拟试验,跳闸条件必须逐一校对核准,确保跳闸首出和动作对象正确。将DCS画面所有SGS跳闸条件和首出复位, 检查SGS跳闸动作对象并置于模拟运行状态,手动操作SGS跳闸按钮或者模拟SGS跳闸条件,DCS画面确认SGS跳闸首出及动作对象是否正常。按顺序逐一进行全部SGS跳闸条件静态逻辑模拟试验,确保组态逻辑符合设计要求。

2.4 SGS自动疏盐顺控试验

模拟SGS跳闸条件中任意一条,SGS应进入自动疏盐状态,按照过热器、再热器、蒸发器、省煤器顺序进行疏盐。若模拟省煤器出口熔盐温度低低保护,SGS熔盐侧系统疏盐顺控将优先进行省煤器盐侧疏盐,确保将SGS换热器冻盐风险降至最低。检查自动疏盐步序是否符合SGS自动疏盐顺控优化后的逻辑方案。

2.5 SGS跳闸后系统恢复

运行机组触发SGS跳闸保护后,操作人员应及时查出原因,快速处理故障,启动恢复SGS,重新并网发电。调试单位在分系统试运和整套启动试运中,监督和指导运行操作[5]。

2.5.1 SGS跳闸后操作

确认SGS已跳闸,动作对象正确。SGS蒸汽侧进行保压,避免SGS蒸汽系统压力快速泄压导致SGS熔盐侧触发紧急疏盐条件。SGS熔盐侧将热盐泵、调温泵控制器,以及一、二列调温盐至SGS的调节阀、热盐调节阀、再热器进盐调节阀、过热器进盐调节阀均切换手动控制。保持汽包水位正常。复位SGS跳闸,确认所有跳闸条件及首出已复位完成。

2.5.2 只投入热盐运行时操作(一、二列同步进行)

SGS跳闸后,一、二列SGS熔盐侧熔盐循环已切断,为防止SGS熔盐侧系统入口混合熔盐压力超压,SGS熔盐至冷盐罐再循环阀保持全开。SGS熔盐侧重新启动充盐时应缓慢进行,打开热盐至SGS进盐调节阀3%开度,热盐流量大约为30 kg/s(单列)。此时SGS熔盐侧流程为:热熔盐泵—SGS入口熔盐混合管路—SGS熔盐至冷熔盐罐再循环阀—冷熔盐罐。打开SGS过热器和再热器进盐调节阀至5%开度,SGS熔盐侧开始建立小流量循环。根据蒸发器进盐温度变化率(小于15 ℃/min),逐步缓慢打开过热器和再热器进盐调节阀,最终保持过热器进盐调节阀50%开度,再热器进盐调节阀10%开度。检查确认SGS蒸汽侧系统阀门状态及旁路系统具备进汽条件。保持一、二列过热器出口蒸汽主、旁路的电动门、手动门打开,高压蒸汽旁路阀关闭且保持手动模式,低压旁路投入自动控制 ,高、低压旁路减温水投入自动控制。关闭一、二列SGS熔盐至冷盐罐再循环阀,同时快速手动打开高压蒸汽旁路阀10%～15%开度。观察一、二列蒸发器进盐温度变化趋势,在SGS熔盐至冷盐罐再循环阀关闭后,一、二列蒸发器进盐温度通常会出现快速上升,此时需根据该温度变化率适当调节高压蒸汽旁路开度值(经验值为25%)。SGS蒸汽通流回路建立,熔盐与蒸汽进行热交换后,蒸发器进盐温度变化率会趋向稳定,SGS熔盐侧盐循环建立。待一、二列蒸发器进口盐温变化趋势稳定后,可逐步缓慢加大一、二列热盐至SGS进盐调节阀开度,在加大进SGS热盐流量过程中,需缓慢逐步将再热器进盐调节阀打开,当再热器出口熔盐温度与过热器出口熔盐温度的温差在20 ℃以内时,将过热器和再热器进盐调阀开度比例调整至60%：40%。高压蒸汽旁路阀门适时投入自动控制。继续增加热盐至SGS的熔盐流量,直到达到汽机冲转参数,等待机组并网。

2.5.3 冷热盐混合运行时操作(一、二列同步进行)

SGS熔盐至冷熔盐罐再循环阀已打开。打开热盐至SGS进盐调节阀3%开度,热盐流量大约为30 kg/s,打开调温至SGS进盐调节阀10%开度。此时需要根据SGS过热器和再热器进盐温度调整调温熔盐流量,通常保持SGS入口混合熔盐温度低于过热器和再热器进盐温度5 ℃即可。以下操作基本与SGS只通热盐运行操作基本一致,可根据调试任务进行SGS升温或降温运行。在关闭SGS熔盐至冷熔盐罐再循环阀后,SGS入口混合熔盐温度会发生大幅度波动,此时应保持热盐至SGS进盐调节阀和调温至SGS进盐调节阀开度不变,不建议进行调整。当SGS冷热盐混合运行跳闸后,根据调试任务安排进行降温至冷盐循环,总用时2 h 36 min。SGS降温期间系统内各参数正常,SGS降温速率符合设备厂家小于15 ℃/min的要求。

2.5.4 操作注意事项

SGS熔盐侧各设备(包括过热器、再热器、蒸发器、省煤器)进盐温度变化率需严格执行厂家升温速率,要求小于15 ℃/min,避免产生较大的热应力,损坏设备。恢复运行期间,给水加热器需及时投入,防止因给水温度低造成省煤器熔盐侧冻盐。保证SGS蒸汽侧系统压力,避免出现汽包压力低低(低于54 barg)导致SGS紧急疏盐。 机组低负荷运行期间,注意再热器蒸汽入口温度不能低于240 ℃,避免再热器熔盐侧冻盐。

3 结语

采用优化后的SGS跳闸条件及控制逻辑后,最大程度地保障了SGS熔盐侧系统各换热设备安全运行,为机组可靠性运行奠定了基础。调试方法的改进缩短了调试工期,提升了调试质量,相关SGS跳闸后系统恢复的运行操作要求,有效缩短了机组重新并网发电的时间。

某项目中SGS 跳闸后,经过1 h 38 min机组重新并网发电,提高了塔式光热机组的经济效益。2022年12月15日12:01,SGS一、二列开始进行疏盐顺控。在SGS疏盐过程中,始终保持1#疏盐泵运行,疏盐罐液位从最初液位345 mm上升至最高1 588 mm,随后开始下降至500 mm。2022年 12月15日13:01,停止1#疏盐泵运行,此过程共耗时近60 min。SGS一列开始执行疏盐顺控到完成疏盐顺控的时间为19 min,SGS二列开始执行疏盐顺控到完成疏盐顺控的时间为20 min 30 s。

SGS系统换热器运行工况得到良好的保障,过热器、再热器、省煤器、再热器、蒸发器未曾发生一例冻盐和泄漏事故,缩短了机组进入整套启动的时间,使机组顺利进入商业运行期,极大地提高了电厂的经济效益及地方环保效益。