燃气轮机变工况运行时中压汽包水位波动原因及分析

1、燃气轮机变工况运行时中压汽包水位波动原因及分析发表时间:2008-6-30作者：孙承志,孙钰,李子冲摘要：一、系统概述    前湾燃机电厂日本三菱公司M701F燃气轮机(简称M701F燃机)燃气-蒸汽联合循环机组配套的余热锅炉为杭州锅炉厂制造的三压、再热、无补燃、卧式、自然循环炉，单台机组额定出力390MW，其中燃气轮机约260MW，汽轮机约130MW。    余热锅炉分高、中、低压3个部分。其中，主蒸汽进入汽轮机高压缸做功后排汽进入冷段再热管道，与来自余热锅炉中压过热器的蒸汽汇合进入再热器，然后进入汽轮机中压缸做功，具有高、中、低压

2、旁路系统，高压主蒸汽旁路与再热器冷段相连，中低压主蒸汽旁路与凝汽器相连。机组热力系统见图1。                  在机组变工况运行时，高、中、低压汽包的水位均有所波动。由于中压汽包容量小(内直径1250mm)，运行时汽包正常水位为-100mm，水位高跳机值为+200mm，水位低跳机值为-35Omm。在某些工况下，中压汽包水位波动较大，甚至可能因其水位过低导致跳机。    机组运行时，

3、中压汽包水位与高、中压旁路阀动作密切相关，本文依据旁路阀的控制模型和逻辑，结合运行调试中的实际情况，分析了变工况条件下中压汽包水位波动较大的原因。二、汽轮机高压旁路阀控制模型    汽轮机高压旁路阀与中压旁路阀的控制模型完全相同，只是参数不同。    旁路阀开度指令y的函数为:              式中，K、T、L、H为常数，通常K=l.2，T=2，L=-2，H=l02;x(t)=p(t)-

4、ps(t)；p(t)、ps(t)分别为主蒸汽压力的实际值和设定值，MPa，两者均为时间t的函数。    由式(1)可知，对旁路阀的控制是确定ps(t)。当y0，表明旁路阀具有全关指令;当y100，表明旁路阀具有全开指令。因此，在M701F燃机的控制系统中，旁路阀控制具有最小压力、后备压力、实际压力3种控制模式，并且提供了ps(t)的不同算法。2.1 最小压力控制模式    在机组点火至旁路阀全关(即汽轮机的起动结束)期间，ps(t)是机组负荷(P)的函数：      

5、0;           机组从点火到负荷达到86MW期间，ps(t)的算法较复杂，需要综合考虑蒸汽温度与汽轮机缸体温度的匹配等。若设机组点火时刻为t1，则在t1时刻，ps(t)=p(t)。之后，ps(t)根据蒸汽压力、温度及汽轮机缸体温度的变化，缓慢增加至5.29MPa后，维持该值不变，直至机组负荷达到86MW。2.2 后备压力控制模式    旁路阀全关后，即进入后备压力控制模式。停机时调节阀关闭，退出后备压力控制模式。在后备压力控制模式下，总是ps(t)p(t)

6、，因此旁路阀始终保持全关状态，其函数为:                  前湾燃机电厂主蒸汽压力额定值为9.93MPa，虽然式(3)给出了p(t)l0.5，15的范围，但机组实际运行中p(t)不超过l0MPa。2.3 实际压力控制模式    实际压力控制模式适用于从机组停运到机组下次起动点火前的控制。在停机时调节阀开始关闭(设为t3时刻)，旁路阀从后备压力控制模式切至实际压力控制模式，即令ps(

7、t)=p(t3)，并一直维持到下一次机组点火之前。    以某日机组起停曲线(图2)为例，说明上述3种控制模式的适用情况。                  由图2可知，机组起动前，旁路阀为实际压力控制模式(t0时刻)。机组起动(t1时刻)，机组点火ps(t)= p(t)，此时旁路阀转入最小压力控制模式。ps(t)根据蒸汽压力、温度及汽轮机缸体温度的变化，缓慢增加至5.29MPa(t4时刻)。在t

8、5时刻，机组负荷升至86MW，此时ps(t)适用式(2)。在机组点火初期，主蒸汽压力低，旁路阀全关，随着主蒸汽压力的上升，旁路阀逐渐打开。当汽轮机具备进汽条件后，主汽阀以一定的速率打开，此时p(t)会下降，为了维持p(t)=ps(t),旁路阀将逐渐关闭至全关。旁路阀全关后(t2时刻)，其转入后备压力控制模式，此时ps(t)适用式(3)。机组停机过程中(t3时刻)，主汽阀开始关闭，旁路阀转入实际压力控制模式。三、变工况条件下中压汽包水位波动分析3.1 停机阶段    停机时，当燃气-蒸汽联合循环机组总负荷大于200MW时，蒸汽参数始终满足汽轮机进汽条件，故汽轮机主汽

9、阀及再热阀保持全开。    控制系统发出停机指令后，低压主蒸汽调节阀随低压主蒸汽压力的降低关闭至18%时(机组负荷在(180160)MW)，调节阀及再热调节阀开始关闭，旁路阀转为实际压力控制模式。调试期间的某日停机曲线见图3。                  (1)由曲线8可见，在t0时刻，机组负荷值逐渐下降(减负荷过程)时，调节阀(曲线1)在全开位置，此时高压旁路阀为后备压力控制模式(式(3)

10、，高压旁路阀前主蒸汽压力设定值(曲线2)总是比实际值(曲线3)高。    (2)在t1时刻，调节阀开始关闭，高压旁路阀设定值等于当前实际值，即Ps(t)=P(t1)(曲线2、曲线3)，并维持直到机组再次起动。此时，高、中压旁路阀为实际压力控制模式(曲线5、曲线6)。中压旁路阀在调节阀开始关闭由后备压力控制模式切换为实际压力控制模式。    (3)在t2t3阶段，随机组负荷下降，主蒸汽及再热蒸汽压力降低，调节阀及再热调节阀以一定速率开始关闭，主蒸汽、再热蒸汽压力上升。在t3时刻，主蒸汽压力大于设定值后，根据式(1)，高压旁路阀开始打开。

11、    (4)随着高压旁路阀开度的增大，冷段再热蒸汽压力迅速上升，导致再热主蒸汽逆止阀关闭且中压汽包压力快速上升，从而使其汽包水位急剧下降，即使中压给水流量调节为最大也难以维持正常水位。据观察，若压力上升速率为0.2MPa/min以上，将难以保证机组的安全运行。    (5)在t4时刻，由于再热蒸汽压力大于设定值，中压旁路阀开始开启(式(1)。     因此，机组从满负荷开始停机时，当机组负荷低于200MW后，调节阀开始关闭，高压旁路阀逐渐开启。如果要避免由于高压旁路阀的开启而导致中压汽包水位急

12、剧下降，必须维持冷段再热蒸汽压力和中压汽包压力相对稳定。理论上，可以手动调节高压旁路阀，或者打开再热主蒸汽压力释放阀以维持压力不变，但这两种方法难以实现。另外，若将式(1)的参数T改小，则高压旁路阀动作会更加灵敏，这样将加大了超调的危险性，使冷段再热蒸汽压力的波动加剧。    当机组从满负荷降至200MW负荷时，高压旁路阀未开启，如果维持200MW负荷运行l0min，则主蒸汽压力会快速下降。某日机组从满负荷降至200MW负荷持续运行时，主蒸汽压力变化曲线见图4。        

13、0;         由图4可见，机组持续在200MW负荷运行时，主蒸汽压力在6.4MPa左右。主蒸汽压力下降后，若此时进一步降负荷，高压旁路阀开启，冷段再热蒸汽压力变化不大，中压汽包的压力也只有微小的变化(不到0.04MPa)，中压汽包水位波动较小，通过中压给水调节阀自动控制可维持正常水位。3.2 快速减负荷    机组快速减负荷是指在机组运行中出现异常情况(如燃气压力低、燃气轮机叶片通道温度偏差大、主蒸汽温度高等)时，机组负荷迅速(30s)降至200MW。在此过程中，高、中压旁路阀

14、始终工作在后备压力控制模式，各主汽门、高、中压旁路阀均不动作，锅炉各汽包压力、主蒸汽温度无突变，从而对各汽包水位没有影响。3.3 甩负荷    机组甩负荷后，调节阀、再热调节阀均立即全关，同时在逻辑上，令H=L，这样旁路阀开度指令y=H=L,，且H、L是主蒸汽流量F的函数：                  因此，机组甩负荷后，高、中压旁路阀迅速开至某一开度（开度取决于甩负荷瞬间的主蒸汽流量），并

15、维持5s，使主蒸汽流量、压力等参数不变，从而中压汽包水位波动不大。5s后，H、L的值恢复为H=102，L=-2，由式（1）得到高、中压旁路阀开度指令，并转为实际压力控制模式。    机组甩负荷时，高、中压旁路阀必须迅速开启，以防止主蒸汽压力及流量的突变。高、中压旁路阀控制逻辑中，通过令H=L，使高、中压旁路阀开度与蒸汽流量对应，并迅速开启旁路阀维持主蒸汽压力及流量不变。控制逻辑没有采用比例积分调节，避免了滞后性。调试期间，机组甩负荷试验中，中压汽包压力基本不变，水位波动不大。3.4 解列后立即起动    M701F燃机在发电机解列后，

16、不立即切断燃料，而是维持3000r/min运行5min，对机组进行冷却，然后停机降速。在此期间，可以重新发出机组起动指令。    在调试期间进行超速试验时，通常在机组解列后重新发出停机指令。在机组解列后，高、中压旁路阀为实际压力控制模式，若此时发出起动机组指令，则高、中压旁路阀转为最小压力控制模式，主蒸汽压力设定值变为5.3MPa。通常主蒸汽实际压力在6.3MPa以上，与其压力设定值偏差较大，将导致高、中压旁路阀快速开启，使冷段再热蒸汽压力及中压汽包压力快速上升，中压汽包水位迅速下降。因此，在高、中旁路阀转为最小压力控制模式时，主蒸汽压力设定值不能立即变为5.3M

17、Pa，而是以一定的速率(RD)逐渐变为5.3MPa。在调试期间,某日机组解列后发出机组起动指令,由于RD值设定较大,高、中压旁路阀开启速度较快，中压汽包压力在1min内上升了0.18MPa(85s上升了0.22MPa)，使得水位从-120mm降至-351mm。将RD改为0.3(即以0.3MPa/min速率下降)，中压汽包压力在2min内只上升了0.07MPa，水位波动很小。3.5 停机惰走    机组停机惰走至(600700)r/min时，中压汽包水位必然会急剧下降。以某日停机参数为例，中压汽包压力(2.22.4)MPa时，汽包中的水蒸气饱和温度在220230之间

18、。机组降速时，M701F燃机灭火，排烟温度迅速下降，此蒸发器烟气温度降至229。考虑到换热温度差，当中压汽包压力在2.23MPa时，中压汽包水温已经很难达到饱和温度。从而，汽包中本来处于饱和温度下的汽水混合物会大量凝结成水，中压主蒸汽流量也迅速下降，水位急剧下降。同样，高、低汽包水位也会迅速下降，但是高压、低压汽包容量较大，水位仍然可以维持在正常范围内。此时，高、低汽包水位短时过低，对机组安全运行无影响。四、结语    M701F燃机配套的余热锅炉由于中压汽包容量小，其水位在运行工况变化时波动较大。在给水泵、给水调节阀调节正常时，中压汽包水位的波动还受烟气温度及冷段再热蒸汽压力的影响。    日本三菱公司随机组配置的旁路阀控制逻辑的设计对冷段再热蒸汽压力具有显著影响，从而影