超临界火力发电机组中压供热压力控制系统优化简析

引言

习近平同志在十九大报告中提出,要深化供给侧结构性改革。在电力产能过剩、竞争加剧的前提下,增强供给结构对需求变化的适应性和灵活性,提高全要素的配置已经成为整个火电行业发展的必然趋势,因此如何减低煤耗、推进火力发电机组的供热改造成为火力发电厂的重点生存课题之一,而保证机组供热系统稳定、长周期运行又成为重中之重。

本文针对福建华电可门发电有限公司(以下简称"可门公司")机组中压供热系统中蒸汽压力控制系统调节性能差,造成供热运行中热用户用热压力不足甚至中断供热等问题分析了原因,并提出了改进意见。

1存在的问题

可门公司拥有4台600MW超临界火力发电机组,汽轮机系上海汽轮机有限责任公司制造的超临界、中间一次再热、单轴三缸四排汽凝汽式汽轮发电机组,20l7年3月完成#2、#3、#4机组中压供热系统改造,并于4月l日正式向热用户供热。各台机组的中压供热蒸汽均抽取至冷段再热蒸汽(以下简称"冷再")母管,经减温减压器调节温度、压力后汇集至中压供热集箱,集箱出口至用户端。中压供热系统简图如图1所示。

可门公司供热由一台机组主供,其余机组供热处于热备用状态。自投运以来,压力控制系统存在问题逐渐显现,虽然压力控制采用闭环的PI调节,但无论如何调整PI参数,均不能较好地稳定供热压力,在实际运行中压力调节阀始终处于频繁大幅调节状态,供热压力随之出现大幅波动现象,甚至调节发散最终导致压力调节系统切除自动。

供热管道就地压力调节阀采用电动执行机构,在阀门调节动作的过程中,经常存在阀门实际动作幅度与阀位反馈不一致现象,电动调节阀不能准确动作到位,也进一步加剧了压力控制系统的不稳定性。

供热系统压力控制不稳定增加了供热管网的热损耗,也增大了机组的供热煤耗,严重影响了热用户的生产运营,造成热用户的设备加热不均匀甚至减产等不良事件。同时,供热压力大幅波动对供热机组的冷再压力也会产生不利影响,进而影响机组安全运行。

2原因分析

针对以上问题分析原因:

(l)可门公司供热压力控制系统采用出口压力作为被控参数,是单纯的反馈闭环自动控制系统,压力调节控制逻辑如图2所示。主要热用户是一家大型化工厂,由于其生产工艺流程的特殊性,该用户对热需求量瞬时变化较大,lmin内的最多升降可达60t/h。当热用户需求量瞬间增大时,供热蒸汽流量迅速增加,供热压力调节阀无法及时开启会导致蒸汽管道压力快速降低,供热压力不足:供热压力调节阀开大调压时,热用户需求量开始大幅降低,供热蒸汽流量随之减少,调节阀无法快速做出响应,会导致供热超压。因此,频繁大幅变化的供热流量作为一个主要干扰因素影响了中压供热系统的压力控制。

(2)由于大电网技术管理需要,当电网频率偏差时调度中心通过自动发电控制(AGC)装置调整机组负荷,机组在投入AGC时负荷可能会出现大幅升降,进而影响机组各主要物理量参数。中压供热蒸汽抽取自冷再母管,因此当母管内蒸汽压力出现大幅变化时,也会影响供热系统压力控制。尤其是当机组夜间进行深度调峰,负荷降低至330MW甚至更低时,机组冷再压力可低至2.2MPa,经过抽汽口节流及管道疏水等因素影响,根据供热压力调节阀的流量特性,阀门要保持100%的开度才成保证用户对供热压力2MMP的要求,此时阀门已经失去基本调节作用。由此可见,冷段再热蒸汽压力频繁变化或压力过低同样会影响中压供热系统的压力控制。

(3)就地供热管道由于阀门节流作用导致管道振动频率高、幅度大,压力调节阀安装于水平管道正上方,受供热管道大幅振动影响,调阀电动执行机构内部测量阀位变化的电位器齿轮与传动齿轮出现啮合不到位,即齿轮打滑现象,电位器的反馈电流无法匹配实际阀位,进而导致压力调节阀实际开度过大或过小,严重影响供热压力的调节。

3改进措施

通过分析原因,可以制定以下对应的改进措施:

(1)可门公司中压供热压力控制系统是一个基于出口压力偏差控制的反馈控制系统。若控制系统中存在一个或多个干扰量,当干扰发生时,如果被控量尚未变化,偏差等于零,反馈控制器就不会产生调节作用,此时反馈控制总是要滞后于扰动,并不能及时消除偏差。而在此基础上加入扰动补偿控制(或称为"前馈控制"),可以在被控量还未发生变化时,让控制器先做出调节,就能够及时补偿干扰对被控量的影响。中压供热压力控制系统作为一个单纯的闭环控制系统难免存在稳定性问题,只要干扰因素存在,作为被控量的供热出口压力就会变得难以控制。在此系统中主要的干扰因素就是供热出口流量和冷再压力,这两个物理量可通过变送器进行准确测量,将它们作为前馈加入中压供热压力控制系统,组成前馈一反馈控制系统。通过观察冷再压力与中压供热压力设定值的差值和中压供热压力调节阀开度之间的关系,建立函数f(x)。同时考虑当热用户侧流量需求减少甚至为0时,前馈也应当减小直至为0,因此将函数f(x)乘以由中压供热流量得出的系数作为前馈分量加入中压供热压力控制系统,经过优化后的控制逻辑图如图3所示。

(2)中压供热压力调节阀的电动执行机构为一体化安装形式,根据其结构功能不同可将执行机构分为控制部分和传动部分,现将控制部分与传动部分分离,其中传动部分继续与阀门保持正常连接,在蒸汽管道旁的地面上设置支撑架,将控制部分安装于相对静止的支撑架上,通过传输电缆将控制部分与传动部分相连,这样就可以避免电动执行机构的电位器等零部件因管道大幅振动受损进而影响执行机构的正常控制。经过分体改造后的安装情况如图4所示。执行机构经分体式改造后既能保证控制部分的相对独立,又能使整个执行机构继续正常地受控和动作,不失整体性,又增强了稳定性。

(3)依据前文所述,机组负荷过低同样会影响中压供热系统的压力控制[9]。由于供热管线至用户端较长,沿途有压力损耗,因此在供热端适当提高出口压力设定值至2.05MMP,确保热用户供热压力2MMP的需求。在机组冷再供热抽汽流量一定的工况下,结合机组安全稳定运行时所能达到的最低负荷进行综合分析,在保证机组冷再供热抽汽参数达到设计要求的情况下,确定机组不同供热流量对应的最低电负荷。调取运行曲线查询机组在不同负荷下冷再压力、最大供热出口流量及此时压力调节阀开度等数值,同时根据热用户每日平均瞬时供热量90t/h的要求,观察表1可见,负荷在a80MW以下时,维持供热出口压力2.05MMP需要压力调节阀100%的开度,阀门失去调节作用。通过试验得出结论,只有机组负荷保持在390MW及以上时,才能保证供热出口压力可控可调。

4效果检查

对可门公司#a机组中压供热压力控制系统软硬件进行优化改造后,于2016年6月10日重新投入运行并测试其稳定性。经过连续一周时间的运行测试,调取此段时间内的运行参数曲线,可以发现中压供热压力控制系统的稳定性有了大幅提升,其中压力调节阀动作指示正常,供热出口压力控制平稳,没有出现压力大幅震荡导致供热退出自动甚至切除的情况。

可门公司通过对供热过程中机组及热用户运行情况的探索和分析,制定合理方案,彻底优化改造了机组中压供热压力控制系统的软硬件设备,提高了压力控制的稳定性,进而保证了中压供热系统的平稳、高效运行。供热压力控制稳定,减少了供热安全阀泄压及管道输水导致的热损耗,大大降低了机组的供热煤耗。

5效益

(1)经济效益:在对#3机组中压供热压力控制系统优化改造前由于压力控制系统调节不稳定经常中断供热,通过优化改造,供热稳定性大幅提升,#3机组的供热煤耗由40.21kg/t降低至38.42kg/t,按#3机组2017年全年供热量474536t,同年的标准煤价格850元/t计算,可以为公司节约标煤474536x(40.21-38.42)/1000≈849.42t,节约资金849.42×850/10000≈72.2万元。

(2)社会效益:该项目适应国家对能源企业供给侧改革的要求,增强了火电企业机组供热的稳定性和经济性,提升了企业在供热市场中的竞争力,提高了知名度,为公司继续开拓供热市场打下了坚实基础。同时,也为其他火电厂同类型机组中压供热系统所出现的类似问题的处理提供了充分的借鉴依据,改造经验值得推广。

6结语

目前,可门公司已完成#3机组中压供热压力控制所有改进措施的实施。通过对这台机组供热情况近一年的运行观察,机组供热高效、稳定,没有出现任何故障。实践证明,各项优化改进措施都卓有成效,能适应各种运行工况变化的考验,大大提高了机组的安全性和可靠性。后续将结合实际运行情况对其余供热机组进行相应的优化改造。