PDF《大型煤气压缩机控制在燃气 - 蒸汽联合循环 发电中的应用及改...》

第32卷第1期 2008年 1月 冶金自动化Metallurgical Industry Automation Vol

32 No

1 Jan

2008 ・ 系统与装置 ・ 大型煤气压缩机控制在燃气 - 蒸汽联合循环 发电中的应用及改进 姚利(济南钢铁集团总公司 能源动力厂 ,山东 济南 250101) 摘要 :济钢燃气 - 蒸汽联合循环发电中的煤气压缩机 ,通过采用一拖三变频拖动、 启停机联锁保护、 防喘振线以 及分段调节方式 ,对机组的安全启动、 喘振保护和调节精度等进行改进和优化 ,不仅减少了投资 ,提高了机组的 安全性 ,而且完全满足了燃气轮机所需燃料的精度要求 ,效果十分明显.

关键词 :煤气压缩机 ;

变频软启动 ;

防喘振 ;

分段调节 中图分类号 : TK11 + 5;

TP273 文献标志码 : B 文章编号 :

10002 7059 (2008)

012 00352

06 Control of large gas com pressor in com bined gas2steam cycle power plant and its i m provem ent YAO Li ( Energy Source &

Power Plant, Jinan Iron &

Steel Group Corporation, Jinan 250101, China) Abstract: Gas compressor in combined gas2steam cycle power plant of Jigang was i mproved and opti2 m ized in safe start, surge2 proof protection and regulation precision by use of static start, interlock pro2 tection, surge line and segmented regulation. So, cost was reduced, security of units was improved and precision of fuel needed by gas turbine was met . Effect was very prom inent . Key words: gas compressor;

static start;

surge2 proof;

segmented regulation

0 引言 济南钢铁集团总公司燃气 - 蒸汽联合循环发 电项目始建于 2003年10月 ,现有 8套机组共

13 台发电机 ,总装机容量 540MW.它将炼铁产生的 高炉煤气和焦化产生的焦炉煤气按一定比例混合 成低热值混合煤气 ,经压缩机加压后在燃气轮发 电机中燃烧膨胀做功进行一次发电 ,排出的高温 烟气经余热锅炉产生高温、 高压蒸汽再带动汽轮 发电机进行二次发电 ,实现联合循环.作为世界 上第 1代燃烧低热值混合煤气发电的成功案例 , 其在节能减排、 循环利用等方面具有积极的意义 , 在钢铁行业有着极高的推广价值. 作为整个工艺中重要环节的煤气压缩机 ,工 作介质为低热值高、 焦混合煤气 ,负责为燃气轮发 电机提供符合要求 (压力 (2135 ± 0105) MPa,温度 (215 ± 10) ℃)的气体燃料 ,而如此苛刻的精度要 求对煤气压缩机的设计与控制来说都是一个巨大 的挑战.济钢能源中心通过不断摸索、 实践和改 进 ,总结出一套合理的控制思路 ,完全满足了工艺 要求 ,为整个发电的稳定、 高效运行提供了可靠保 证.

1 工艺流程 济钢煤气压缩机为双缸(2MCL707 + DMCL706)三段 10级离心压缩机 ,主要由主电机、 增速箱、 高压缸、 低压缸及气体冷却器、 气液分离 器、 润滑油站等辅助设备组成 ,采用同步电机拖 动 ,变频软启动方式.工艺流程如图 1所示.从 混合站来的低温、 低压混合煤气 ,由双进气入口导 收稿日期 :

20072 082 03;

修改稿收到日期 :

20072 092

22 作者简介 :姚利(19802) ,男 ,山东泰安人 ,工程师 ,主要从事电厂自动控制的研究及应用. 冶金自动化第32卷叶CV1201和CV1202进入低压缸 ,经一段 3级并 联压缩 ,由一段出口出来经过冷却和脱水后与三 段出口回流的煤气共同进入高压缸的二段入口 , 在高压缸第 2段经 3级压缩从二段出口出来经冷 却和脱水后再进入高压缸的三段入口 ,在高压缸 第 3段经 4级压缩后从三段出口出来分成三路 : 一路经高压缸防喘阀 CV1206 (三回二阀 )回到一 段出口 ;

一路在冷却后经低压缸回流阀 CV1207 (三回一阀 )及CV1208 (三回一并列阀 )与从二段 入口经低压缸防喘振阀 CV1205 (二回一阀 )回来 的煤气共同回到一段入口 ;

还有一路经 SV1201 (出口快切阀 )供给燃气轮发电机 (燃机 )作为燃 料供应 , 必要时经过 SV1202 (放散快切阀 ) 及CV1209 (放散调节阀 )紧急放散. 图1工艺流程图 Fig

1 Flow chart of p roduction processes

2 拖动方式 由于煤压机额定运行功率为

16 500 kW ,电流 为973 A,若采用普通方式启动 ,则启动电流将相当 大 ,对电网冲击严重.为保证厂用电及设备安全 , 主电机启动和控制选用德国 Siemens的变频软启 动器.济钢发电二期有 6套煤压机 (无需同时启 动),本着节约投资和效率最大化的原则 ,在变频 配置上采用一拖三方式 (如图 2) ,由一台 SFC (变 频软启动器 )控制 3套主电机的启动 ,每台主电机 都有自己的 MMCP (励磁控制柜 ) ,分别与 MM IP (接口柜 )进行通信 ,将各自的状态及参数传给 MM IP,同时接收来自 MM IP的控制参数 ,为每台主 电机提供励磁 ,而MM IP又与 SFC通信 ,来选择启 动哪一台主电机并实现对 SFC的监控.当选择启 动某台主电机时 ,MMCP控制 MBM 开关合闸 ,并 为主电机提供励磁 ,MM IP在接收到启动该主电机 的指令后 ,控制相应 MBC开关合闸 ,将1015 kV的 系统电压经 SDT (降压变压器 )从1015 kV 变为

216 kV,进入 SFC 进行变频 ,输出电压再经 SUT (升压变压器 )升压到

1015 kV,经MBM 开关带动 主电机启动 ;

随着变频器输出频率及电机转速逐 渐上升 ,当达到

50 Hz工频时 ,系统检测母线及主 电机侧的电压、 相角、 频率等条件 ,符合切换条件后 , MM IP通过 MMCP发出指令将 MBL开关闭合 ,MBM 和MBC开关断开 ,系统切入工频 ,主电机转入母线 提供的电源经 MBL开关带电运行. 图2变频软启动一拖三系统图 Fig

2 Static start of three in one

6 3 第 1期 姚利:大型煤气压缩机控制在燃气 - 蒸汽联合循环发电中的应用及改进

3 济钢煤压机的控制与调节

311 启停车及前后工序的联锁 启动检查 使机组开车前对润滑油、 密封、 阀 门状态等煤压机启动所必需的条件进行检查 ,只 有在所有条件都具备时才允许启机 ;

当机组密封、 轴瓦温度、 振动等出现异常情况时 , 超限保护联 锁停车 程序及时向运行人员报警并发出自动紧 急停机指令 ,从而避免事故的发生 ,相应逻辑如图 3所示. 前后工序的联锁 :由于煤压机与混合站 (燃图3启停车控制逻辑 Fig

3 Start and stop control logic 料供给 )、 燃气轮机 (燃料消耗 )、 变频电机 (动力 来源 )紧密相连 ,因此四者间的相互联锁对保证整 个系统的稳定运行尤为重要 : (1)与变频电机的联 锁 机组启动前 ,煤压机需先告知变频电机 仪控 已无故障 ,变频电机自检后返回 主电机准备启 动 信号 ,操作员下达 请求启动 指令 ,变频电机 响应并发回 允许启动 信号 ,操作员下达 手动启 动主电机 指令 ,变频电机启动直到切入工频正常 运转 ;

当变频电机收到煤压机 正常 /紧急停机 指 令时将 主电机迅速分闸停机;

变频电机出现 MMCP,MM IP跳闸 时煤压机将紧急停机. (2) 与混合站的联锁 当煤压机紧急遮断或燃机切油 以及紧急遮断时 ,煤压机开防喘阀回流 ,混合站则 对煤气做出相应的调整 ,以避免煤气管网压力波 动导致其余机组联跳. (3)与燃机的联锁 作为 燃机燃料的直接提供者 ,煤压机的状态直接决定 着燃机处于何种运行模式 :若煤压机安全运行 ,则 燃机可以进行从液体到气体燃料的切换 ;

若煤压 机出现紧急遮断无法继续供气 ,燃机必须迅速地 从气体切换回液体燃料 ,避免影响锅炉、 汽轮机等 后续联合循环设备的运行 ;

同样 ,燃机的状态也直 接决定着煤压机的运行方式 :若燃机准备切换到 气体燃料 ,则联锁煤压机开出口快切阀 ,并时刻跟 踪切换过程作出相应调整 ;

当燃机切油或遮断不 再需要煤气时 ,则联锁煤压机关闭出口快切阀 ,并 开防喘阀使煤气回流到入口 ,等待再次切换气体 燃料 ,相互联锁如图 4所示.

312 调节控制与优化改进 济钢煤气压缩机最关键的控制就是入口流 量、 防喘振以及出口压力稳定性的调节 ,经过不断 实践和改进 ,我们探索出如下一套优化解决方案.

31211 入口导叶的调节 传统压气机都是利用入口导叶来实现出口压 力和流量的调节 ,但济钢属双缸压缩机组 ,从入口 到出口工艺管线长、 中间环节多 ,传统的入口导叶 调节方式需要大约经历

2 m in变化才能反应到出

7 3 冶金自动化第32卷图4前后工序联锁逻辑 Fig

4 Interlock with other working procedures 口 ,远远无法满足燃机运行的要求.为此 ,我们改 用入口导叶来调节一段出口压力 ,煤气从入口到 一段出口只用一个低压缸 ,工艺管线大为缩短 ,通 过一段出口压力调节入口煤气量 ,对煤气压力起 到一定的稳定作用 ,进而对压气机最终出口压力 也起到一定的粗调作用 ,如图 5所示. 图5入口导叶的控制 Fig

5 Control of inlet vane

31212 防喘振控制 济钢煤压机防喘振分高、 低压缸两部分 ,采用 pd /ps2 H /ps% (压比 - 流量百分比 )喘振计算方 式以及 两段折线合成法 合成实际的喘振线 ,经 偏移 10%裕量后得到机组的防喘振线 ,在防喘振 线距喘振线 20%位置处确定快开线 ,以在机组到 达喘振线之前就给定防喘阀全开 ,快速跳开喘振 线 ,防止进入喘振区.防喘振程序采用 动态校 正 法,实时计算防喘振线与机组实际运行工况点 之间的距离 ,得到防喘振合成差值 ,当工况变化突 破防喘振线时 ,通过调节将工况点稳定在防喘振 线上 ,而不是大幅拉回到防喘振线以下 ,以减小压 力波动 ,不至于对生产造成不良影响. (1)低压缸防喘振 低压缸防喘振由两部分组成 :一路是二回一 管线 ,其上装有 CV1205调节阀 (气关 ) ,机组启动 时 ,电磁阀得电允许将阀门缓慢关闭 ,以使机组升 压 ,机组正常运行后阀门则一直处于全关 ,仅当接 收到机组启动或遮断跳机信号时 ,才使电磁阀失 电 ,阀门全开 ,起到防喘振作用 ;

另一路是三回一 管线 ,其上装有 CV1207 调节阀 (气关、 反作用方 式 ,多级降噪 ) ,根据低压缸防喘振差值的大小 ,时 刻跟踪低压缸状态 ,不断调整阀门开度 ,在机组越 过防喘振线时 ,通过 PI D 调节使机组稳定在防喘 振线上 ,而当机组达到快开线时 ,则打开阀门进行 快速泄压以防止机组进入喘振区 ,如图 6所示.

8 3 第 1期 姚利:大型煤气压缩机控制在燃气 - 蒸汽联合循环发电中的应用及改进

9 3 冶金自动化第32卷(2)高压缸防喘振 高压缸的防喘振主要依靠三回二管线上的 CV1206调节阀 (气关、 反作用方式 )完成 ,程序根 据高压缸防喘振线及实际工作位置计算出合成差 值 ,与 PI D调节输出值一起经选择之后合成最终 差值送入 PI D调节器 ,当高压缸过防喘振线时 ,程 序在 PI D调节输出和手动模式的输出值中选取最 大值作为 CV1206的输出指令 ,而当过快开线或紧 急遮断时 ,电磁阀失电 ,阀门迅速全开泄压 ,防止 发生喘振 ,详见图 7. 图7高压缸防喘振控制 Fig

7 Anti2surge control o........