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燃气-蒸汽联合循环余热锅炉仪控设计探讨

日期：2010-12-13 9:35:49 点击：
来源：中国工控网
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［摘要］：文章分析了燃气-蒸汽联合循环机组余热锅炉的工艺特性，讨论了余热锅炉快速启动控制、汽包水位控制、蒸汽温度控制等问题，并对就地设备选型方面提出了一定的参考意见。

［关键词］：燃气-蒸汽联合循环余热锅炉控制就地设备选型

0 引言

燃气-蒸汽联合循环发电装置由于其具有高效低耗、启动快、可用率高、投资省、建设周期短及环境污染少等优点，越来越得到世界各国的重视而迅速发展。在整个燃气蒸汽联合循环机组中，余热锅炉的主要作用是回收燃气轮机发电后排放烟气中的热量，产生蒸汽进而驱动蒸汽轮机发电，达到提高机组整体效率、降低环境污染的目的。现在的燃气-蒸汽联合循环机组的容量可以达到350～400MW，完全可以提供稳定的负荷，凭借其负荷变化快的特点还可以作为调峰机组使用。

余热锅炉是联合循环机组中的关键设备，流程中处于燃机和汽轮机之间，其发电功率约占联合循环总功率的1／3左右，余热锅炉的性能直接关系到整个联合循环机组的效率和安全运行。因此对余热锅炉仪控设计,保证机组稳定高效运行研究很有必要。

1 燃气-蒸汽联合循环发电余热锅炉发展

国内对燃机余热锅炉的关注可以追朔到上个世纪七十年代，由于当时的工业技术、经济能力及能源政策等诸多因素的影响，这种高技术难度的发电设备在我国一直停留在研究状态。改革开放以来，随着国民经济的发展和电力供应的需要，我国陆续引进了十多套燃气-蒸汽联合循环机组，国内制造厂开始参与余热锅炉部件的制造，并不断进行自主开发出多种压力等级、不同水循环方式以及适应不同燃料燃机的余热锅炉。在技术发展方面，国内燃机余热锅炉已从最简单的单压系统发展到双压、三压系统，锅炉可自带除氧蒸发器，给水加热器，实现了锅炉压力的多级化。

我国目前有能力制造大型燃气-蒸汽联合循环余热锅炉的厂家有杭州锅炉厂，无锡锅炉厂，上海锅炉厂，东方锅炉厂，哈尔滨锅炉厂等等；

2 燃气-蒸汽联合循环余热锅炉仪控设计

目前随着燃气轮机技术的发展，燃气轮机性能有了较大的改善，一般透平进气温度可达1350℃ ，随着燃气轮机初温的提高，不补燃余热锅炉效率大大提高，而且不补燃型余热锅炉有诸多优点:投资少、结构简单，热效率高；运行可靠，运行可靠率达到90%以上；启动速度快，20~30min从冷态到满载；目前国内已建和在建大部分燃气-蒸汽联合循环机组燃气初温较高, 配套的余热锅炉主要以不补燃余类型为主。下面以典型的9F不补燃、立式、三压、自然循环余热锅炉为例谈一下在仪控设计配套方面的想法：

2.1 余热锅炉主要工艺简介

烟气系统：燃气轮机排出的热烟气经膨胀节和进气管进入余热锅炉，在余热锅炉中换热后变成冷烟气排入大气。

汽水系统：

预热器/低压系统：来自冷凝器的冷凝水经过预热器加热后，进入低压汽包。进入低压汽包的给水，一部分作为高压给水和中压给水分别进入高压给水泵和中压给水泵，另一部分由下降管引入低压蒸发器，蒸发吸热后上升进入低压汽包进行汽水分离。低压饱和蒸汽由低压汽包上部的低压饱和蒸汽引出管引出，进入低压过热器吸热，然后被送入汽轮机低压缸。

中压系系统：中压给水泵将给水送往中压汽包。水经下降管、低压蒸发器、中压汽包、中压过热器产生过热蒸汽,中压过热蒸汽然后与汽轮机高压缸作功出来的冷再热蒸汽相混合后，进入再热器，经过一级减温器后，进入后一级再热器后作为再热蒸汽被送到汽轮机的中压缸。

高压系统：高压给水泵把来自低压汽包的部分给水送入高压省煤器1级、高压省煤器2级加热后，进入高压汽包。进入高压汽包的给水，由高压蒸发器下降管引入高压蒸发器，蒸发吸热后上升进入高压汽包进行汽水分离。高压饱和蒸汽则由高压汽包上部的高压饱和蒸汽引出管引出，进入高压过热器1级，经过一级减温器后，进入高压过热器2级，然后作为高压过热蒸汽被送到汽轮机的高压缸。

2.2 余热锅炉控制设计

余热锅炉与常规锅炉相比无燃烧系统，仅有烟气系统、汽水系统，系统相对简单，但是余热锅炉热源是燃气轮机的高温排气，余热锅炉在整个燃气-蒸汽联合循环系统中是个被动的设备，受燃气轮机出口烟气波动影响很大，所有控制功能的设计要使余热锅炉能适应快速启动，能在多变工况下平稳运行。

2.2.1 余热锅炉快速启动控制

余热锅炉快速启动是指改变联合循环的启炉方式，使锅炉的启动尽量少或不影响燃机简单循环的正常运行，并且大大缩短启动时间，让汽机较快地冲转并网，满足电网的需要。

为了尽可能缩短启动时间，联合循环电站通常采用滑参数启动方式，即在锅炉参数达到一定值时就启动汽轮机，锅炉的启动与暖管、暖机和汽轮机的启动基本上同时进行。在启动过程中，锅炉送出的蒸汽参数逐渐升高，蒸汽参数及流量按汽轮机暖机、升速和带负荷的需要而逐渐变化。当锅炉出口蒸汽参数以及蒸发量达到额定值时，汽轮机也刚好带上额定负荷，启动程序结束。滑参数启动具有一系列优点，也加快了余热锅炉的快速启动，但工艺系统及控制方案也在一定程度上制约着余热锅炉的快速启动，此方面主要影响因素有：

（1）余热锅炉受热和承压部件热应力的制约，体现在对升温升压速率的控制上；

（2）主蒸汽管道较长且疏水管径小造成其暖管、疏水时间较长；

（3）烟气流量的调整；

（4）汽包水位的剧烈波动。

针对以上问题，提高余热锅炉启动速度的措施有：

（1）系统上适当缩短主蒸汽管道长度及加大疏水管径；本体疏水系统配置电动阀门，主控程序通过燃机速度、疏水管液位等参数来控制电动阀门的开关，减少暖管、疏水过程中运行人员的人工干预，由此来缩短暖管、疏水时间；

（2）尽量避免冷态启炉且设置邻炉加热系统；

a、通过主蒸汽管路排汽阀或蒸汽旁路系统来释放蒸汽,有效控制温升速率；

b、在高负荷启动下，调整烟气挡板开度，控制进入余热锅炉的烟气热量。传统上，余热锅炉系统烟气挡板为全开全关型，不具备调节功能。在高负荷启动下，系统只有通过调整燃机负荷来控制烟气热量，进而控制温升速率。

（4）在热态启动时，烟气挡板的开关会造成烟气负荷的极大扰动，进而造成汽包虚假水位的产生，触发汽包水位保护条件，余热锅炉紧急跳闸。在控制方案中，烟气扰动作为汽包水位测量的屏蔽条件，有效屏蔽虚假水位。

2.2.2 汽包水位控制

汽包水位主要通过调节汽包给水调节阀或调节阀结合给水泵液力耦合器、变频器进行控制。正常运行时，由蒸汽流量，汽包水位和给水流量组成三冲量调节系统控制给水泵液力耦合器或给水泵变频器，控制汽包的水位。启动和低负荷时由汽包水位单冲量调节系统控制汽包给水调节阀，控制汽包的水位。在锅炉负荷达到20%以上、蒸汽参数稳定后，给水流量允许的情况下，控制系统可自动或手动无扰切换到三冲量调节。保证汽包水位的稳定控制。

信号测量及处理：

汽包水位信号（差压信号）经过汽包压力（两选一）补偿后优选，作为本调节回路的主调节回路被调量信号；给水流量经给水温度修正后作为总给水流量，作为本调节回路的副调节回路被调量信号；高压蒸汽流量经蒸汽压力、温度修正后作为高压主蒸汽流量，作为本调节回路的前馈量信号。

单冲量及三冲量水位控制：

控制高压汽包水位是通过控制高压给水调节阀开度来实现的，并在启动阶段采用单冲量的控制策略。单冲量水位调节：在启动和低负荷时（低压蒸汽流量<＝20％），用单冲量控制系统调节给水管道上的调节阀，维持汽包水位为定值；三冲量水位调节：在高压蒸汽流量>20％时，采用三冲量调节系统调节给水泵液力耦合器、变频器，维持汽包水位为定值，单冲量调节器处于跟踪状态。

2.2.3 蒸汽温度控制

蒸汽温度控制这里主要分析高压主蒸汽、再热蒸汽控制。

（1）高压主蒸汽控制

余热锅炉的高压过热蒸汽减温采用喷水减温装置，通过调节减温水调节阀开度控制进入减温器的减温水流量达到调节汽温、维持过热蒸汽温度在一定范围内的目的。

主蒸汽温度控制信号优选后作为主汽温调节的被调量。

为使锅炉在负荷发生变化时喷水阀能及时动作，避免过热汽温波动太大，采用了烟气热量扰动前馈指令作为控制回路的前馈信号，以提前调节减温水流量，提高控制质量。

在过热蒸汽流量低于一定值或过热器减温水调节阀全关时，将减温水电动门关严，以防汽机进水及低负荷工况时阀门芯的磨蚀。为了改善控制系统的动态响应，设计有烟气热量的前馈信号。

（2）再热蒸汽温度控制蒸汽控制

余热锅炉的热再热蒸汽减温采用喷水减温装置，通过调节减温水调节门开度控制进入再热减温器的减温水流量达到调节汽温、维持热再热蒸汽温度的目的。

热再热蒸汽温度控制系统以过热蒸汽温度（三选二）作为被调量。

2.2.4 冷凝水预热温度控制

冷凝水预热系统的用途是预热来自冷凝器的冷凝水，通过预热器进行热量回收,减少热量的排放，提高进水的温度。

预热器进口水温、预热器出口处与旁通水混合后的水温由预热器再循环泵、预热器进口三通调节阀通过预设参数、设置优化算法达到自动调节。

2.3 余热锅炉仪表选型原则

仪表就地设备是保证机组安全启停、正常运行和处理故障等极其重要的技术装备。根据余热锅炉的机组的情况主要注意以下方面：

测点设置：

结合控制方面的相关要求，对于关键参数设计设置三个独立的测量值(如给水流量；主汽压力、温度、流量；汽包水位等)。对于重要参数也应设置不少于二个独立的测量值(如汽包压力、除氧器压力等)。

在余热锅炉系统中汽包水位的监视测量也是一个重要的环节，所以对汽包水位检测常规应设置每个汽包上设置不少于3个差压，2个双色云母水位计，2个电接点水位计。每个汽包应同时设置汽包水位工业电视监控系统。

选型注意：

由于余热锅炉没有热源，完全受燃气轮机烟气左右，所以如何保证锅炉的出力，如何优化选择就地设备尤为重要。要尽最大可能减少系统的压力损失，所以在选型设计中要最优化设计减小在管道上的调节阀，流量元件的压损；调节阀选型，选取合适的Cv值以保证调节阀在运行中压损最小。

除了主蒸汽以外的其它场合也应优先考虑选择压力损失较小的流量测量元件。如某蒸发器循环回路，蒸发器循环倍率最好不低于额定值，小于额定值容易出现汽水分层、汽塞，管道容易过热损坏，所以对蒸发器循环回路监视其循环倍率的尤为重要，蒸发器下降管部分的流量测量设计时尤其要考虑极低的压损，在流量元件选取时考虑低压损流量测量元件。

3 结束语

余热锅炉岛仪控设计过程是一个比较复杂的工作，这要求配套厂家对余热锅炉本体工艺及锅炉运行控制保护要求比较熟悉，设计选择性价比优的产品，考虑方便用户使用及检修，最终使设计配套的仪电控设备最大化的保证余热锅炉的安全稳定运行，提高燃机-蒸汽联合循环的整体效率。

参考文献

[1]段跃非. 余热锅炉初步热控设计研究[J]．锅炉制造 2005．(2)．13．

[2]焦树建. 燃气-蒸汽联合循环[M] . 北京: 机械工业出版社, 2000.

[3]杨顺虎. 燃气-蒸汽联合循环发电设备及运行北京：中国电力出版社，2003

[4]刘长和, 吉桂明. 燃气轮机技术和应用的展望[J ] . 燃气轮机发电技术, 2000 , 2 (3 - 4) : 37 - 43.

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