火力發(fā)電機(jī)組二次再熱控制方式的探討

劉樹洲，米大利

（中南電力設(shè)計(jì)院，武漢 430071）

1 二次再熱機(jī)組簡(jiǎn)介

蒸汽中間再過(guò)熱，就是將汽輪機(jī)（高壓部分）內(nèi)膨脹至某一中間壓力的蒸汽全部引出，進(jìn)入到鍋爐的再熱器中再次加熱，然后再到汽輪機(jī)（低壓部分）內(nèi)繼續(xù)做功。經(jīng)過(guò)再熱以后，蒸汽膨脹終了的干度有明顯地提高。雖然最初只是將再熱作為解決主汽干度問(wèn)題的一種辦法，而發(fā)展到今天，它的意義已遠(yuǎn)不止此?，F(xiàn)代大型機(jī)組幾乎毫無(wú)例外地采用再熱循環(huán)，因此它已成為大型火電機(jī)組提高效率的必要措施。從世界范圍內(nèi)現(xiàn)有的蒸汽發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，再熱方式包括一次再熱和二次再熱[1]。

所謂一次再熱，指的是將汽輪機(jī)高壓缸的排汽全部引出，進(jìn)入到鍋爐的一級(jí)再熱器中加熱，然后再到汽輪機(jī)中壓缸內(nèi)繼續(xù)做功。而所謂二次再熱，指的是將汽輪機(jī)（超）高壓缸內(nèi)膨脹至某一中間壓力的蒸汽全部引出，進(jìn)入到鍋爐的二級(jí)再熱器中再次加熱，然后再到汽輪機(jī)高（中）壓缸內(nèi)繼續(xù)做功[2,3]。

二次再熱機(jī)組的汽輪機(jī)包括超高壓缸、高壓缸、中壓缸和兩個(gè)低壓缸，超高壓缸排汽去第一級(jí)再熱器，高壓缸排汽去第二級(jí)再熱器，熱力系統(tǒng)主要變化有：

1）鍋爐增設(shè)一個(gè)低壓再熱器，相應(yīng)增加低壓再熱器事故噴水系統(tǒng)。

2）增加二次冷再熱蒸汽管、二次熱再熱蒸汽管及對(duì)應(yīng)的疏水閥。

3）給水（凝結(jié)水）回?zé)嵊砂思?jí)增至十級(jí)，相應(yīng)增加一臺(tái)高壓加熱器和一臺(tái)低壓加熱器及對(duì)應(yīng)的液位調(diào)節(jié)閥和危急疏水閥。

4）抽汽管道數(shù)量和級(jí)數(shù)增加，對(duì)應(yīng)的抽汽逆止閥相應(yīng)增加。

5）汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)采用高、中、低壓三級(jí)串聯(lián)旁路，增加了一級(jí)中壓旁路及對(duì)應(yīng)的減壓閥、減溫閥和隔離閥。

2 二次再熱控制系統(tǒng)

1000MW二次再熱機(jī)組較常規(guī)1000MW機(jī)組熱控主要增加了下列控制回路和順控子組：

1）二次再熱溫度調(diào)節(jié)控制回路。

2）二次再熱管道疏水閥順控子組。

3）增加的抽汽管道疏水閥順控子組。

4）增加的一臺(tái)高壓加熱器和一臺(tái)低壓加熱器相對(duì)應(yīng)的液位調(diào)節(jié)控制回路和危急疏水子組控制。

5）增加的抽汽逆止閥、電動(dòng)門的順控子組。

6）汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)高、中、低壓三級(jí)串聯(lián)旁路控制回路。

可以看出1000MW二次再熱機(jī)組較常規(guī)1000MW級(jí)機(jī)組雖然增加了數(shù)個(gè)控制回路和順控子組，但除“二次再熱溫度調(diào)節(jié)控制回路”外，其它4項(xiàng)的控制策略較常規(guī)1000MW級(jí)機(jī)組沒(méi)有大的區(qū)別，下面著重對(duì)二次再熱的溫度控制策略進(jìn)行闡述。

2.1 二次再熱的溫度控制手段

從控制的角度來(lái)看，二次再熱鍋爐和常規(guī)的一次再熱鍋爐最大的區(qū)別就是兩級(jí)再熱蒸汽溫度的控制。哈鍋再熱蒸汽主要采用煙氣再循環(huán)+尾部豎井雙煙道調(diào)溫?fù)醢暹M(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)燃燒器的擺動(dòng)也作為輔助手段參與再熱蒸汽的溫度調(diào)節(jié)，還設(shè)置有事故噴水減溫器；東方電氣再熱蒸汽采用尾部三煙道平行煙氣擋板調(diào)節(jié)+50%以下負(fù)荷煙氣再循環(huán)輔助調(diào)節(jié)，還設(shè)置有事故噴水減溫器；上海電氣采用尾部煙道煙氣擋板調(diào)節(jié)+煙氣再循環(huán)和事故噴水減溫的調(diào)節(jié)方式。

煙氣擋板作為一次再熱、二次再熱溫度的主要調(diào)溫手段，同時(shí)還兼顧平衡一次再熱器、二次再熱器的吸熱量。通過(guò)調(diào)整煙氣擋板的角度，使一次再熱器、二次再熱器的出口溫度同步，避免其中某一級(jí)再熱器吸熱量大、另外一級(jí)再熱器吸熱量小的情況發(fā)生；煙氣再循環(huán)擋板的作用主要是當(dāng)鍋爐負(fù)荷較低時(shí)，用來(lái)提高一次再熱器、二次再熱器的對(duì)流熱，使之按需要的溫度指令升高[4]。

從上述3大鍋爐的二次再熱溫度調(diào)節(jié)手段可以看出，其都配有事故噴水減溫，但噴水減溫在正常運(yùn)行過(guò)程中是不允許投入的，再熱器的出口蒸汽溫度在正常運(yùn)行時(shí)靠布置在鍋爐尾部煙道的煙氣擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)（即使設(shè)置有燃燒器擺動(dòng)火嘴，也只能將其作為輔助手段），只有在緊急事故情況下，即在煙氣擋板或采取其他調(diào)節(jié)手段無(wú)效并且再熱汽溫仍高出額定值時(shí)才采用事故噴水。因?yàn)槭鹿蕠娝阱仩t加熱后，使進(jìn)入汽輪機(jī)高、中低壓缸的蒸汽流量增加，從而使其出力增加，在負(fù)荷不變的情況下，限制了超高壓缸的出力，使其進(jìn)汽量減少，這相當(dāng)于以部分的低壓蒸汽來(lái)代替高壓蒸汽進(jìn)行循環(huán)，使整個(gè)機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性下降。事故噴水量是火力發(fā)電廠的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，再熱蒸汽每噴入1%（鍋爐蒸發(fā)量的1%），機(jī)組的熱循環(huán)效率就降低0.1%~0.2%。所以再熱器的溫度控制的主要手段是以煙氣擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)的，正常運(yùn)行時(shí)事故噴水應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)。

2.2 二次再熱溫度超溫的原因分析

一次再熱、二次再熱由于溫度超溫而引起的事故噴水的原因很多，歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

2.2.1 鍋爐超負(fù)荷運(yùn)行

爐膛的容積熱負(fù)荷qv=BQd/VL。對(duì)于一個(gè)運(yùn)行的鍋爐，容積VL是一個(gè)定值，由于系統(tǒng)泄漏及自用的蒸汽量較大或未及時(shí)清理受熱面上的灰渣時(shí)鍋爐欲達(dá)到設(shè)計(jì)出力，只能增加入爐燃料量B，最終使鍋爐容積熱負(fù)荷qv增大。燃料量的增加直接導(dǎo)致煙氣流量的增加，煙氣流速增加，燃料在爐膛內(nèi)停留的時(shí)間相對(duì)減少，使?fàn)t膛出口溫度升高，而qv的增大將使?fàn)t膛火焰中心溫度升高，爐膛出口溫度相對(duì)升高，再熱器吸熱多，造成事故噴水流量增大。

2.2.2 一次風(fēng)量大

當(dāng)一次風(fēng)壓高過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí),磨組一次風(fēng)量也高于設(shè)計(jì)值時(shí)，煤粉相對(duì)變粗，機(jī)械不完全燃燒加大，需增加燃料，增加煙氣量，使再熱器吸熱多，造成事故噴水流量增大。

2.2.3 二次風(fēng)門執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作不一致

二次風(fēng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作不一致時(shí)，使得各層燃燒器配風(fēng)不合理，爐內(nèi)空氣動(dòng)力工況與冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果差別較大，造成煤粉顆粒燃燒及燃盡情況不佳、爐內(nèi)燃燒工況惡化、火焰形狀紊亂、火焰中心位置偏高，使再熱器吸熱多，造成事故噴水流量增大。

2.2.4 煙氣擋板執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置反饋有誤

當(dāng)煙氣擋板執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置反饋有誤時(shí)，如當(dāng)再熱器煙氣擋板的實(shí)際位置尚有部分開度時(shí)，此時(shí)其位置變送器顯示開度為0，當(dāng)此時(shí)一次再熱、二次再熱出口的蒸汽溫度超溫，事故噴水將會(huì)動(dòng)作。

2.2.5 溫度測(cè)量元件熱響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)

普通的測(cè)量再熱汽溫的熱電偶熱響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，為幾十秒甚至到二三分鐘，不能正確反映實(shí)際的再熱汽溫，造成調(diào)節(jié)系統(tǒng)的延遲，致使噴水減溫的不必要?jiǎng)幼?，影響機(jī)組的熱效率，甚至引起再熱器溫度超過(guò)設(shè)計(jì)值，影響再熱器的壽命并可能致使再熱器損壞。

2.2.6 燃用煤種與設(shè)計(jì)煤種偏差大在實(shí)際運(yùn)行中，電廠燃用的煤種經(jīng)常偏離設(shè)計(jì)值，燃煤可燃基揮發(fā)分超過(guò)設(shè)計(jì)值，由于截面熱負(fù)荷過(guò)大，火焰擁擠，爐膛結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較小，煤粉在爐膛內(nèi)火焰高度不能滿足要求，爐膛出口溫度升高，再入口煙溫高，火焰中心高，再熱器吸熱多，從而造成事故噴水減溫動(dòng)作。

2.3 二次再熱溫度控制應(yīng)對(duì)策略

通過(guò)2.2節(jié)“二次再熱溫度超溫的原因分析”，可發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致事故噴水減溫動(dòng)作涉及“鍋爐超負(fù)荷運(yùn)行”、“一次風(fēng)量大”、“二次風(fēng)門執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作不一致”、“煙氣擋板執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置反饋有誤”、“溫度測(cè)量元件熱響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)”、“燃用煤種與設(shè)計(jì)煤種偏差大”等6個(gè)方面的原因，溫度控制的對(duì)應(yīng)策略如下。

2.3.1 鍋爐超負(fù)荷運(yùn)行的防止策略

選用優(yōu)質(zhì)的吹灰器、優(yōu)化吹灰程序保證及時(shí)消除受熱面上的的灰渣，使鍋爐容積熱負(fù)荷qv、煙氣流速不高于設(shè)計(jì)值，燃料在爐膛內(nèi)有足夠的停留時(shí)間、燃燒充分，保證爐膛出口溫度不高于設(shè)計(jì)值，防止事故噴水減溫動(dòng)作。

2.3.2 一次風(fēng)量大的防止策略

嚴(yán)格控制一次風(fēng)壓和一次風(fēng)量，使其不高于設(shè)計(jì)值，煤粉細(xì)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在爐膛內(nèi)的燃盡時(shí)間足夠長(zhǎng)，火焰中心在設(shè)計(jì)位置，使再熱器吸熱量合適，防止事故噴水減溫動(dòng)作。

2.3.3 煙氣擋板執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置反饋有誤的防止策略

對(duì)于煙氣擋板執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置反饋有誤導(dǎo)致的事故噴水減溫動(dòng)作，可通過(guò)選用質(zhì)量可靠的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，并在調(diào)試階段做仔細(xì)的標(biāo)定、運(yùn)行中重點(diǎn)檢查的多重手段來(lái)防止此種情況的發(fā)生。

2.3.4 溫度測(cè)量元件熱響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的防止策略

對(duì)于測(cè)量再熱氣溫的溫度測(cè)量元件，采用熱響應(yīng)時(shí)間短、溫度變化反應(yīng)迅速的快速反應(yīng)熱電偶即“疏水探針”，此種“疏水探針”熱電偶可做到熱響應(yīng)時(shí)間3s左右，從而解決噴水減溫的不必要?jiǎng)幼鳎岣邫C(jī)組的熱效率。

2.3.5 燃用煤種與設(shè)計(jì)煤種偏差大

對(duì)于電廠燃用的煤種經(jīng)常偏離設(shè)計(jì)值造成事故噴水動(dòng)作的問(wèn)題，只能靠電廠在進(jìn)煤環(huán)節(jié)來(lái)嚴(yán)格控制，或多種煤混摻燃燒的方式，降低爐膛出口溫度、減少再熱器多吸熱，從而避免造成事故噴水減溫的動(dòng)作。

2.4 二次再熱涉及的其它控制

2.4.1 高加水位控制

給水為4臺(tái)高加大旁路系統(tǒng)，對(duì)測(cè)量和控制要求更高。任何一臺(tái)高加由于水位過(guò)高都會(huì)造成所有高加切除，由此帶來(lái)給水溫度過(guò)低使得鍋爐效率受到嚴(yán)重影響。為了避免此情況發(fā)生，每臺(tái)高加水位采用3臺(tái)液位變送器測(cè)量，在采用現(xiàn)場(chǎng)總線方案時(shí)分3個(gè)不同的網(wǎng)段接入機(jī)組控制系統(tǒng)，由此提高檢測(cè)的可靠性?？刂葡到y(tǒng)進(jìn)行三選中模擬量調(diào)節(jié)，并將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量設(shè)定值3取2控制抽汽和疏水，在水位高三值切除抽汽（關(guān)閉逆止閥和電動(dòng)門）、在水位高二值時(shí)緊急開啟危急疏水閥。

2.4.2 蒸汽旁路系統(tǒng)控制復(fù)雜化

由于汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)采用高、中、低壓三級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)，增加了一級(jí)中壓旁路，使旁路系統(tǒng)變得復(fù)雜，而且旁路系統(tǒng)作為機(jī)組協(xié)調(diào)系統(tǒng)的重要調(diào)節(jié)回路，減壓閥、減溫閥和噴水隔離閥的動(dòng)作要求都很高，故有關(guān)信號(hào)采用常規(guī)硬接線方式接入到DCS的相應(yīng)卡件。

2.4.3 汽機(jī)進(jìn)汽方式多樣，DEH控制對(duì)象多而復(fù)雜化

汽機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速靠調(diào)節(jié)汽機(jī)的進(jìn)汽量來(lái)實(shí)現(xiàn)，DEH要求主調(diào)門、一次及二次再熱調(diào)門動(dòng)作迅速，故采用常規(guī)DCS方案即輸入、輸出信號(hào)用硬接線方式接入到DEH的相應(yīng)卡件。

3 二次再熱控制系統(tǒng)采取的優(yōu)化措施

采取二次再熱方案后，對(duì)控制設(shè)備的配置方案、設(shè)備的選型提出了更高的要求，對(duì)控制系統(tǒng)的配置和控制方案帶來(lái)較大變動(dòng)，為適應(yīng)控制系統(tǒng)變化引起系統(tǒng)復(fù)雜化對(duì)控制要求，控制設(shè)計(jì)需采取有效措施，從儀表設(shè)備配置、選型、控制系統(tǒng)等方面，整體提高儀控系統(tǒng)的安全可靠性，以便消除二次再熱因熱控設(shè)備、邏輯的誤動(dòng)/拒動(dòng)而帶來(lái)機(jī)組可靠性降低的問(wèn)題。擬采取以下主要措施[5,6]。

3.1 提高控制設(shè)備及檢測(cè)點(diǎn)的可靠性

在設(shè)備選擇中重視儀控設(shè)備的可靠性，相應(yīng)增加進(jìn)口設(shè)備范圍，同時(shí)國(guó)產(chǎn)設(shè)備也嚴(yán)格要求采用國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

3.2 在一次檢測(cè)儀表設(shè)備的配置上，增加冗余度

在儀表的配置上，增加冗余度，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行冗余度配置：

1）一次、二次再熱器蒸汽溫度測(cè)量采用三冗余配置。

2）高、中、低壓三級(jí)串聯(lián)旁路后壓力、溫度測(cè)點(diǎn)測(cè)量采用三冗余配置。

3.3 控制系統(tǒng)配置原則

3.3.1 合理配置控制系統(tǒng)

合理配置控制系統(tǒng)，并從邏輯組態(tài)上完善控制系統(tǒng)、提高M(jìn)CS的調(diào)節(jié)品質(zhì)、提高控制邏輯的合理性，避免系統(tǒng)大的波動(dòng)，避免誤動(dòng)和拒動(dòng)，并加強(qiáng)控制系統(tǒng)監(jiān)視，向運(yùn)行人員提供全面的監(jiān)控手段和信息，優(yōu)化畫面，能夠醒目的在DCS(FCS)上反映一、二級(jí)再熱汽溫，旁路系統(tǒng)蒸汽的壓力、溫度及各執(zhí)行器的開關(guān)狀態(tài)、閥位開度等[7]。

3.3.2 遵循熱工保護(hù)系統(tǒng) “獨(dú)立性”原則，做好保護(hù)控制設(shè)計(jì)

熱工保護(hù)至少滿足下列要求：

1）熱工保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須具有防止誤動(dòng)和拒動(dòng)的措施，保護(hù)系統(tǒng)電源中斷或恢復(fù)不會(huì)發(fā)出誤動(dòng)作指令。

2）熱工保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵守下列“獨(dú)立性”原則。

3）熱工保護(hù)系統(tǒng)輸出的操作指令優(yōu)先于其他任何指令，即執(zhí)行“保護(hù)優(yōu)先”的原則。

4）保護(hù)回路中不設(shè)置供運(yùn)行人員切、投保護(hù)的任何操作設(shè)備。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)機(jī)組采用二次再熱后的熱力系統(tǒng)特點(diǎn)和控制系統(tǒng)策略做了上述論述，實(shí)際實(shí)施中還將配合熱機(jī)專業(yè)和主機(jī)廠、機(jī)組控制系統(tǒng)廠商對(duì)控制系統(tǒng)做進(jìn)一步的深入研究和優(yōu)化,使之完美地解決機(jī)組二次再熱帶來(lái)的變化技術(shù)問(wèn)題。

[1]張樹芳,冉鵬,郭江龍.應(yīng)用擴(kuò)展型能效分布矩陣分析二次再熱機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性[J].動(dòng)力工程,2006,03.

[2]嚴(yán)俊杰,邵樹峰,李楊,等.二次再熱超臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性定量分析方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,01.

[3]邵樹峰,嚴(yán)俊杰,劉繼平,等.二次再熱機(jī)組熱力系統(tǒng)的定量分析方法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2003,11.

[4]梅升.過(guò)熱汽溫控制策略[J].華東電力,2001,01.

[5]李運(yùn)澤,楊獻(xiàn)勇,嚴(yán)俊杰,等.二次再熱超臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)的三系數(shù)線性分析法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2002,06.

[6]李運(yùn)澤,楊獻(xiàn)勇,羅銳.二次再熱超臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)的全方位線性分析法[J].熱能動(dòng)力工程,2002,03.

[7]劉一.鍋爐主汽溫和一級(jí)汽溫的新型控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化博覽,2005,03.