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1000MW超超临界机组热控设计特点介绍
发表时间:2006-4-29
作者：金黔军 摘要：
针对超超临界机组而言，热控设计在以下几方面进行了一些特殊的考虑，即机组控制系统总体方案的确定、P&ID图中现场检测仪表测点的配置、仪表选型、分散控制系统的选择与配置和功能规划、主要成套配供控制装置的选择等。 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。由于目前国内1000MW等级超临界机组中只有外高桥二期已投入商业运行，所以我们在玉环电厂工程的设计准备阶段对外高桥二期的热力系统热控设计进行了相关的研究，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，并和三菱公司的工程技术人员交流1000MW等级超超临界机组设计的经验。
在施工图设计阶段，经过各方多次讨论，我们觉得超临界机组直流炉机组与亚临界汽包炉机组的主要区别在锅炉本体部分。超超临界机组较超临界机组而言，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，我们最终确定超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。
下面我们就热力系统中主要部分的热控设计进行论述。 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的控制
在外高桥二期工程中，该系统中的疏水采用调节阀进行控制。疏水调节阀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;或者根据主汽/再热蒸汽压力与疏水阀开度之间的对应函数曲线确定疏水阀门开度，从理论上讲这种控制方式对疏水控制来讲更为合理，可以更加准确地控制疏水的排放点。按照我们的常规设计，主汽/再热蒸汽疏水阀是根据机组负荷值来决定疏水阀的开启和关闭的，疏水阀采用开关式气动阀门。采用常规设计可能会造成一部分蒸汽排入凝汽器，造成热量浪费。但是在实际工程设计中，调试单位也有人认为，疏水阀门前后差压太大，疏水调节阀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是非常困难的。所以在目前机务专业设计中，还是将疏水阀门设计为开关式气动阀门。在热控专业实际设计中，我们在疏水管道上考虑了温度测点，以便在日后逻辑设计中确定疏水管道中介质是否达到饱和温度，用以确定何时开启疏水阀门。 (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，需要主蒸汽流量信号参与调节，主蒸汽流量信号基本采用汽机第一级压力计算获得。超临界直流锅炉的关键任务是主蒸汽温度的调节，过热汽温可通过给水量与燃料量的调节来实现。在实际运行中，由于给煤量的控制不可能很精确，因而只能把保持煤水比作为粗调，而另外用喷水减温作为细调。调节时，利用煤水比手段保持中间点温度在一定值(一般采用汽水分离器出口温度)，中间点至过热器出口之间采用喷水减温器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参与，而且在直流运行工况下，主蒸汽流量等于给水流量。我们查阅了外高桥电厂二期的设计资料发现，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以及其它调节回路中设定值的计算。在玉环电厂工程中，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机DEH控制中需要主蒸汽流量测量信号，当主蒸汽流量低于15%时，汽机将限制升速速率。由于西门子的汽轮机又没有第一级压力，所以我们在锅炉一级过热器出口还是装设了流量喷嘴。该测量装置由于装设在高温高压环境，设备费用相当昂贵，而且还会造成较大的管道阻力损失。所以，在以后设计中，如能确定汽机DEH控制中不需要或DEH自己能够计算主蒸汽流量的话，还是不要装设主蒸汽流量测量装置。 (3)汽机旁路控制系统
超临界机组的汽机旁路系统与亚临界机组在控制方面基本上没有区别。外高桥二期工程设计了100%的旁路系统，旁路装置作为锅炉安全门，同时还用于机组启动、FCB、RUNBAC等工况。在玉环工程中，旁路系统主要用于机组启动，所以对控制系统也没有提出特别的要求。目前工程设计中趋向于将旁路控制纳入机组DCS中。当然，将旁路控制放置在DCS中有其优点，如主蒸汽、再热蒸汽压力测点与MCS系统合用，控制系统硬件统一，便于电厂检修人员日后培训和维护。但是，旁路控制放到DCS中之后，旁路系统厂家将不提供原有的一些具有特色的控制策略，如状态观测器等控制算法，而采用常规PID控制算法予以替代。当然，从目前一些项目实施的情况来看，还没有出现什么明显的不良状况。 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。超临界直流锅炉启动时，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。当过热器入口焓值上升到定值时，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(燃水比控制蒸汽温度)。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安装的位置。正确的位置是装设在启动再循环管路之后，这样可以保证给水流量测量值能够适应各种运行工况:在锅炉启动阶段，测量装置测量的是启动循环水流量;在直流运行状态为机组给水流量。如果测点装设在启动再循环管之前，在锅炉启动阶段，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MFT保护逻辑中给水流量低低(<25%)保护信号，造成不必要的保护动作。为了提高流量测量精度，在外商原设计中，给水流量测量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。考虑到现在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一种变送器，具体效果如何要在实际运行时加以验证。 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本相同。电动启动给水泵出口给水流量调节阀及电动给水泵液力耦合器的控制是一个较为复杂的问题。我们在设计中参考了三菱公司的典型设计和西门子公司在外高桥电厂二期中的设计思路。在机组启动阶段，由电动启动给水泵出口的旁转调节阀负责调节给水流量，调节阀根据阀门前后差压进行调节，等给水流量进一步增大之后切换至电动启动给水泵的液力耦合器，通过液力耦合器的勺管位置调节电泵转速，从而调节给水流量，使之满足负荷变化要求。总之，就热控设计来说，1000MW超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，其它并没有太大的变化。
4.凝结水系统
常规设计中，除氧器水位在正常运行工况下采用三冲量调节(给水流量、凝结水流量、除氧器水位)，主要通过除氧器水位调节阀进行控制。外高桥二期凝结水系统热控设计与常规设计有较大区别。该设计中，除氧器水位偏差信号直接作用于凝汽器补水阀调节，同时该水
位偏差信号还作用于除氧器水位调节阀，除氧器水位调节阀的开度还需兼顾凝汽器水位和凝结水泵流量。这样，在除氧器水位发生变化时，可以从源头上预先对凝汽器水位进行干预，确保除氧器水位调节阀能够在很快的时间内将除氧器水位调整到设定值要求。这种设计可以缩短系统调整时间，加快除氧器水位调整的系统响应速度。
另外，在常规设计中，轴封加热器出口和凝结水泵再循环管路上均需装设流量测量装置，用于测量凝结水流量。而上述设计没有采用三冲量调节，因此凝结水流量信号也就不需要。我们在系统中只装设了凝结水泵出口的流量测量装置，用于凝结水泵最小流量调节，系统相对更为简单。在玉环电厂的设计中，我们参考了外高桥电厂二期的设计方案。
凝结水系统热控设计中的另外一个问题，就是凝汽器液位的测量。由于高低压凝汽器之间有连通管，制造厂认为低压凝汽器液位是由高/低压凝汽器之间差压决定的，液位测量装置只需在低压凝汽器一侧安装就可以了。该液位信号可用于汽机保护和凝结水泵的联锁控制。另外，为了便于运行人员了解实际运行时低压凝汽器的液位，我们在低压凝汽器一侧也装设了1只液位变送器，用于远方显示。 5.抽汽系统
在抽汽系统热控设计中，我们遇到的主要问题是汽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的汽轮机。按照西门子汽轮机的设计，汽机抽汽逆止门控制放在汽机DEH中。抽汽逆止门的前后装设有差压变送器，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，按照我国汽机防进水设计规范，在抽汽管道第一个逆止门前的水平管段上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。但我们发现在国外设计中，抽汽管道第一个逆止门前的水平管段上并未装设上下温度测点。由此看来，国外汽轮机制造厂采用了自己长期积累的经验做法，并未完全遵循汽机防进水的标准。但为满足我国的汽机防进水设计规范要求，我们在抽汽管道逆止阀后第一个水平管段上的顶部和相应位置的底部各设置了一对温差热电偶，以监视管内是否积水，温差大时在控制室报警;并且为了监测积水，我们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一支热电偶，根据这两支热电偶的温差来判断管道中是否有水存在。由于不同国家采用的设计标准要求不同，各国在汽机防进水设计方面可能会存在一些差异。因此，从我们设计的角度来说，必须首先满足国家标准规范，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。
此外，由于抽汽逆止阀的控制放在DEH中，而加热器液位信号是接入DCS的，所以就必须将液位高高加热器隔离信号送到DEH，这样在一定程度上增加了DCS与DEH之间的接口信号数量。
二、超超临界机组锅炉本体设计的一些特点 1.汽水分离器的液位控制
直流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，汽水分离器的液位需要控制在一个较大范围之内。以玉环电厂工程的三菱锅炉为例，其锅炉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依靠启动循环泵出口的调节阀进行控制;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三个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.水煤比控制
直流锅炉的主蒸汽温度主要通过水煤比进行调节，因此水煤比指令信号的计算极为重要。以玉环电厂工程的三菱锅炉为例，其水煤比信号指令来源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联箱蒸汽过热度偏差和二级后墙过热器入口母管中蒸汽过热度偏差。即:水煤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能够控制在一定范围。当水煤比无法控制超限、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、热控主要检测仪表的选型 1.热电偶、热电阻
超超临界机组的热力参数较亚临界和超临界机组均有较大程度的提高，玉环工程主蒸汽的蒸汽设计参数是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，我们邀请上海自动化仪表公司的技术人员就超超临界参数对热电偶套管的壁厚、插入深度、材料强度等方面进行专门的课题研究。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，并开发出了相应的产品。
以前在热电偶选型上趋向于选择E型热电偶，其主要原因是E型热电偶适用范围广、价格便宜、强度较高。鉴于超超临界机组高温测点数量相对增加，我们与相关制造厂就热电偶的选型进行了技术交流。厂家认为，E型热电偶在大多数情况下使用效果良好，但在温度大于500℃时易产生氧化，所以在测量温度高于500℃时建议采用K型热电偶。我们在玉环电厂工程设计中采取了厂家建议的方案。
在热电偶套管材料的选择上，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。由于目前国内对异种钢的焊接均需要进行特别培训和工艺评定，程序较为复杂，所以尽一切可能避免异种钢焊接现象。电厂一般也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P91)的锻件制作热电偶套管。对于制造厂来说，采用P92或P91制作管道没有什么大的问题。但是，在主蒸汽和热再热管道上采用P92和P9l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，可能还是要在日后运行过程中进一步观察了解。 2.变送器
变送器在热控现场检测仪表中占据了较大比例，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，1000MW超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。需要注意的是，超超临界机组的管道压力参数较亚临界和超临界机组高一些，在对主蒸汽管道和给水管道压力变送器选型时(以ROSEMOUNT变送器为例)，305lC型产品的量程已无法满足要求，只能选305lT型。但应注意，305lT为压阻型产品，305lC为电容膜盒式，所以只要量程适合，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管道的工作压力要求。我们发现高压给水管道中差压变送器静压达到40MPa，所以305lC产品就可能无法满足要求，我们在工程设计中选择了3051S型产品。 另外，在选择变送器量程时还应注意，量程选择应根据机务专业提供的管道工作参数，而非设计参数。一般来说，机务专业提供的管道设计参数有时与工作参数相差较大(可能是由于与参数靠档的缘故)，如果按机务提供设计参数选择量程，则会对测量的精度产生影响。因此，在这方面应提醒机务专业。
四、分散控制系统(DCS)的选型和配置
分散控制系统是全厂过程控制的大脑中枢，系统设计状况直接与日后的生产运行息息相关。通常情况下，一套系统设计完成定型之后再要进行大规模改造是非常困难的。因此，尽管DCS的价格已越来越低，但几乎每个工程对DCS的选择和配置都极为关注。
总体来说，一套DCS系统的性能与控制系统硬件(包括系统软件、网络)以及工程应用软件设计两个方面相关。目前，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日益缩小，而在工程设计能力方面还存在差异。
考虑到国内工程公司不具备1000MW超超临界机组工程设计经验，我们在DCS招标准备阶段，邀请国外主流DCS厂商就1000MW等级超超临界机组的控制系统设计、控制策略进行了交流，尽可能掌握市场上各DCS厂家的超超临界机组DCS系统运行状况、厂家工程设计能力。在玉环电厂工程标书编制过程中，I/O点数量和类型的确认也是一个较为困难的问题。