CN102562302B - 燃气-蒸汽联合循环惰性气体保护控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气-蒸汽联合循环发电机组的惰性气体保护控制系统，其由中压储罐、中压调节阀组、增压系统、高压储罐、高压调节阀组、高压保护回路组成。来自中压惰性气体管网的中压惰性气体进入中压储罐进行一级缓冲后，经中压调节阀组到增压装置升压，再进入高压储罐二次缓冲。高压储罐中的高压惰性气体经高压调节阀组进入燃机Syngas模块进行吹扫，确保燃机在启停过程中燃料“油切气”和“气切油”过程顺利完成，从而为燃气-蒸汽联合循环机组的安全运行提供了有力保障。本发明的控制系统控制灵活、调节精确，可实现全程无人值守自动操作，可广泛应用于燃气-蒸汽联合循环发电机组和燃气轮机发电机组，且能用于多台燃机并联运行的机组。

Description

燃气-蒸汽联合循环惰性气体保护控制系统

技术领域

本发明涉及一种燃气-蒸汽联合循环发电机组(Combined Cycle Power Plant，简称CCPP)的惰性气体保护控制系统。

背景技术

中国已是世界上最大的钢铁生产国，钢铁在生产过程中伴随产生大量的高炉煤气(BFG)、焦炉煤气(COG)、转炉煤气(LDG)等可燃性气体。我国钢铁企业高炉煤气年产量为7000～9000亿m³，除炼铁使用外仍有大量富余煤气。燃气-蒸汽联合循环发电技术可利用钢铁厂富余煤气产热发电，全厂热效率较高，可达43％～45％，即有效利用了二次能源，又降低了环境污染。

CCPP机组的燃机在启停过程中需利用高压惰性气体吹扫置换燃机Syngas模块入口的高压煤气，由于燃机Syngas模块工作压力较高，一般为18～22bar，且燃机调试时启停频繁，因此，吹扫保护气体也必须维持在一定压力范围内，既不能过低，低于燃机跳机限值则燃机跳机；也不能过高，高于安全阀起跳压力则安全阀动作。同时，由于吹扫瞬间保护气压降较大，加之受调节阀动作滞后所限，惰性保护气系统压力很难保证稳定运行。一旦惰性保护气系统压力不足，燃机在启停过程中燃料“油切气”和“气切油”都不能完成，严重影响机组运行。

传统保护气控制调节多采用减压阀，但是其存在如下弊端：一、吹扫过程中减压阀瞬间流量跟不上，导致压力低于预设值后可能会造成燃机跳机；二、不吹扫过程中阀后压力波动，因减压阀本身阀门的泄漏导致阀后压力缓慢升高，易导致阀后安全阀动作，或者因后续管道的泄漏导致保护气压力缓慢下降而减压阀不能及时开启，压力无法迅速恢复。

因此，惰性气体的吹扫、保护系统及控制一直是困扰CCPP机组正常运行的一个难点。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于为CCPP机组提供一种惰性气体保护及控制系统，满足CCPP机组的正常运行。

为了实现上述目的，本发明提供的技术解决方案为：

燃气-蒸汽联合循环惰性气体保护控制系统是由中压储罐，中压调节阀组，增压系统，高压储罐，高压调节阀组，高压保护回路组成。所述的中压储罐上设有气体入口和气体出口，中压调节阀组由第一调节阀、一对球阀及管道构成，一对球阀分别经管道设置在调节阀的两端，中压调节阀组的气体进口与中压储罐上的气体出口管道连接，在中压调节阀组的进口管道和出口管道上设有旁路管道，旁路管道上设置截止阀，增压系统由第一增压装置、第二增压装置构成，中压调节阀组的气体出口经管道分别与第一增压装置、第二增压装置连接，第一增压装置、第二增压装置的气体出口经管道合为一路连接至高压储罐的气体进口，高压调节阀组为两路，分别由第二调节阀、第三调节阀、两对球阀及管道构成，第二调节阀及第三调节阀的两端分别设有球阀，高压调节阀组的气体进口与高压储罐上的气体出口管道连接，在两路高压调节阀组的进口管道和出口管道上分别设有旁路管道，旁路管道上串联设置两个截止阀，两路高压调节阀组的气体出口分别经管道与第一燃机Syngas模块的气体入口、第二燃机Syngas模块的气体入口连接，两路高压调节阀组出口管道之间设置通路管道，通路管道上设有联通阻断阀，两路高压调节阀组出口管道上还分别设有高压保护回路管道，高压保护回路管道连接至中压储罐上的气体出口与中压调节阀组气体进口的连接管道上，在接自第一燃机Syngas模块气体入口管道的高压保护回路管道上，沿气体流动方向依次设置截止阀、第四调节阀、止回阀、截止阀，在接自第二燃机Syngas模块气体入口管道的高压保护回路管道上，沿气体流动方向依次设置截止阀、第五调节阀、止回阀、截止阀。

在所述的中压调节阀组气体出口管道上设有智能压力表PIC，智能压力表PIC经信号线连接DCS控制系统，DCS控制系统经信号线连接第一调节阀。

在所述的高压储罐上设有智能压力表PIC，智能压力表PIC经信号线连接DCS控制系统，DCS控制系统经信号线分别连接第一增压装置、第二增压装置。

在所述的第一燃机Syngas模块的气体入口连接管道上设有智能压力表PIC，智能压力表PIC经信号线连接DCS控制系统，DCS控制系统经信号线分别连接第二调节阀和第四调节阀。

在所述的第二燃机Syngas模块的气体入口管道上设有智能压力表PIC，智能压力表PIC经信号线连接DCS控制系统，DCS控制系统经信号线分别连接第三调节阀和第五调节阀。

由于采用了以上方案，本发明的燃气-蒸汽联合循环惰性气体保护控制系统，通过中压储罐对惰性保护气进行一级缓冲，使中压惰性气体气源更加稳定。缓冲后的中压惰性气体经中压调节阀组进行流量调节控制。中压调节阀组气体出口管道上的智能压力表PIC与第一调节阀联锁，当中压调节阀组后的惰性气体压力低于设定值时，通过DCS控制系统调节第一调节阀开度，使合适流量的中压惰性气体进入增压系统。在增压系统中，中压惰性气体压力升高，变为高压惰性气体。高压惰性气体通过管道进入高压储罐进行二级缓冲，从而使高压惰性气体气源容量增大，而且压力更加稳定。高压储罐上的智能压力表PIC与第一增压装置、第二增压装置联锁，当高压惰性气体用量较大致使高压储罐气体压力低于设定值时，通过DCS系统控制第一增压装置、第二增压装置的启停，使高压储罐的惰性气体压力稳定在合理范围。经高压储罐缓冲后的高压惰性气体，通过高压调节阀组进行流量调节控制。燃机正常运行时不需要惰性气体吹扫保护，然而由于高压调节阀组后的阀门可能发生内漏，消耗一定量的惰性气体，因此在燃机正常运行时，高压调节阀组需要保持一定开度，维持阀门后系统压力在合理范围。当燃机启停时，需要惰性气体进行吹扫保护，此时，第二调节阀、第三调节阀通过调节指令控制开度。设在第一燃机Syngas模块气体入口连接管道上的智能压力表PIC通过DCS控制系统对第二调节阀进行调节控制，使第二调节阀后的惰性气体压力维持在设定范围。设在第二燃机Syngas模块气体入口连接管道上的智能压力表PIC通过DCS控制系统对第三调节阀进行调节控制，使第三调节阀后的惰性气体压力维持在设定范围。第二调节阀、第三调节阀的控制程序为：在吹扫一瞬间，为抵消吹扫带来的压降，第二调节阀、第三调节阀开到所需耗气量的某一固定阀位(0＜阀门开度＜100％)。吹扫过程中，为防止设在第一燃机Syngas模块的气体入口连接管道上的安全阀或第二燃机Syngas模块的气体入口连接管道上的安全阀动作，压力超过预设值则第二调节阀或第三调节阀自动投运自动稳压模式，吹扫指令结束前，提前一定时间关闭或关小第二调节阀或第三调节阀，用于抵消吹扫结束瞬间的升压。吹扫指令结束后，延时一定时间再次自动投运自动稳压模式，维持压力在预设值给管道充压。

当设在第一燃机Syngas模块的气体入口连接管道上的智能压力表PIC的压力高于二级预设压力上限值时，第四调节阀自动开启泄压，部分高压气体回流至中压储罐出口的中压惰性气体管道，当设在第一燃机Syngas模块的气体入口连接管道上的智能压力表PIC的压力低于二级预设压力下限值时，第四调节阀自动关闭；当设在第二燃机Syngas模块的气体入口连接管道上的智能压力表PIC的压力高于二级预设压力上限值时，第五调节阀自动开启泄压，部分高压气体回流至中压储罐出口的中压惰性气体管道，当设在第二燃机Syngas模块的气体入口连接管道上的智能压力表PIC的压力低于二级预设压力下限值时，第五调节阀自动关闭。

本发明的燃气-蒸汽联合循环惰性气体保护控制系统采用调节阀调节控制惰性气体的流量，其避免了因采用减压阀而产生的吹扫过程中减压阀瞬间流量跟不上、压力波动等问题。同时，调节阀和相关压力进行联锁，通过相关控制程序对调节阀进行精确调节，保证在合理压力范围的高压惰性气体进入第一燃机Syngas模块、第二燃机Syngas模块进行吹扫保护，确保燃机在启停过程中燃料“油切气”和“气切油”过程顺利完成，从而为燃气-蒸汽联合循环机组的安全运行提供了有力保障。

本发明的燃气-蒸汽联合循环惰性气体保护控制系统控制灵活、调节精确，可实现全程无人值守自动操作，对燃气-蒸汽联合循环发电机组适应性好，可广泛应用于燃气-蒸汽联合循环发电机组和燃气轮机发电机组，且能用于多台燃机并联运行的机组。

附图说明

附图为本发明燃气-蒸汽联合循环惰性气体保护控制系统结构示意图

其中

中压储罐1 中压储罐1上的气体入口2 中压储罐1上的气体出口3 第一调节阀4第一增压装置5 第二增压装置6 高压储罐8的气体进口7 高压储罐8 高压储罐8上的气体出口9 第二调节阀10 第三调节阀11 联通阻断阀12 第四调节阀13 第五调节阀14 第一燃机Syngas模块15 第二燃机Syngas模块16

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述

如附图所示

燃气-蒸汽联合循环惰性气体保护控制系统是由中压储罐1、中压调节阀组、增压系统、高压储罐8、高压调节阀组、高压保护回路组成。该系统适用于多种惰性气体，包括氮气、二氧化碳、氦气，氖气，氩气，氪气，氙气或氡气等。

所述的中压储罐1上设有气体入口2和气体出口3，还设有压力表和安全阀。中压惰性气体来自于中压惰性气体管网，经管道由气体入口2进入中压储罐1，在中压储罐1中进行一级缓冲。中压储罐1可以1台，也可以是1台以上并联或串联，可增强缓冲效果和可靠性。一级缓冲后的中压惰性气体经管道进入中压调节阀组进行流量调节。中压调节阀组由第一调节阀4、一对球阀及管道构成，一对球阀分别经管道设置在调节阀4的两端，中压调节阀组的气体进口与中压储罐1上的气体出口3管道连接，在中压调节阀组的进口管道和出口管道上设有旁路管道，旁路管道上设置截止阀。在所述的中压调节阀组气体出口管道上设有智能压力表PIC，智能压力表PIC经信号线连接DCS控制系统，DCS控制系统经信号线连接第一调节阀4。中压调节阀组气体出口管道上的智能压力表PIC与第一调节阀4联锁，当中压调节阀组后的惰性气体压力低于设定值时，通过DCS控制系统调大第一调节阀4的开度，使合适流量的中压惰性气体进入增压系统；当中压调节阀组后的惰性气体压力高于设定值时，通过DCS控制系统调小第一调节阀4的开度，使合适流量的中压惰性气体进入增压系统。增压系统由第一增压装置5、第二增压装置6构成，中压调节阀组的气体出口经管道分别与第一增压装置5、第二增压装置6连接，第一增压装置5、第二增压装置6的气体出口经管道合为一路连接至高压储罐8的气体进口7，在管道上设置止回阀。在增压系统中，中压惰性气通过增压装置升压变为高压惰性气体。高压惰性气体作为第一燃机Syngas模块15、第二燃机Syngas模块16的密封保护气体使用。根据设计要求，第一增压装置5和第二增压装置6分别可为1台或1台以上，采用并联方式布置。台数增多可提高增压系统的可靠性和稳定性。

高压惰性气体从高压储罐8的气体进口7通过管道进入高压储罐8进行二级缓冲，从而使高压惰性气体气源容量增大，而且压力更加稳定。高压储罐8上的智能压力表PIC与第一增压装置5、第二增压装置6联锁。理论上，机组正常运行时本应不消耗惰性气体，增压装置应处于备用状态。但实际上，下游管道因阀门内漏，使惰性保护气体压力下降，因此应设计能力大小不同的惰性气体增压装置。当机组正常运行时，第二增压装置6关闭，第一增压装置5开启，以维持高压储罐8的压力稳定在预设范围，弥补因下游管道阀门内漏而产生的系统压力下降。在所述的高压储罐8上设有智能压力表PIC和安全阀，智能压力表PIC经信号线连接DCS控制系统，DCS控制系统经信号线分别连接第一增压装置5、第二增压装置6。当燃机启停需要惰性保护气吹扫时，高压储罐8内的压力逐渐降低，当压力低于设定值时，设在高压储罐8上的智能压力表PIC通过DCS与第二增压装置6的联锁，控制开启第二增压装置6。第一增压装置5与第二增压装置6的进气压力、排气压力相同，额定流量不同，第二增压装置6的额定流量大于第一增压装置5。高压储罐8可以是1台，也可以是1台以上，多台时可采用并联方式布置，台数增多可增加惰性保护气系统的吹扫能力，惰性气体储罐总容积需满足一定次数以上的连续吹扫，从而提高系统的可靠性和稳定性。经高压储罐8缓冲后的高压惰性气体，通过高压调节阀组进行流量调节控制。高压调节阀组为两路，分别由第二调节阀10、第三调节阀11、两对球阀及管道构成。第二调节阀10及第三调节阀11的两端分别设有球阀，高压调节阀组的气体进口与高压储罐8上的气体出口9管道连接，在两路高压调节阀组的进口管道和出口管道上分别设有旁路管道，旁路管道上串联设置两个截止阀。串联两个截止阀可起到更好的止漏、止泄作用。旁路管道的管径小于主路管道的管径。旁路管道的作用是：一、燃机启动时，可打开相应旁路管道上的两个截止阀，用于吹扫高压调节阀组后管道中的空气；二、第二调节阀10、第三调节阀11开度调整时，阀前、阀后压差增大，可打开相应旁路管道上的两个截止阀，提高高压调节阀组后的管道压力，迅速减小高压调节阀组前后压差。

两路高压调节阀组的气体出口分别经管道与第一燃机Syngas模块15的气体入口、第二燃机Syngas模块16的气体入口连接，两路高压调节阀组出口管道之间设置通路管道，通路管道上设有联通阻断阀12。两路高压调节阀组出口管道上还分别设有高压保护回路管道，高压保护回路管道连接至中压储罐1上的气体出口3与中压调节阀组气体进口的连接管道上。在接自第一燃机Syngas模块15气体入口管道的高压保护回路管道上，沿气体流动方向依次设置截止阀、第四调节阀13、止回阀、截止阀；在接自第二燃机Syngas模块16气体入口管道的高压保护回路管道上，沿气体流动方向依次设置截止阀、第五调节阀14、止回阀、截止阀。

燃机正常运行时不需要惰性气体吹扫保护，然而由于高压调节阀组后的阀门可能发生内漏，消耗一定量的惰性气体，因此在燃机正常运行时，高压调节阀组需要保持一定开度，维持阀门后系统压力在合理范围。在所述的第一燃机Syngas模块15的气体入口连接管道上设有智能压力表PIC，智能压力表PIC经信号线连接DCS控制系统，DCS控制系统经信号线分别连接第二调节阀10和第四调节阀13。在所述的第二燃机Syngas模块16的气体入口管道上设有智能压力表PIC，智能压力表PIC经信号线连接DCS控制系统，DCS控制系统经信号线分别连接第三调节阀11和第五调节阀14。当燃机启停时，需要惰性气体进行吹扫保护，此时，第二调节阀10、第三调节阀11通过调节指令控制开度。第二调节阀10、第三调节阀11的DCS控制原程序采取单PID控制调节，通过设在燃机Syngas模块15的气体入口连接管道上的智能压力表PIC的测量压力值与设定压力值大小的比较来控制阀门动作，稳定压力至吹扫所需设定值。控制程序为：在吹扫一瞬间，为抵消吹扫带来的压降，第二调节阀10、第三调节阀11开到所需耗气量的某一固定阀位(0＜阀门开度＜100％)。吹扫过程中，为防止设在第一燃机Syngas模块15的气体入口连接管道上的安全阀或第二燃机Syngas模块16的气体入口连接管道上的安全阀动作，压力超过预设值则第二调节阀10或第三调节阀11自动投运自动稳压模式，吹扫指令结束前，提前一定时间关闭或关小第二调节阀10或第三调节阀11，用于抵消吹扫结束瞬间的升压。吹扫指令结束后，延时一定时间再次自动投运自动稳压模式，维持压力在预设值给管道充压。当下次需要吹扫时循环此过程实现全程无人值守自动操作。联通阻断阀12平时为关闭状态，当第二调节阀10出现故障时，打开联通阻断阀12，则第三调节阀11可以用于第一燃机Syngas模块15的保护吹扫；当第三调节阀11出现故障时，打开联通阻断阀12，则第二调节阀10可以用于第二燃机Syngas模块16的保护吹扫。当设在第一燃机Syngas模块15的气体入口连接管道上的智能压力表PIC的压力、设在第二燃机Syngas模块16的气体入口连接管道上的智能压力表PIC的压力高于一级预设压力上限值，且第四调节阀13、第五调节阀14不动作时，设在第一燃机Syngas模块15的气体入口连接管道上的安全阀和设在第二燃机Syngas模块16的气体入口连接管道上的自动开启泄压，保证燃机安全；当设在第一燃机Syngas模块15的气体入口连接管道上的智能压力表PIC的压力、设在第二燃机Syngas模块16的气体入口连接管道上的智能压力表PIC的压力低于一级预设压力下限值时，第二调节阀10、第三调节阀11开度自动调大，增流保压，维持吹扫燃机Syngas模块的惰性气体在预设压力范围。

当设在第一燃机Syngas模块15的气体入口连接管道上的智能压力表PIC的压力、设在第二燃机Syngas模块16的气体入口连接管道上的智能压力表PIC的压力高于二级预设压力上限值时，第四调节阀13、第五调节阀14自动开启泄压，部分高压气体回流至中压储罐1出口的中压惰性气体管道；当设在第一燃机Syngas模块15的气体入口连接管道上的智能压力表PIC的压力、设在第二燃机Syngas模块16的气体入口连接管道上的智能压力表PIC的压力低于二级预设压力下限值时，第四调节阀13、第五调节阀14自动关闭。

由于两台或多台燃机布置位置与高压储罐8的距离可能不同，因此不同机组控制逻辑不尽相同。如果两台或多台机共用一个调节阀，该调节阀需同时接收各机组的吹扫指令，当一台机组调试时，因阀门控制逻辑与其他机组不相同，会导致系统压力波动，从而可能影响其他机组运行安全；而且实际运行时会出现两台或多台机分别吹扫、先后吹扫或同时吹扫的情况，工况复杂不利于调节阀投运自动稳压模式。因此，当有两台或多台燃机时，机组惰性保护气吹扫系统应设置为单元制，每台机组设置一个调节阀分别控制，运行时互相不干扰，增加系统运行的稳定性。

Claims (5)

1.燃气-蒸汽联合循环惰性气体保护控制系统，其特征在于：燃气-蒸汽联合循环惰性气体保护控制系统是由中压储罐(1)，中压调节阀组，增压系统，高压储罐(8)，高压调节阀组，高压保护回路组成，所述的中压储罐(1)上设有气体入口(2)和气体出口(3)，中压调节阀组由第一调节阀(4)、一对球阀及管道构成，一对球阀分别经管道设置在第一调节阀(4)的两端，中压调节阀组的气体进口与中压储罐(1)上的气体出口(3)管道连接，在中压调节阀组的进口管道和出口管道上设有旁路管道，旁路管道上设置截止阀，增压系统由第一增压装置(5)、第二增压装置(6)构成，中压调节阀组的气体出口经管道分别与第一增压装置(5)、第二增压装置(6)连接，第一增压装置(5)、第二增压装置(6)的气体出口经管道合为一路连接至高压储罐(8)的气体进口(7)，高压调节阀组为两路，分别由第二调节阀(10)、第三调节阀(11)、两对球阀及管道构成，第二调节阀(10)及第三调节阀(11)的两端分别设有球阀，高压调节阀组的气体进口与高压储罐(8)上的气体出口(9)管道连接，在两路高压调节阀组的进口管道和出口管道上分别设有旁路管道，旁路管道上串联设置两个截止阀，两路高压调节阀组的气体出口分别经管道与第一燃机Syngas模块(15)的气体入口、第二燃机Syngas模块(16)的气体入口连接，两路高压调节阀组出口管道之间设置通路管道，通路管道上设有联通阻断阀(12)，两路高压调节阀组出口管道上还分别设有高压保护回路管道，中压储罐(1)上的气体出口(3)与中压调节阀组气体进口由连接管道连接，高压保护回路管道连接至连接管道上，在接自第一燃机Syngas模块(15)气体入口管道的高压保护回路管道上，沿气体流动方向依次设置截止阀、第四调节阀(13)、止回阀、截止阀，在接自第二燃机Syngas模块(16)气体入口管道的高压保护回路管道上，沿气体流动方向依次设置截止阀、第五调节阀(14)、止回阀、截止阀。 

2.如权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环惰性气体保护控制系统，其特征在于：在所述的中压调节阀组气体出口管道上设有智能压力表PIC，智能压力表PIC经信号线连接DCS控制系统，DCS控制系统经信号线连接第一调节阀(4)。 

3.如权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环惰性气体保护控制系统，其特征在于：在所述的高压储罐(8)上设有智能压力表PIC，智能压力表PIC经信号线连接DCS控制系统，DCS控制系统经信号线分别连接第一增压装置(5)、第二增压装置(6)。 

4.如权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环惰性气体保护控制系统，其特征在于：在所述的第一燃机Syngas模块(15)的气体入口连接管道上设有智能压力表PIC，智能压力表PIC经信号线连接DCS控制系统，DCS控制系统经信号线分别连接第二调节阀(10)和第四调节阀(13)。 

5.如权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环惰性气体保护控制系统，其特征在于：在所述的第二燃机Syngas模块(16)的气体入口管道上设有智能压力表PIC，智能压力表PIC经信号线连接DCS控制系统，DCS控制系统经信号线分别连接第三调节阀(11)和第五调节阀(14)。