临界机组热控设计特点_secret

1、1000MW超临界机组热控设计特点当前，火力发电机组正朝着大容量、高参数方向发展，机组类型多以超临界600MW为主。随着各发电集团公司对机组效率要求的进一步提高，1000MW超临界机组也开始不断引入。华东电力设计院是目前国内最早涉足于1000MW超临界机组设计的单位，通过在外高桥电厂二期、玉环电厂、泰州电厂工程中的实践和研究，积累了一些工程设计方面的经验和体会，通过本文的介绍，为业内同行在工程设计中提供一些参考和借鉴。对于超临界机组，热控设计在以下几方面应进行一些特殊考虑:机组控制系统总体方案的确定、系统图(P&ID)中现场检测仪表测点配置、仪表选型、DCS的选择与配置和功能规划、主要成套配供

2、控制装置的选择等。一、主要热力系统的热控设计 P&ID设计是所有热控设计工作深入开展的基础。目前国内百万等级超临界机组中只有外高桥二期已投入商业运行，所以在玉环电厂工程的设计准备阶段，对外高桥二期热力系统的热控设计进行了研究，并多次到外高桥电厂二期现场查看机组的实际运行状况，了解工程设计中各方面的细节问题。同时，业主单位和设计院还组织专业设计人员到日本三菱公司考察并交流百万等级超临界机组的设计经验。 在施工图设计阶段，经各方多次讨论认为:超临界直流炉与亚临界汽包炉机组的主要区别在于锅炉本体部分。超临界机组较超临界机组只是工艺参数相对高一些，但在热控设计方面两者基本上没有大的差别。据此，最终确定

3、超临界机组的热控设计采取以下原则:热力系统热控设计主要参照外高桥二期，同时适当结合当前在建的600MW超临界机组工程实践。现就热力系统中主要部分的热控设计进行论述。 1.1 主蒸汽、再热蒸汽和旁路系统 (1)主蒸汽和热再热蒸汽母管疏水阀门控制。外高桥二期工程中，该系统的疏水采用调节阀进行控制，通过检测蒸汽管道中温度与对应压力下的饱和温度的接近程度来确定调节阀门开度，或根据主汽/再热蒸汽压力与疏水阀开度间的对应函数曲线确定疏水阀门开度。从理论上，这种控制方式更合理，可以更准确地控制疏水的排放点。按常规设计，主汽/再热蒸汽疏水阀是根据机组负荷值来决定其开启和关闭的，疏水阀采用开关式气动阀门。采用常

4、规设计可能会使一部分蒸汽排入凝汽器，造成热量浪费，但在实际工程设计中，也有调试人员认为，疏水阀前后差压太大，阀门稍一开启就将疏水放完，此处设计为调节阀意义不大;再者，确定主汽/再热蒸汽压力与疏水阀开度之间的对应函数曲线也非常困难，所以目前还是将疏水阀门设计为开关式气动阀门。实际设计中在疏水管道上考虑了温度测点，以便在逻辑设计中确定疏水管道中介质是否达到饱和温度及何时开启疏水阀门。 (2)主蒸汽流量的测量，亚临界汽包锅炉一般采用三冲量调节，参与调节的主蒸汽流量信号基本采用汽轮机第1级压力计算获得。超临界直流锅炉控制的关键任务是主蒸汽温度调节，过热汽温通过给水量与燃料量的调节来实现。实际运行中给煤

5、量控制不可能很精确，因此只能把保持煤水比作为粗调，另用喷水减温作为细调。调节时利用煤水比保持中间点温度(一般采用汽水分离器出口温度)在一定值。中间点至过热器出口间采用喷水减温来适应过热器的工况变化及维持规定的过热器出口汽温，整个调节过程均不需要主蒸汽流量信号参与，而且在直流运行工况，主蒸汽流量等于给水流量。查阅外高桥电厂二期设计资料发现，主蒸汽流量信号主要用于负荷调节回路、给水调节设定值计算、过热蒸汽和再热蒸汽疏水调节阀的联锁控制及其他调节回路中设定值的计算;玉环电厂工程中，锅炉制造厂提供的三菱公司技术资料中均无主蒸汽流量信号的要求，而汽轮机厂家技术人员指出西门子的汽轮机数字电液控制系统(DE

6、H)中需要主蒸汽流量测量信号，当主蒸汽流量低于15%时，汽轮机将限制升速速率。西门子汽轮机没有第1级压力，所以在锅炉一级过热器出口装设了流量喷嘴。该测量装置由于装设在高温高压环境，设备费用相当昂贵，还会造成较大的管道阻力损失。所以，如能确定DEH控制中不需要或DEH自己能够计算主蒸汽流量，则还是不要装设主蒸汽流量测量装置。1.2 锅炉启动旁路系统 超临界直流锅炉与亚临界汽包锅炉最大的区别在于超临界直流锅炉设计有启动旁路系统。在锅炉启动时，启动旁路系统需保证直流炉水冷壁的最小流量(约35%MCR)。当负荷小于35%MCR时，汽水分离器处于有水状态(即湿态运行)，此时通过水位控制阀完成对分离器水位

7、控制及最小给水流量控制;当负荷上升等于或大于35%MCR时，给水流量与锅炉产汽量相等，为直流运行方式，进入干态运行，汽水分离器变为蒸汽联箱使用。 为平稳实现锅炉控制由分离器水位和最小流量控制转换为蒸汽温度控制及给水流量控制，必须首先增加燃料量，而给水流量保持不变，这样，过热器入口焓值随之上升，当焓值上升到定值时，温度控制器参与调节使给水流量增加，从而使蒸汽温度达到与给水流量的平衡(煤水比控制蒸汽温度)。升负荷过程中，分离器从湿态向干态转换。 在锅炉启动旁路系统设计中还应注意给水流量测点位置应装设在启动再循环管路之后，这样可保证给水流量测量值能够适应各种运行工况:锅炉启动阶段测量的是启动循环水流

8、量;直流运行状态测量的是机组给水流量。如装设在启动再循环管之前，锅炉启动阶段流量测量装置只能测量5%的补给水流量，如采用此给水流量信号参与机组保护，则会触发机组总燃料跳闸(MFT)保护逻辑中给水流量低低(小于25%)保护信号，造成不必要的保护动作。为提高流量测量精度，在外商原设计的给水流量测量中同时采用了大量程和小量程变送器，小量程变送器用于机组断水保护，大量程变送器用于给水调节。考虑到变送器的精度已能达到0.075%，应该说大、小量程的测量误差不会有大的影响，所以在目前设计中只装设了1种变送器，具体效果要通过实际运行验证。1.3 给水系统 超临界机组给水系统热控设计与常规亚临界机组给水系统基

9、本相同。总体上来说，百万千瓦超临界机组给水系统除了给水管路的压力参数比亚临界和超临界机组高之外，其他并没有太大变化。1.4 抽汽系统 抽汽系统热控设计中遇到的主要问题是汽轮机防进水标准的选用。外高桥电厂二期和玉环工程均采用了西门子汽轮机，按照西门子的设计，汽轮机抽汽逆止门控制放在DEH中，抽汽逆止门前后装有差压变送器，当前后差压大于3.2kPa时抽汽逆止阀将关闭，这在以往国内设计中是没有的。此外，按照我国汽轮机防进水设计规范，抽汽管道第1个逆止门前的水平管段应装设上下管壁温度测点，用于监视上下温差，防止有水进入汽轮机。但国外设计中抽汽管道第1个逆止门前的水平管段上并未装设上下温度测点，国外汽轮

10、机制造厂采用了自己长期积累的经验做法，并未完全遵循汽轮机防进水的标准。为满足我国的汽轮机防进水设计规范要求，我们在抽汽管道逆止阀后第1个水平管段上的顶部和相应位置的底部各设置了1对温差热电偶，以监视管内是否积水，温差大时在控制室报警;为了监测积水，还在高压缸排汽口的冷段再热垂直管上与冷段再热管最低点分别装设1支热电偶，根据这2支热电偶的温差来判断管道中是否有水存在。由于采用的设计标准要求不同，各国在汽轮机防进水设计方面可能会存在一些差异，必须首先满足我国标准规范，然后在对国外成熟应用加以研究的基础上，将值得借鉴的内容放入我们的设计。二、超临界机组锅炉本体设计特点2.1 汽水分离器液位控制 直流

11、锅炉不同于常规汽包锅炉之处在于锅炉启动系统。直流锅炉启动阶段，汽水分离器液位需要控制在较大范围内。以玉环电厂工程的三菱锅炉为例，其启动系统为带启动循环泵的强制循环系统。锅炉在湿态运行时，通常情况下汽水分离器的液位通过启动循环泵出口的调节阀迸行控制;当液位进一步上升，分离器液位将通过分离器疏水箱至启动疏水扩容器的3个WDC疏水调节阀进行控制，WDC阀根据分离器的液位测量信号进行分程控制。2.2 煤水比控制 直流锅炉的主蒸汽温度主要通过煤水比进行调节，因此煤水比指令信号的计算极为重要。以玉环电厂工程三菱锅炉为例、其煤水比信号指令来自于汽水分离器入口蒸汽过热度偏差，同时兼顾一级过热器出口连箱蒸汽过热

12、度偏差和二级后墙过热器入口母管蒸汽过热度偏差，即煤水比控制用于确保上述各位置点的蒸汽过热度在设定范围，从而保证主蒸汽温度控制在一定范围。当煤水比无法控制而超限，蒸汽温度仍然上升时，喷水调节阀将用于主蒸汽温度的控制。三、热控主要检测仪表选型3.1 热电偶、热电阻 由于超临界机组的参数较亚临界和超临界机组均有较大程度的提高，玉环电厂工程主蒸汽设计参数为27.46MPa/610。原国内热电偶厂家用于高温、高压测量的13型热电偶的适用参数为565/29.4MPa，显然超临界机组在热电偶选型上需要进一步研究。为此，邀请了上海自动化仪表公司的技术人员就超临界参数对热电偶套管的壁厚、插入深度、材料强度等方面

13、进行了专题研究。目前厂家已经在频率共振、套管强度等方面进行了理论计算，并开发了相应的产品。 对于主蒸汽、热再热蒸汽管道上的温度测点，热电偶套管的材料选择是一个值得考虑的问题。目前国内对异种钢的焊接均需进行特别培训和工艺评定，程序较复杂，所以尽可能避免异种钢焊接。电厂一般要求热电偶厂采用与工艺管道同材质(主蒸汽管道是P92，热再热蒸汽管道是P9l)的锻件制作热电偶套管。对于制造厂，采用P92或P91制作管道没什么大问题，但在主蒸汽和热再热管道上来用P92和P91材质的热电偶套管，当套管生锈时可能会造成热电偶感温元件与套管锈住，检修人员无法更换损坏的热电偶感温元件。在玉环工程中，主蒸汽、热再热蒸汽

14、管道上的热电偶套管还是采用了P92和P91材料，具体效果如何要在日后运行过程中进一步观察了解。3.2 变送器 变送器在现场检测仪表中占较大比例，因此，产品选型与机组过程检测和控制性能密切相关。总的来说，百万千瓦超临界机组在变送器选型方面与常规亚临界机组基本上没有差别，只是超临界机组的管道压力较亚临界和超临界机组高一些，在对主蒸汽和给水管道压力变送器选型时(以ROSE-MOUNT变送器为例)，305lC型产品的量程已无法满足要求，只能选305lT型。应注意305lT为压阻型产品，305lC为电容膜盒式，只要量程适合，还是应该选择305lC型产品。此外，对于高压管道中的差压变送器应注意静压是否满足

15、管道的工作压力要求。高压给水管道中差压变送器静压已达到40MPa，所以305lC产品可能无法满足要求，工程设计中选择了3051S型产品。四、DCS的选型与配置 DCS的性能与控制系统硬件(包括系统软件、网络)和工程应用软件设计2方面相关。随着计算机硬件和网络通信技术的发展，各DCS厂家在硬件方面的差距正在缩小，而工程设计能力方面还存在差异。 考虑到国内DCS厂家不具备百万千瓦超临界机组工程设计经验，DCS招标准备阶段邀请了国外主流DCS厂商就百万千瓦等级超临界机组的控制系统设计、控制策略进行交流，尽可能掌握市场上各DCS厂家超临界机组DCS的运行状况及工程设计能力。在玉环电厂工程标书编制过程中

16、，I/O点数量和类型的确认也是一个难题，最终决定参考外高桥电厂二期的竣工资料及玉环工程已有的设备制造厂资料，同时在评标过程中也请各投标厂商针对机组状况提出参考电厂的I/O点数，从目前实际设计的I/O点数量来看，原考虑的I/O数量和类型基本能满足要求。其中值得注意的是，由于百万千瓦等级超临界机组目前国际上投运数量不多、运行经验不足，汽轮机和给水泵汽轮机制造厂一般都不愿将汽轮机电液控制系统(DEH)和给水泵汽轮机电液控制系统(MEH)纳入DCS，它们往往随主设备配套提供，外高桥电厂二期、玉环电厂工程、泰州电厂均如此。更重要的是DEH及MEH包括的范围有时较国内以往的DEH和MEH的内容更多(往往包

17、括了汽轮机润滑油系统、液压油系统、抽汽系统、轴封疏水系统等方面的控制)，DCS的I/O点数统计时也应考虑上述因素的影响。 DCS设计中需注意的另一方面就是控制器数量的确定。由于各DCS的控制器在硬件、系统软件、功能块设计及系统网络、工程实际设计等多方面存在差异，各DCS厂家在投标中提供的控制器数量差异也很大。为使玉环电厂系统设计更合理，华能国际从集团内部调集了各DCS使用电厂的技术专家参加玉环工程DCS的评标，通过专家小组的商议，最终确定了在大致相同性能水平下各DCS厂家应配置的控制器数量。五、主要成套配供控制装置的选择5.l DEH 目前国内百万千瓦等级超临界机组主设备(机、炉、电)均是由国

18、内三大动力设备厂引进国外技术制造的，相当多的关键部件还是全部进口。对于汽轮机DEH，国内汽轮机制造厂还无法熟练掌握，如果贸然纳入DCS，业主方一般也不放心，所以DEH基本上还是由汽轮机厂随主设备配套提供，这样，有利于保证汽轮机的安全、稳定运行。但在工程设计中发现了一些值得注意的情况。 汽轮机DEH的范围包括汽轮机相关辅助系统(润滑油、盘车、抽汽、轴封、疏水等系统)有利于汽轮机控制的完整性，但会在一定程度上增加DEH与DCS接口点的数量。如汽轮机抽汽阀控制放在DEH控制，但高压加热器测量信号还是在DCS，当高压加热器液位高高需要隔离加热器时，还需将高压加热器液位高高信号送至DEH，增加了系统的复杂程度。更重要的是由于DEH自成一体，如果DEH与DCS间通信故障，运行人员将无法利用DCS的操作员站完成汽轮机的监控。所以在实际设计中还是保留了DEH的操作员站和打印机设备，这对集控室操作台的布置会造成一些麻烦。5.2 MEH 目前国内百万千瓦级超临界机组的给水泵汽轮机几乎都是进口的，与汽轮机DEH相同，给水泵汽轮机厂家基本上都坚持要配供给水泵汽轮机电液控制系统(MEH)，不愿将M