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湘潭电厂第培训
第十三章汽轮机旁路控制系统
第一节概述
目前国内外大容量中间再热火电机组多采用容量为30%~50%的两级串联旁路系统。
旁路系统的作用主要是在机组运行的各种工况下,保证再热器有足够的冷却,并在机组启动过程中协助锅炉控制汽压,使机组在启动时的蒸汽参数满足预定的要求,加快机组启动速度。
在机组甩负荷时,旁路系统可维持锅炉在最低允许负荷下工作,能保证汽轮机在3000r/min或带部分厂用电负荷下运行。
一旦故障排除,可并网并迅速带负荷,减少停机次数。
在机组负荷大幅度变动时,可协助锅炉控制主汽压力。
因此,旁路系统在加快机组启动速度、减少停机次数、增加机组运行的可靠性与灵活性方面起着重要的作用,已成为大容量单元机组必须配置的系统之一。
旁路控制系统由高压旁路控制系统和低压旁路控制系统组成,其中高压旁路控制系统包括高旁压力控制系统和高旁温度控制系统,高压旁路控制系统的任务是控制主蒸汽压力和再热器冷端蒸汽温度,控制手段分别是高压旁路蒸汽减压阀开度和高压旁路喷水阀开度。
低压旁路控制系统同样也包括低旁压力控制系统和低旁温度控制系统,低压旁路控制系统的任务是控制再热蒸汽压力和进入凝汽器的蒸汽温度,控制手段分别是低压旁路蒸汽减压阀开度和低压旁路喷水阀开度。
在不同的工况下,高压旁路控制器应完成以下的功能:
(1)锅炉启动
高压旁路控制器必须根据锅炉的蒸汽量来控制和增加锅炉的蒸汽压力,并能将主蒸汽流量传输到再热器中,从而保证通过过热器和再热器的蒸汽流量适当。
蒸汽流量经过高压旁路时,高压旁路控制器应能控制进入再热器的蒸汽温度。
(2)汽轮机启动
高压旁路控制器应该能控制主蒸汽压力,直到由锅炉主控制器接替高旁压力控制。
(3)带负荷运转
当机组带负荷且旁路关闭后,旁路控制器应随时准备好防止流通汽轮机的蒸汽过压或压力梯度变化过大。
(4)汽轮机甩负荷/跳闸
旁路控制器应打开旁路阀(若需要可使用快开装置协助)以防止流通汽轮机的蒸汽过压,并控制压力直到汽轮机再次接过负荷。
(5)安全功能
许多国家允许使用高旁阀作为锅炉高旁部分的安全阀,高旁侧不再需要其它的传统安全阀。
高旁必须配置完全独立的硬件安全系统。
从功能上而言,该系统应完全集成到旁路控制器中,以确保安全功能和控制功能之间的平滑过渡。
在不同的工况下,低压旁路控制器应完成以下的功能:
(1)锅炉启动
低压旁路控制器应该能控制再热器中的蒸汽压力。
当低压旁路打开时,低旁喷水减温控制器应该能控制再热器出口蒸汽温度,以便使蒸汽安全被凝汽器接收。
(2)带负荷运转
低压旁路关闭后,但是由低压旁路控制器来监控再热蒸汽压力,当压力增加到不可接受的程度时,低压旁路阀迅速打开;压力恢复正常后,低压旁路阀又迅速关闭。
(3)凝汽器保护
若凝汽器不能接受蒸汽或者喷水系统失常,为保护凝汽器,低旁控制器必须通过一个独立的安全通道关闭旁路。
第二节湘潭电厂的旁路控制系统
湘潭电厂600MW超临界机组的汽轮机为上海汽轮机厂设计制造并为高、中压缸联合启动方式,汽机采用高、低压二级串联旁路系统,其中高旁容量为40%BMCR,高压旁路阀及其喷水减温调节阀和隔离阀每台机组设置一套。
低旁总容量为52%BMCR,低压旁路阀及其喷水减温调节阀和隔离阀每台机组设置两套,分别进入两个凝汽器。
设置旁路系统可改善机组的启动性能。
机组在各种工况下启动时,投入旁路系统控制锅炉蒸汽温度使之与汽机汽缸金属温度较快地相匹配,减少汽机循环寿命损耗,实现机组的最佳启动。
投入旁路系统可缩短机组启动时间和减少蒸汽向空排放量,达到回收工质,节省能源消耗的目的。
一、高压旁路控制系统
高压旁路控制系统由压力设定点发生器、压力控制回路、温度控制回路和喷水隔离阀等部分组成。
1、压力设定点发生器
压力设定点发生器的输出值决定机组启动时的模式选择,锅炉的启动模式分为冷态、温态、热态(含极热态)三种启动方式。
冷态启动是指锅炉的汽包(或超临界锅炉的汽水分离器)外壁金属温度小于100℃或锅炉主汽压力为0.0Mpa,或锅炉经过较长时间检修(大于72小时)停用后的启动都属于这一种情况。
机组温态启动条件为停机时间在10~72小时之间,主要由汽机决定。
热态(含极热态)启动是指经过较短时间(停机时间少于10小时)的停用后,且满足汽机热态启动条件或者锅炉主蒸汽压力大于8.4Mpa的情况。
这几种模式都由不同的程序来控制,“启动模式”由操作人员或由来自FSSS的“锅炉点火”信号来设置。
当“启动模式”被选定后,压力设定点发生器可处于下列几种不同的模式。
(1)最小压力模式(minpressuremode)
锅炉冷态启动一开始,应将旁路的开度设置在一最小开度值(Ymin)上,以确保蒸汽的流通路径畅通,使主蒸汽立即可以流经过热器和再热器。
如果启动时锅炉中没有任何压力,压力设定点发生器将处于“最小压力”模式,压力设定点“Ps”被设置为最小压力设定值“Pmin”,且压力控制器将旁路阀开启到阀位最小位置值“Ymin”处。
(2)升压模式(pressurerampmode)
锅炉点火后开始升温升压,当主蒸汽压力高于最小压力“Pmin”而低于汽机冲转压力“Psync”时,设定点发生器处于“升压”模式。
只要旁路阀的位置“Yset”超过最小开度位置值“Ymin”时,压力设定点“Psdemand”即开始增大。
压力设定点的增大受梯度限制器的制约,且在“升压”状态下只允许正的压力梯度。
在这种操作模式下,减小压力设定点“Ps”是不允许的。
“最小压力模式”或“升压模式”启动后,压力设定器会自动生成“启动程序(startupsequence)”开关量信号。
(3)定压模式
一旦主蒸汽压力达到冲转压力“Psync”且旁路阀开启时,“启动模式”将被取消选定,“定压模式”将被激活。
压力设定点“Psdemand”被设定为当前最新的压力设定点“Ps”上。
在“定压模式”下,操作人员可以对压力设定点加以调整。
当接收到“汽机已带负荷”的信号,或当压力控制器被切到“手动”位置时,“启动模式”也将被取消选定。
当系统未处于“启动模式”、“跟随模式”和“停机模式”时,旁路控制处于“定压模式”。
(4)跟随模式
当汽轮机主汽门开启后,由于主蒸汽压力下降,旁路阀将逐渐关闭。
旁路阀一旦关闭且汽轮机带负荷“turbineloaded”信号有效时,压力设定点发生器立即切换到“跟随模式”上,
自动跟踪锅炉主蒸汽压力信号变化。
下述三种状态之一成立时,将使旁路控制切到跟随模式:
1)当旁路阀关闭,且接收到DEH来的“汽机已带上负荷(HPturbineloaded)”的信号时;
2)当旁路阀关闭,且锅炉没有点火时;
3)当某种原因使旁路控制器从自动模式切到手动模式时。
(5)重新启动模式(restartmode)
如果启动时锅炉已经加压(例如机组在启动过程中,锅炉熄火后再点火启动),压力设定点发生器则进入“重新启动”模式,这时旁路阀将被关闭。
在“重新启动”模式下,压力设定点“Ps”为实测的主蒸汽压力,但这时只允许负的压力梯度。
一旦锅炉点火,压力开始增加,旁路阀将开始开启。
当旁路阀打开时,如果压力仍然低于“Psync”,则压力设定点发生器将进入“升压”模式;如果启动时的压力已经高于“Psync”,则设定点发生器将进入“定压模式”。
图13-1为启动过程中,高压旁路压力控制器在不同运行模式下的“压力/负荷/流量”随时间变化的曲线。
。
(6)带负荷运行模式
当主蒸汽压力达到启动汽轮机的压力(即冲转压力Psync)后,压力设定点发生器切换到定压控制方式。
蒸汽进入汽轮机后,汽机冲转,锅炉主汽压迅速下降,旁路阀开始关闭,直到汽轮机消耗掉锅炉生成的所有蒸汽并且旁路完全关闭。
这时旁路压力控制系统进入“跟随模式”。
在“跟随模式”下,旁路压力设定点“Ps”将跟随锅炉主蒸汽压力而变化。
主蒸汽压力
变化的最大梯度同时也受到限制。
并且一个压差“DP”阈值将被加到压力设定点“Ps”上,
以使旁路阀保持可靠的关闭状态,但仍然要限制压力设定点的最大梯度变化。
机组运行中,如果发现主蒸汽压力增至旁路压力控制器的设定点(“Ps+DP”)以上时,旁路阀又将开始开启。
设定点发生器将被切换到“定压模式”,使旁路压力控制器返回到压力控制模式,直到主汽压恢复正常,旁路阀再次关闭。
主汽压力设定值和旁路压力设定值与负荷变化的关系曲线如图13-2所式。
(7)停机模式
当工厂计划停机时,操作人员可选择“停机模式”。
只有当DEH“汽机已带负荷”信号在作用中,且旁路阀控制器处于自动位置时,才可选择“停机模式”。
一旦DEH的“汽轮机已带负荷”信号被撤消,“停机模式”将被取消选定,且设定点发生器将变到“定压模式”。
当锅炉停炉时,由FSSS来的“锅炉已点火”信号失去,旁路阀将关闭,且压力设定点发生器将切换到“跟随模式”。
在“停机模式”下,旁路压力设定点“Ps”将跟随主蒸汽压力而变化,但这时只允许负的压力梯度。
一旦锅炉压力开始增加,旁路阀开始开启。
当“停机模式”被取消后(汽机主汽门关闭,但锅炉尚未熄火),旁路设定点发生器将处于“定压模式”。
在“定压模式”下,旁路压力设定点发生器控制着锅炉实际主汽压力的变化。
当锅炉熄火后,旁路阀将逐渐关闭。
锅炉熄火且旁路阀已关闭时,旁路压力设定点发生器切换到“跟随模式”。
在“跟随模式”下,旁路压力设定点又将跟随实际的主蒸汽压力变化。
图13-3是“停机模式”下的“压力/负荷/主汽流量”及旁路阀门开度的变化曲线。
2、高旁压力控制器
高旁压力控制器接收实际的主蒸汽压力信号,并从高旁压力设定点发生器处取得压力设定点“Ps”,生成高旁阀阀位需求信号,高旁压力控制器的原理如图13-4所示。
根据机组启动时的要求,由高旁压力设定值程序产生压力给定值“Ps”,作为压力控制器的定值。
该值与主汽压力实际值进行比较,通过比例积分调节器输出高旁调节阀的开度控制
指令,调节高旁减压阀的开度,使锅炉主汽压力测量值“PT”符合机组运行的要求。
控制回路为一单回路反馈调节系统。
高旁压力控制器设计了一个手动/自动(M/A)站来控制旁路减压阀。
当下列条件之一满足时,高旁压力控制M/A站切到手动方式。
(1)主汽压力信号故障;
(2)主汽压力偏差过大;
(3)阀位控制指令与阀位反馈信号偏差过大。
当运行人员将“高旁快开联锁”投入,且高旁阀处于关闭状态下,如果下述条件之一满足,则高旁减压阀迅速打开。
(1)高旁在自动时,主汽压力大于设定值;
(2)由DEH来的信号“汽机跳闸”为有效;
(3)发电机开关跳闸时的快速降负荷。
当主蒸汽压力“PT”达到压力设定点“Ps”之上的快开压力极限值(即PT≥Ps+DPmax)时,也将产生高旁快开信号(HPBYPOPEN),在该信号作用下,旁路阀将由发给电磁阀的开启指令所开启,同时高旁压力控制器被设置为手动。
反之,当在旁路快关信号“HPBYPCLOSE”作用下,旁路阀也将由发给电磁阀的关闭指令所关闭,同时高旁压力控制器被设置为手动。
在“跟随模式”下,当“DPON”有效时,一个差压将被加到压力设定点“Ps”上,以使旁路阀保持可靠关闭状态。
3、高旁温度控制器
高旁温度控制器的作用是保证锅炉再热器冷端蒸汽温度在允许的范围内变化,高旁温度控制回路如图13-5所示。
通常旁路阀一经开启,温度控制器即被设置为自动模式。
当高旁喷水阀M/A站处于自动方式时,温度控制器从变送器处接收到实际的“高旁出口温度”信号,该测量信号与来自高旁喷水阀M/A站的操作员设定值进行比较,经过比例积分调节器输出高旁喷水阀控制指令。
当高旁减压阀关闭时,高旁喷水阀也同时被关闭。
当下述条件之一成立,温度控制器被设置到手动方式。
(1)高旁出口汽温信号故障;
(2)高旁出口汽温偏差太大;
(3)高旁喷水阀控制指令与阀位反馈偏差大。
4、喷水隔离阀控制
旁路系统中,每一个喷水调节阀都配置了喷水隔离阀,喷水隔离阀的控制只有两种状态,要么全开,要么全关。
高旁喷水调节阀一经开启,喷水隔离阀即开启。
当高旁喷水调节阀关闭时,喷水隔离阀又重新关闭。
二、低压旁路控制系统
低压旁路控制系统尽管与高压旁路控制系统一样相对独立,但低旁控制系统必须与高旁控制系统协同工作,并允许过量的蒸汽输送到凝汽器(过量的蒸汽不允许进入汽轮机)。
低压旁路控制系统通常由压力设定点发生器、低旁压力控制器、低旁温度控制器和凝汽器保护回路等部分组
成。
1、压力设定点发生器
在“最小压力”工况下,汽轮机没有冲转,压力设定点“Ps”被设置为最小压力“Pmin”。
如果要求更高的压力设定点,最小压力设定点也可由操作人员手动调大。
在“汽机带负荷”工况下(TurbineLoaded),压力设定点“Ps”是汽机调速级压力P1的函数,“Ps”随汽机负荷变化而形成滑动压力设定值。
压力/负荷/流量随时间变化的曲线如图13-6所示。
2、低旁压力控制器
本工程低旁阀数量为两个,分为A、B两侧,以A侧为例说明之。
低旁压力控制器的原理如图13-7所示。
压力控制器接收再热器热端实际测量出的再热蒸汽压力信号(变送器采用2取均值输出),由汽轮机调速级压力P1代表的机组负荷信号经过函数发生器f(x)输出的再热蒸汽压力设定值,该值与再热蒸汽压力实际值进行比较,通过比例积分调节器输出低旁压力调节阀的开度控制指令,保证再热蒸汽压力稳定。
回路为一单回路反馈控制系统。
当下述条件之一满足时,低旁调节阀M/A站切到手动状态。
(1)再热蒸汽压力信号故障;
(2)再热蒸汽压力偏差太大;
(3)控制指令与阀位反馈偏差太大。
低旁压力控制的另一个作用是对凝汽器提供保护,控制低旁阀的“LPBYPclose”指令由凝汽器保护开关产生,其触发条件有:
(1)凝汽器真空低(三取二有效);
(2)低旁阀打开时,凝汽器温度高;
(3)低旁阀打开时,低旁减温水压力低;
(4)凝汽器热井水位高。
当上述条件之一满足时,快速关闭低旁调节阀。
当“汽机跳闸”或“发电机开关跳闸”时,控制低压旁路阀的快开“LPBYPopen”指令起作用,迅速打开低旁调节阀。
当控制低压旁路阀的快关“BPclose”有效时,“BPopen”将被锁定。
3、低旁喷水阀控制
由于进入凝汽器的饱和蒸汽温度不易测量,低压旁路温度控制大都采用开环控制方式。
通常可以根据机组负荷(用汽机调速级压力P1来代表)、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、压力控制器的输出等综合信号与低旁喷水阀的开度来比较,其输出偏差通过PI调节器后作为低旁喷水阀的开度控制指令。
因为经过低旁减温器后的蒸汽通常接近或达到饱和,经过减温器后的温度不能作为控制信号。
因此,必须通过计算蒸汽流量和蒸汽工况才能得到必要的喷水流量和喷水阀位置。
反之,蒸汽流量为蒸汽工况和旁路阀阀位的函数。
低旁控制器提供必要的计算函数来进行计算,并且使用算出的喷水量作为喷水阀控制器的设定点。
低旁喷水阀控制原理如图13-8所示。
每个低旁喷水阀都设有一个M/A站,当下述条件之一满足时,低旁喷水调节阀M/A站切到手动状态。
(1)低旁喷水阀阀位信号故障;
(2)再热蒸汽压力信号故障;
(3)低旁前汽温信号故障;
(4)低旁压力调节阀阀位信号故障。
当低旁阀一开启,温度控制器即被设置到自动模式。
当低旁阀关闭时,喷水阀也关闭,且控制器被设置到手动。
4、低旁喷水隔离阀控制
在低压旁路控制系统中,同样每一个喷水调节阀都配置了喷水隔离阀,喷水隔离阀的控制只有两种状态,要么全开,要么全关。
低旁喷水调节阀一经开启,低旁喷水隔离阀即开启。
当低旁喷水调节阀关闭时,低旁喷水隔离阀也被重新关闭。
除调节回路外,低压旁路还带有联锁保护回路,如凝汽器真空过低、减压阀后某点温度过高或喷水阀关闭后,应立即将减压阀快速关闭。
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