S109FA燃气-蒸汽联合循环机组及其控制系统

1、S109FA燃气-蒸汽联合循环机组及其控制系统发电设备(2007No.5)S109FA燃气.蒸汽联合循环机组及其控制系统黄红艳,陈华东,吴国忠(1.浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;2.浙江省电力设计院,浙江杭州3100l4)摘要:介绍了镇海发电厂S109FA燃气.蒸汽联合循环发电机组的热力系统,设备及其特点.详细地阐述了控制系统的功能,结构及特点,以及后备紧急手操按钮的设计;后备紧急手操按钮可确保机组在控制系统发生全局性或重大故障时能安全停机.关键词:能源与动力工程;燃气轮机;联合循环;控制系统;功能中图分类号:TM611.31文献标识码:A文章编号:1671-086X(2007)

2、05-0347.04S109FAGas-steamCombinedCycleSetanditsControlSystemHUANGHong.yan,CHENHua.dong2,WUGuo.zhong(1.CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;2.ZhejiangProvincesPowerDesignInstitute,Hangzhou310014,China)Abstract:Anintroduction,tothethermalsystemandthepertainingequipmen

3、t,togetherwiththeirpartieuterlties,ofZhenhaiPowerPlantsS109FAgas-steamcombinedcyclepowergeneratingset,isbeingpresented.Thefunctions,build-up,aswellastheparticularities,ofthecontrolsystemaredelineatedindetails,togetherwiththedesignoftheauxiliarypushbouonsforemergencymanualmanipulation,withwhichsurest

4、oppageofthesetcanbewarranted,incasethecontrolsystemincurrsatotalbreakdownorserousfault.Keywords:energyandpowerenneefing;gas-turbine;combinedcycle;controlsystem;function我国在十五期间进行了3次捆绑招标,引进美国通用电气(GE),德国西门子和日本三菱3种F级大功率单轴机组共54套,总装机容量达20000MW,其中GE公司的9F型燃气轮机已在江苏戚墅堰,张家港,浙江半山,镇海,广东珠江等电厂相继投产发电.本文主要介绍镇海电厂S109

5、FA型燃气.蒸汽联合循环发电机组的热力系统,工艺设备,控制系统的特点以及后备紧急手操按钮的设计.1联合循环机组的热力系统及设备燃气.蒸汽联合循环机组的工作原理为:空气经压气机压缩,与燃气一道进入燃烧室燃烧,产生高温燃气经喷嘴喷向叶轮,燃气膨胀做功,推动叶轮旋转驱动发电机输出电能,实现热电转换的循环过程;燃气轮机的高温排气经余热锅炉加热水产生蒸汽进入蒸汽轮机做功推动叶轮旋转,驱动发电机输出电能,从而实现联合循环过程.镇海电厂联合循环发电机组的热力系统流程图见图1.镇海电厂共建设2套由GE公司提供的S109FA单轴燃气.蒸汽联合循环发电机组,每套包括1台250MW级的燃气轮机,1台100MW级的蒸

6、汽轮机,1台350MW级发电机和1台无补燃三压再热型余热锅炉及其辅助设备.联合循环的出力为390401MW,净热耗小于6350kJ,(kW?h),效率为56.7%.收稿日期:2007.03.25作者简介:黄红艳(1970一),女,副教授,在职研究生,主要从事电厂热工自动化的教学与科研工作.发电设备(2007No.5),.qlOgFA燃气.蒸汽联合循环撬组及其控精系统空气燃料高压中压给查孑/给W水N泵羹l冀襄i普恒Il挺I导汽埔H图1S109FA燃气-蒸汽联合循环发电工艺流程翻燃气轮机的型号为PG9351FA,额定转速为3000r/rain.压气机为18级轴流式,压比为15.4,燃烧室为分管回流

7、式,由18个干式,低NO燃烧器组成.汽轮机的型号为D10,双缸(高,中压缸和低压缸)下排汽,额定转速为3000r/min.在设计条件下(性能保证工况),高压蒸汽压力为9.679MPa,中压蒸汽压力为2.182MPa,低压蒸汽压力为0.3913MPa.发电机的型号为390H,全氢冷.余热锅炉为卧式,自然循环,三压,再热,无补燃,露天布置.燃气轮机,汽轮机和发电机由GE成套供货,而余热锅炉则由哈尔滨锅炉股份有限公司配套(引进意大利阿尔斯通技术).2压气机,燃烧室及燃气透平的特占,I,燃气轮机的压气机,燃烧室,燃气透平是9F级燃气轮机的核心部件.PG9351FA机组的压气机是18级轴流式,压缩比15

8、.4:1,空气流量为645kg/s的多级轴流式压气机,头两级为跨音速级,带一级可转导叶.轴流式压气机由压气机转子和封闭的气缸组成.压气机气缸内有:进口导叶,十八级转子和静叶,两排出口导叶栅.每相邻的动叶和静叶组成一级.在每一个级内,动叶片吸收外加的功转换成压缩空气的压力,而静叶片则引导空气以合适的角度进入下一级.压缩空气从压气机排气缸出来进入燃烧室.从压气机级间抽出的空气用作透平喷嘴,轮间和轴承的冷却和密封空气用,在启动过程中抽气作为喘振控制用.PG9351FA燃气轮机采用分管式结构的干式?348?低NO单级预混燃烧室(DLN.2.0+型燃烧室).在压气机排气缸的外缘,周向布置着18个逆流分管

9、式DLN.2.0+燃烧室,配备有2只高能火花塞点火器,上部4个燃烧室还装有火焰探测器,每个燃烧室配5个燃料喷嘴和1个动压力探头.由压气机排气缸排出的压缩空气经喷嘴上的旋流器进入预混合室,与由燃料喷嘴喷出的燃料气进行预混合,混合物经预混合管流人火焰筒燃烧.由于燃烧技术已很成熟,燃气轮机燃烧室的燃烧效率几乎近100%,因此排气中未燃烧的碳氢化合物(UHC),一氧化碳(co)含量极其微小,可以满足环保要求.而天然气中含尘量和含硫量极低,因而排气中烟尘和SO污染物极少,当前燃气轮机排气中NO是主要的污染物.DLN.2.0+型燃烧室通过把天然气与空气预先混合成为均相稀释的可燃混合物,然后使之以湍流火焰传

10、播方式通过火焰面进行燃烧.这时,火焰面的燃烧温度将和实时燃料,空气掺混比值相对应,通过对掺混比数值的控制,使火焰面的温度永远低于空气中N:和0:起化学反应生成NO的起始温度1650oC,这样就能控制热NO的生成.PG9351FA燃气透平是三级轴流式透平,包括:透平转子,气缸,喷嘴,复环,排气框架和排气扩压器.GE公司在其9F级燃气轮机透平上大量应用先进的航空材料和冷却技术,例如第1,2,3级动叶采用定向结晶材料GTD.111,以提高动叶的蠕变寿命,热疲劳寿命和抗拉伸应力,第1级喷嘴采用含碳量较低的FSX.414钴基超级合金材料,以提高喷嘴的抗氧化和耐腐蚀性能;在冷却方面则采用了对流冷却,冲击冷

11、却,气膜冷却等多种技术,使透平的性能比原有的9E机组提高了许多.3SlO9FA联合循环机组的特点(1)燃气轮机为整体式,结构紧凑,占地小,安装方便.单台燃气轮机主机占地大小约为6740=2680m2,单套联合循环(不含水处理,制氢站,天然气调压站等辅助车间)占地大小约为15052=7800m2.(2)燃气轮机为冷端(压气机端)驱动,轴向排气,排气扩压器可直接与余热锅炉相联,有利于S109FA燃气.蒸汽联合循环机组及其控翻系统发电设备(2007No.5J减少流阻损失,优化余热锅炉的布置,也便于发电机转子抽芯.(3)单轴机组,燃气轮机与汽轮机间无离合器.燃气轮机与余热锅炉间无旁路烟道,燃气轮机不能

12、作简单循环运行,必须是以联合循环运行.(4)效率高,燃气透平初温高达1300oC,而凝汽器的温度小于36,由勃莱敦循环和朗肯循环构成的联合循环效率远高于其它机组,燃气轮机的效率为36.9%,联合循环的效率可达56.7%.(5)机组启,停速度快,调峰性能优越,机组极热态启动可在60min时带满负荷,热态启动可在80min时带满负荷,温态启动在130min时带上满负荷,冷态启动在190min时带满负荷(以上为合同值).4联合循环机组控制系统4.1联合循环机组控制系统的网络结构每套联合循环的控制系统包括以下两部分:燃气轮机,汽轮机,发电机等由GE公司配供的MarkVI控制,余热锅炉,旁路,辅助蒸汽,

13、循环水系统,厂用电,发电机.变压器组等由DCS控制.MarkVI与DCS的连接通过冗余的双向通讯联系和少量硬接线来实现,运行人员在中央控制室通过DCS的人机接口实现对整个联合循环机组的监控.镇海电厂联合循环机组的控制系统网络结构图见图2.l号机组DCSl号机组DCSl号机组DCSl号机组DCS2号机组DCS2号机组DCS2号机组DCS2号机组DCS操作员站历史数据站工程师站OPC服务器操作员站历史数据站工程师站OPC服务器现场I,0现场FO现场FO现场l,O现场I/O现场I/O现场FO现场l,O图29F联合循环机组控制系统网络结构图4.2I)CS的主要控制功能制等.DCS采用西屋公司的OVAT

14、ION控制系统,系4.3MarkVI的主要控制保护功能统可实现数据采集DAS,模拟量控制MCS,顺序控由GE公司配供的MarkVI是一个应用微处制SCS,电气开关控制ECS等功能.单台机组和2理器的三重冗余控制系统,它是燃气轮机的核心台机组公用系统的控制器及I/O点配置见表1.控制系统,包含调节,顺序控制和保护三大功能.DCS控制主要包括以下内容:余热锅炉高,(1)调节控制功能:主要包括启动控制,转速中,低压汽包水位控制,高压过热蒸汽温度控制,控制,加速度控制,温度控制,压气机进口导叶再热蒸汽温度控制,低压给水温度控制,中压蒸汽(IGV)控制,燃料控制等.启动控制系统是在启压力控制,高压旁路控

15、制,低压旁路控制,疏水控动过程中控制燃气轮机的燃料需要量;转速控制发电设备(2007No.5)表1DCS系统配置表系统控制器数量/对1/0数量/点系统是燃气轮机最基本的控制系统,带动发电机时用有差转速控制,带动压气机或泵时用无差转速控制;加速控制系统是限制转速增加过程中的加速度,在启动过程中可限制加速率,减少热冲击或在甩负荷后可抑制动态超速;温度控制系统是控制流入燃气轮机的燃料量以维持运行温度,使燃气轮机部件的热应力在设计的范围内;IGV控制系统在正常负荷运行过程中控制燃气轮机排气温度的极限或在启,停过程中提供压气机的喘振保护;燃料控制系统根据其它系统所确定的燃料阀基准行程FSR来确定进入燃烧

16、室的燃料总量.(2)顺序控制功能:主要包括燃气轮机启动和停机顺控.启动顺控是从启动压气机,带动燃气透平转子转动,燃气轮机点火,转子加速直至额定转速的过程,其中包含了一系列的辅助系统和燃料控制系统的顺控命令;停机顺控是从发出停机指令,减负荷,逆功率跳发电机,启动辅助油泵,关闭压气机进口可调导叶,惰走,冷却盘车至停转的过程.(3)保护系统功能:主要包括超速,超温,振动,灭火,燃烧监测,润滑油压低,润滑油温度高,凝汽器真空低,汽轮机排汽温度高等保护功能.保护系统是独立于控制系统的,在控制系统故障或失效的情况下仍可安全停机.保护的关键参数和保护模块采用三重冗余结构,控制逻辑为3取2表决,保护停机信号输

17、出后通过切断燃气轮机进气阀达到安全停机.5联合循环机组的后备紧急手操为确保当DCS发生全局性或重大故障时联合循环机组能紧急安全停机,系统设置了以下独立于DCS的紧急按钮:调压站母管紧急关断(ESD)按钮,联合循环紧急跳闸按钮,凝汽器真空破坏阀硬手操按钮,发电机出口断路器紧急跳闸按钮,柴油机紧急启动按钮,直流润滑油泵,密封油泵紧急启动按钮,高(中,低)压汽包紧急放水阀手操按钮,高(中,低)压汽包向空排汽阀手操按钮.天然气调压站为全厂燃气轮机的公用系统,当全厂发生火灾或其它紧急情况时,首先应通过紧急按钮关断燃气入口母管紧急关断阀,切断全厂的燃料源,以确保电厂的安全.紧急关断按钮采用双按钮常闭接点并联常带电的设计方案,以防误动作或误操作,提高系统的可靠性.联合循环紧急跳闸也设置双按钮,每个按钮的常闭触点分别送给汽轮机MarkVI控制