燃气轮机余热锅炉的控制和保护措施

谷金帅

(大唐长春第二热电有限责任公司，吉林 长春130000)

0 前言

采用“燃气-蒸汽联合循环”技术来发电的电厂称为燃气—蒸汽联合循环发电厂。天然气发电可大大减少对环境的污染，采用“燃气-蒸汽联合循环”技术发电，发电效率高达57%，燃煤电厂为40%左右，发同样的电能CO2排放量仅为燃煤电厂的40%左右[1]。

燃气-蒸汽联合循环电站作为目前国际上发展速度最快的发电形式，具有发电效率高、调峰能力强、建设周期短、操作运行方便、清洁环保等优点。此类形式的发电机组有利于改善电网结构，特别适合用于地区调峰发电[2]。而燃气轮机的余热锅炉设计制造技术大部分是引进国外。作为燃气-蒸汽联合循环电站主机之一的三压余热锅炉的控制尤为重要，关系着整个机组的安全运行。

余热锅炉自动控制系统主要包括汽包、除氧器的水位和压力调节、主蒸汽温度、压力调节、省煤器出口温度调节[3]。本文着重从以上几方面进行阐述三压余热锅炉的控制策略，为实现燃气轮机联合循环的安全控制运行提供依据。

1 水位调节和保护

1.1 汽包水位调节和保护

1.1.1 高压汽包水位控制任务与控制策略

高压汽包通过控制高压给水调节阀来控制高压给水量。当负荷低时采用单冲量控制方式，当负荷高时采用三冲量控制方式。

单冲量调节：蒸汽流量低于20%额定流量时，蒸汽参数较低，可忽略汽包内炉水密度影响，根据实际水位与与水位设定值之差通过PI方式控制给水调节阀开度。

三冲量调节：余热锅炉高负荷条件下，负荷或压力变动时，由于汽包水容积中蒸汽含量和蒸汽比容改变产生“虚假水位”。蒸汽流量达到20%额定流量后，综合考虑蒸汽流量和给水流量相等的原则和水位偏差的大小来调节给水控制阀开度。补偿虚假水位造成的调节偏差，纠正给水量的扰动。

1.1.2 中、低压汽包水位控制任务与控制策略

通过控制中、低压给水调节阀来控制中、低压给水量。系统在低负荷时采用单冲量控制，在高负荷时采用三冲量控制方式。中、低压汽包水位控制设计也分低压蒸汽流量模式、正常运行模式、高压给水流量过载模式，其控制策略同高压汽包水位控制策略。

1.1.3 汽包水位保护设定点

余热锅炉水位保护与锅炉容量、结构、运行方式有关。表1给出了某公司余热锅炉汽包水位保护系统的设定点值。

表1 比利时CMI公司燃气轮机170t/h强制循环余热锅炉汽包水位保护系统设定点

1.1.4 运行中汽包水位调节情况及注意事项

（1）在高、低压缸进汽时，高、中、低压旁路开、关时，汽包水位波动较大，容易产生虚假水位，可以根据蒸汽流量和给水流量进行手动干预。

（2）在进行中压并汽(中压蒸汽与冷再热蒸汽合并)时，中压蒸汽压力、温度与冷再热蒸汽要匹配，由于中压汽包容积较小，如偏差较大可能会引起中压汽包水位较大波动而引起跳机。

1.2 除氧器给水箱水位调节

除氧器/给水箱水位调节通常采用单冲量水位调节系统。除氧器/给水箱水位依靠水位控制器发出的信号对水位调节阀进行调节。

间接控制除氧器/给水箱水位方案：首先控制从补给水箱到凝汽器补水量，凝汽器水位变化后，再由凝汽器水位调节控制进入除氧器的凝结水量。设高位排水阀，防止水位超过给定值，接受水位调节器控制，除氧器给水箱水位调节系统是简单单回路定制调节系统，水位信号与设定值之差进入PID调节器。采用双向执行机构。

2 余热锅炉温度与压力调节

2.1 主热蒸汽温度调节

主蒸汽温度随燃机排气温度变化，运行中实际考虑主蒸汽减温问题。主蒸汽减温调节方法主要采用喷水减温以及饱和蒸汽部分旁通两种调节方式。

2.1.1 喷水减温调节方式

喷水减温器布置在过热器中间，过热器中间有导管，以便安装喷水减温器与蒸汽混合要求。喷水减温器还可布置在过热器出口主蒸汽管路上，不需要安装导管，但过热气管壁最高温度较高。

主蒸汽管路上测温元件通过温度变送器把信号输入把信号输入温度控制器，在温度控制器中测量数据并和设定点数据比较。根据比较结果，温度控制器输出信号对温度控制阀进行调节，增加或减少喷水减温器的喷水量。

2.1.2 饱和蒸汽部分旁通调节方式

饱和蒸汽部分旁通调节方式：汽包出来饱和蒸汽大部分经过热器吸收热量后到主蒸汽管。其余饱和蒸汽经旁路调节阀进入主蒸汽管。利用调节旁通管路上温度控制阀开度可以调节过热器出口过热蒸汽温度。通过调节主蒸汽阀开度和汽轮机主调汽阀开度来控制。汽包压力调节主要包括压力高限制、压力低限制、压力升速率限制和压力降速率限制。压力高限制和升速率限制主要通过旁路系统实现；压力低限制及压力降速率主要通过汽轮机调节阀实现。

2.1.3 运行中汽温调节情况及注意事项

（1）在机组正常运行时，高、中、低压、再热蒸汽温度自动控制情况良好。但在启、停和加、减负荷过程中还需对高压蒸汽温度进行手动干预，有待进一步改进和完善。

（2）加负荷至160～220MW阶段，由于燃气轮机IGV在开启过程中，燃烧模式还没有切换时，燃气轮机排气温度较高(640～650℃)，汽温上升较快，如自动控制不及时可能引起超温跳机，可以进行手动干预。

2.2 省煤器出口温度调节系统

立式布置强制循环预热锅炉，采用省煤器再循环措施防止启动或低负荷时省煤器出现蒸发现象。将高压循环水泵出口的水通过省煤器再循环阀引一部分到省煤器入口，增大省煤器水流量，确保省煤器出口水温低于饱和温度。根据汽包中饱和蒸汽温度和省煤器出口水温之间温差控制省煤器再循环管路上电动调节阀开度。

采用增量式PI调节，输出信号以脉冲形式控制步进电机。温差小于5.5℃，输出开信号，调节阀增大；温差大于10℃，输出关信号，调节阀关小。根据给水流量控制省煤器再循环管路上电动调节阀开度。给水流量低于设定值时，电动调节阀开启，循环水泵部分水经再循环管路流入省煤器。

2.3 除氧器水箱压力调节

整体式除氧器中，余热锅炉启动或低负荷时，需从中压汽包引出蒸汽经减压节流等措施进入除氧水箱。除氧器压力低于设定值低限时，压力控制器调节阀开大，增加蒸汽进入量。除氧器压力高于设定值时，压力控制器发出信号使压力调节阀关小，减少蒸汽进入量。采用压差控制型联锁保护，循环水泵出、进口压力差低于某一给定值，压差开关动作，发出报警，运行循环水泵自动停泵，备用循环水泵自动启动。二者皆故障，余热锅炉跳闸停炉。

3 结束语

本文重点阐述了燃气轮机三压余热锅炉汽包与除氧器水位，汽温与汽压控制，以及省煤器出口温度调节与控制策略以及实际应用情况，指出了汽包水位、汽温控制中存在的问题及应注意的事项。燃气轮机三压余热锅炉汽包水位、汽温控制显得尤为关键。在汽包水位控制方面，特别是由于中压汽包容积小，水位控制策略还有待进一步优化。在汽温控制方面，在燃气轮机启、停过程中，燃气轮机模式切换前，该时段的高压蒸汽温度的控制策略也需要进一步优化。必须通过不断改进、优化余热锅炉控制策略，可为实现燃气轮机机组一键启、停打下良好基础。

［1］谢天晓.锅炉燃烧理论基础[M].北京：中国电力出版社，1999.

［2］赵勇.S109FA燃气轮机余热锅炉汽包水位及汽温控制策略[J].华电技术，2010，32（7）：42-48.

［3］惠建明，罗小林.燃气-蒸汽联合循环发电中燃气轮机余热锅炉的设计[J].燃料与化工，2007，38（3）：30-31.