S109FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組及其控制系統(tǒng)

1、S109FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組及其控制系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備(2007No.5)S109FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組及其控制系統(tǒng)黃紅艷,陳華東,吳國(guó)忠(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江杭州310027;2.浙江省電力設(shè)計(jì)院,浙江杭州3100l4)摘要:介紹了鎮(zhèn)海發(fā)電廠S109FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的熱力系統(tǒng),設(shè)備及其特點(diǎn).詳細(xì)地闡述了控制系統(tǒng)的功能,結(jié)構(gòu)及特點(diǎn),以及后備緊急手操按鈕的設(shè)計(jì);后備緊急手操按鈕可確保機(jī)組在控制系統(tǒng)發(fā)生全局性或重大故障時(shí)能安全停機(jī).關(guān)鍵詞:能源與動(dòng)力工程;燃?xì)廨啓C(jī);聯(lián)合循環(huán);控制系統(tǒng);功能中圖分類號(hào):TM611.31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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我國(guó)在十五期間進(jìn)行了3次捆綁招標(biāo),引進(jìn)美國(guó)通用電氣(GE),德國(guó)西門子和日本三菱3種F級(jí)大功率單軸機(jī)組共54套,總裝機(jī)容量達(dá)20000MW,其中GE公司的9F型燃?xì)廨啓C(jī)已在江蘇戚墅堰,張家港,浙江半山,鎮(zhèn)海,廣東珠江等電廠相繼投產(chǎn)發(fā)電.本文主要介紹鎮(zhèn)海電廠S109

5、FA型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的熱力系統(tǒng),工藝設(shè)備,控制系統(tǒng)的特點(diǎn)以及后備緊急手操按鈕的設(shè)計(jì).1聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的熱力系統(tǒng)及設(shè)備燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的工作原理為:空氣經(jīng)壓氣機(jī)壓縮,與燃?xì)庖坏肋M(jìn)入燃燒室燃燒,產(chǎn)生高溫燃?xì)饨?jīng)噴嘴噴向葉輪,燃?xì)馀蛎涀龉?推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電能,實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的循環(huán)過(guò)程;燃?xì)廨啓C(jī)的高溫排氣經(jīng)余熱鍋爐加熱水產(chǎn)生蒸汽進(jìn)入蒸汽輪機(jī)做功推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電能,從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合循環(huán)過(guò)程.鎮(zhèn)海電廠聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的熱力系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖1.鎮(zhèn)海電廠共建設(shè)2套由GE公司提供的S109FA單軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組,每套包括1臺(tái)250MW級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī),1臺(tái)100MW級(jí)的蒸

6、汽輪機(jī),1臺(tái)350MW級(jí)發(fā)電機(jī)和1臺(tái)無(wú)補(bǔ)燃三壓再熱型余熱鍋爐及其輔助設(shè)備.聯(lián)合循環(huán)的出力為390401MW,凈熱耗小于6350kJ,(kW?h),效率為56.7%.收稿日期:2007.03.25作者簡(jiǎn)介:黃紅艷(1970一),女,副教授,在職研究生,主要從事電廠熱工自動(dòng)化的教學(xué)與科研工作.發(fā)電設(shè)備(2007No.5),.qlOgFA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)撬組及其控精系統(tǒng)空氣燃料高壓中壓給查孑/給W水N泵羹l冀襄i普恒Il挺I導(dǎo)汽埔H圖1S109FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工藝流程翻燃?xì)廨啓C(jī)的型號(hào)為PG9351FA,額定轉(zhuǎn)速為3000r/rain.壓氣機(jī)為18級(jí)軸流式,壓比為15.4,燃燒室為分管回流

7、式,由18個(gè)干式,低NO燃燒器組成.汽輪機(jī)的型號(hào)為D10,雙缸(高,中壓缸和低壓缸)下排汽,額定轉(zhuǎn)速為3000r/min.在設(shè)計(jì)條件下(性能保證工況),高壓蒸汽壓力為9.679MPa,中壓蒸汽壓力為2.182MPa,低壓蒸汽壓力為0.3913MPa.發(fā)電機(jī)的型號(hào)為390H,全氫冷.余熱鍋爐為臥式,自然循環(huán),三壓,再熱,無(wú)補(bǔ)燃,露天布置.燃?xì)廨啓C(jī),汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)由GE成套供貨,而余熱鍋爐則由哈爾濱鍋爐股份有限公司配套(引進(jìn)意大利阿爾斯通技術(shù)).2壓氣機(jī),燃燒室及燃?xì)馔钙降奶卣?I,燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī),燃燒室,燃?xì)馔钙绞?F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的核心部件.PG9351FA機(jī)組的壓氣機(jī)是18級(jí)軸流式,壓縮比15

8、.4:1,空氣流量為645kg/s的多級(jí)軸流式壓氣機(jī),頭兩級(jí)為跨音速級(jí),帶一級(jí)可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉.軸流式壓氣機(jī)由壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和封閉的氣缸組成.壓氣機(jī)氣缸內(nèi)有:進(jìn)口導(dǎo)葉,十八級(jí)轉(zhuǎn)子和靜葉,兩排出口導(dǎo)葉柵.每相鄰的動(dòng)葉和靜葉組成一級(jí).在每一個(gè)級(jí)內(nèi),動(dòng)葉片吸收外加的功轉(zhuǎn)換成壓縮空氣的壓力,而靜葉片則引導(dǎo)空氣以合適的角度進(jìn)入下一級(jí).壓縮空氣從壓氣機(jī)排氣缸出來(lái)進(jìn)入燃燒室.從壓氣機(jī)級(jí)間抽出的空氣用作透平噴嘴,輪間和軸承的冷卻和密封空氣用,在啟動(dòng)過(guò)程中抽氣作為喘振控制用.PG9351FA燃?xì)廨啓C(jī)采用分管式結(jié)構(gòu)的干式?348?低NO單級(jí)預(yù)混燃燒室(DLN.2.0+型燃燒室).在壓氣機(jī)排氣缸的外緣,周向布置著18個(gè)逆流分管

9、式DLN.2.0+燃燒室,配備有2只高能火花塞點(diǎn)火器,上部4個(gè)燃燒室還裝有火焰探測(cè)器,每個(gè)燃燒室配5個(gè)燃料噴嘴和1個(gè)動(dòng)壓力探頭.由壓氣機(jī)排氣缸排出的壓縮空氣經(jīng)噴嘴上的旋流器進(jìn)入預(yù)混合室,與由燃料噴嘴噴出的燃料氣進(jìn)行預(yù)混合,混合物經(jīng)預(yù)混合管流人火焰筒燃燒.由于燃燒技術(shù)已很成熟,燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的燃燒效率幾乎近100%,因此排氣中未燃燒的碳?xì)浠衔?UHC),一氧化碳(co)含量極其微小,可以滿足環(huán)保要求.而天然氣中含塵量和含硫量極低,因而排氣中煙塵和SO污染物極少,當(dāng)前燃?xì)廨啓C(jī)排氣中NO是主要的污染物.DLN.2.0+型燃燒室通過(guò)把天然氣與空氣預(yù)先混合成為均相稀釋的可燃混合物,然后使之以湍流火焰?zhèn)?/p>

10、播方式通過(guò)火焰面進(jìn)行燃燒.這時(shí),火焰面的燃燒溫度將和實(shí)時(shí)燃料,空氣摻混比值相對(duì)應(yīng),通過(guò)對(duì)摻混比數(shù)值的控制,使火焰面的溫度永遠(yuǎn)低于空氣中N:和0:起化學(xué)反應(yīng)生成NO的起始溫度1650oC,這樣就能控制熱NO的生成.PG9351FA燃?xì)馔钙绞侨?jí)軸流式透平,包括:透平轉(zhuǎn)子,氣缸,噴嘴,復(fù)環(huán),排氣框架和排氣擴(kuò)壓器.GE公司在其9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)透平上大量應(yīng)用先進(jìn)的航空材料和冷卻技術(shù),例如第1,2,3級(jí)動(dòng)葉采用定向結(jié)晶材料GTD.111,以提高動(dòng)葉的蠕變壽命,熱疲勞壽命和抗拉伸應(yīng)力,第1級(jí)噴嘴采用含碳量較低的FSX.414鈷基超級(jí)合金材料,以提高噴嘴的抗氧化和耐腐蝕性能;在冷卻方面則采用了對(duì)流冷卻,沖擊冷

11、卻,氣膜冷卻等多種技術(shù),使透平的性能比原有的9E機(jī)組提高了許多.3SlO9FA聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的特點(diǎn)(1)燃?xì)廨啓C(jī)為整體式,結(jié)構(gòu)緊湊,占地小,安裝方便.單臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)主機(jī)占地大小約為6740=2680m2,單套聯(lián)合循環(huán)(不含水處理,制氫站,天然氣調(diào)壓站等輔助車間)占地大小約為15052=7800m2.(2)燃?xì)廨啓C(jī)為冷端(壓氣機(jī)端)驅(qū)動(dòng),軸向排氣,排氣擴(kuò)壓器可直接與余熱鍋爐相聯(lián),有利于S109FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組及其控翻系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備(2007No.5J減少流阻損失,優(yōu)化余熱鍋爐的布置,也便于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子抽芯.(3)單軸機(jī)組,燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)間無(wú)離合器.燃?xì)廨啓C(jī)與余熱鍋爐間無(wú)旁路煙道,燃?xì)廨啓C(jī)不能

12、作簡(jiǎn)單循環(huán)運(yùn)行,必須是以聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行.(4)效率高,燃?xì)馔钙匠鯗馗哌_(dá)1300oC,而凝汽器的溫度小于36,由勃萊敦循環(huán)和朗肯循環(huán)構(gòu)成的聯(lián)合循環(huán)效率遠(yuǎn)高于其它機(jī)組,燃?xì)廨啓C(jī)的效率為36.9%,聯(lián)合循環(huán)的效率可達(dá)56.7%.(5)機(jī)組啟,停速度快,調(diào)峰性能優(yōu)越,機(jī)組極熱態(tài)啟動(dòng)可在60min時(shí)帶滿負(fù)荷,熱態(tài)啟動(dòng)可在80min時(shí)帶滿負(fù)荷,溫態(tài)啟動(dòng)在130min時(shí)帶上滿負(fù)荷,冷態(tài)啟動(dòng)在190min時(shí)帶滿負(fù)荷(以上為合同值).4聯(lián)合循環(huán)機(jī)組控制系統(tǒng)4.1聯(lián)合循環(huán)機(jī)組控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)每套聯(lián)合循環(huán)的控制系統(tǒng)包括以下兩部分:燃?xì)廨啓C(jī),汽輪機(jī),發(fā)電機(jī)等由GE公司配供的MarkVI控制,余熱鍋爐,旁路,輔助蒸汽,

13、循環(huán)水系統(tǒng),廠用電,發(fā)電機(jī).變壓器組等由DCS控制.MarkVI與DCS的連接通過(guò)冗余的雙向通訊聯(lián)系和少量硬接線來(lái)實(shí)現(xiàn),運(yùn)行人員在中央控制室通過(guò)DCS的人機(jī)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的監(jiān)控.鎮(zhèn)海電廠聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2.l號(hào)機(jī)組DCSl號(hào)機(jī)組DCSl號(hào)機(jī)組DCSl號(hào)機(jī)組DCS2號(hào)機(jī)組DCS2號(hào)機(jī)組DCS2號(hào)機(jī)組DCS2號(hào)機(jī)組DCS操作員站歷史數(shù)據(jù)站工程師站OPC服務(wù)器操作員站歷史數(shù)據(jù)站工程師站OPC服務(wù)器現(xiàn)場(chǎng)I,0現(xiàn)場(chǎng)FO現(xiàn)場(chǎng)FO現(xiàn)場(chǎng)l,O現(xiàn)場(chǎng)I/O現(xiàn)場(chǎng)I/O現(xiàn)場(chǎng)FO現(xiàn)場(chǎng)l,O圖29F聯(lián)合循環(huán)機(jī)組控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖4.2I)CS的主要控制功能制等.DCS采用西屋公司的OVAT

14、ION控制系統(tǒng),系4.3MarkVI的主要控制保護(hù)功能統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集DAS,模擬量控制MCS,順序控由GE公司配供的MarkVI是一個(gè)應(yīng)用微處制SCS,電氣開(kāi)關(guān)控制ECS等功能.單臺(tái)機(jī)組和2理器的三重冗余控制系統(tǒng),它是燃?xì)廨啓C(jī)的核心臺(tái)機(jī)組公用系統(tǒng)的控制器及I/O點(diǎn)配置見(jiàn)表1.控制系統(tǒng),包含調(diào)節(jié),順序控制和保護(hù)三大功能.DCS控制主要包括以下內(nèi)容:余熱鍋爐高,(1)調(diào)節(jié)控制功能:主要包括啟動(dòng)控制,轉(zhuǎn)速中,低壓汽包水位控制,高壓過(guò)熱蒸汽溫度控制,控制,加速度控制,溫度控制,壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉再熱蒸汽溫度控制,低壓給水溫度控制,中壓蒸汽(IGV)控制,燃料控制等.啟動(dòng)控制系統(tǒng)是在啟壓力控制,高壓旁路控

15、制,低壓旁路控制,疏水控動(dòng)過(guò)程中控制燃?xì)廨啓C(jī)的燃料需要量;轉(zhuǎn)速控制發(fā)電設(shè)備(2007No.5)表1DCS系統(tǒng)配置表系統(tǒng)控制器數(shù)量/對(duì)1/0數(shù)量/點(diǎn)系統(tǒng)是燃?xì)廨啓C(jī)最基本的控制系統(tǒng),帶動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)用有差轉(zhuǎn)速控制,帶動(dòng)壓氣機(jī)或泵時(shí)用無(wú)差轉(zhuǎn)速控制;加速控制系統(tǒng)是限制轉(zhuǎn)速增加過(guò)程中的加速度,在啟動(dòng)過(guò)程中可限制加速率,減少熱沖擊或在甩負(fù)荷后可抑制動(dòng)態(tài)超速;溫度控制系統(tǒng)是控制流入燃?xì)廨啓C(jī)的燃料量以維持運(yùn)行溫度,使燃?xì)廨啓C(jī)部件的熱應(yīng)力在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi);IGV控制系統(tǒng)在正常負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中控制燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度的極限或在啟,停過(guò)程中提供壓氣機(jī)的喘振保護(hù);燃料控制系統(tǒng)根據(jù)其它系統(tǒng)所確定的燃料閥基準(zhǔn)行程FSR來(lái)確定進(jìn)入燃燒

16、室的燃料總量.(2)順序控制功能:主要包括燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)和停機(jī)順控.啟動(dòng)順控是從啟動(dòng)壓氣機(jī),帶動(dòng)燃?xì)馔钙睫D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火,轉(zhuǎn)子加速直至額定轉(zhuǎn)速的過(guò)程,其中包含了一系列的輔助系統(tǒng)和燃料控制系統(tǒng)的順控命令;停機(jī)順控是從發(fā)出停機(jī)指令,減負(fù)荷,逆功率跳發(fā)電機(jī),啟動(dòng)輔助油泵,關(guān)閉壓氣機(jī)進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉,惰走,冷卻盤車至停轉(zhuǎn)的過(guò)程.(3)保護(hù)系統(tǒng)功能:主要包括超速,超溫,振動(dòng),滅火,燃燒監(jiān)測(cè),潤(rùn)滑油壓低,潤(rùn)滑油溫度高,凝汽器真空低,汽輪機(jī)排汽溫度高等保護(hù)功能.保護(hù)系統(tǒng)是獨(dú)立于控制系統(tǒng)的,在控制系統(tǒng)故障或失效的情況下仍可安全停機(jī).保護(hù)的關(guān)鍵參數(shù)和保護(hù)模塊采用三重冗余結(jié)構(gòu),控制邏輯為3取2表決,保護(hù)停機(jī)信號(hào)輸

17、出后通過(guò)切斷燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣閥達(dá)到安全停機(jī).5聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的后備緊急手操為確保當(dāng)DCS發(fā)生全局性或重大故障時(shí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組能緊急安全停機(jī),系統(tǒng)設(shè)置了以下獨(dú)立于DCS的緊急按鈕:調(diào)壓站母管緊急關(guān)斷(ESD)按鈕,聯(lián)合循環(huán)緊急跳閘按鈕,凝汽器真空破壞閥硬手操按鈕,發(fā)電機(jī)出口斷路器緊急跳閘按鈕,柴油機(jī)緊急啟動(dòng)按鈕,直流潤(rùn)滑油泵,密封油泵緊急啟動(dòng)按鈕,高(中,低)壓汽包緊急放水閥手操按鈕,高(中,低)壓汽包向空排汽閥手操按鈕.天然氣調(diào)壓站為全廠燃?xì)廨啓C(jī)的公用系統(tǒng),當(dāng)全廠發(fā)生火災(zāi)或其它緊急情況時(shí),首先應(yīng)通過(guò)緊急按鈕關(guān)斷燃?xì)馊肟谀腹芫o急關(guān)斷閥,切斷全廠的燃料源,以確保電廠的安全.緊急關(guān)斷按鈕采用雙按鈕常閉接點(diǎn)并聯(lián)常帶電的設(shè)計(jì)方案,以防誤動(dòng)作或誤操作,提高系統(tǒng)的可靠性.聯(lián)合循環(huán)緊急跳閘也設(shè)置雙按鈕,每個(gè)按鈕的常閉觸點(diǎn)分別送給汽輪機(jī)MarkVI控制