1 000 MW二次再熱機(jī)組旁路控制策略和應(yīng)用

張世偉， 葉　羅， 徐　衛(wèi)， 許海雷， 張國(guó)鈺

(國(guó)電泰州發(fā)電有限公司， 江蘇泰州 225300)

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1 000 MW二次再熱機(jī)組旁路控制策略和應(yīng)用

張世偉， 葉羅， 徐衛(wèi)， 許海雷， 張國(guó)鈺

(國(guó)電泰州發(fā)電有限公司， 江蘇泰州 225300)

1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組采用三級(jí)旁路，其控制策略是在傳統(tǒng)旁路控制策略的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)研發(fā)的一種全新控制邏輯。介紹了高、中、低三級(jí)旁路在機(jī)組啟停、正常運(yùn)行及異常情況下的控制方式和策略，結(jié)合某機(jī)組的調(diào)試說明旁路的應(yīng)用情況、存在問題和優(yōu)化方案。

汽輪機(jī)； 二次再熱； 旁路； 控制策略

隨著我國(guó)電力行業(yè)的發(fā)展，1 000 MW二次再熱超超臨界機(jī)組將成為未來主力機(jī)型。二次再熱汽輪發(fā)電機(jī)組采用三級(jí)旁路，系統(tǒng)復(fù)雜、運(yùn)行操作不便以及機(jī)組不同的啟動(dòng)方式中存在一定不確定性，因此研究旁路控制策略及實(shí)際應(yīng)用情況將為二次再熱技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用發(fā)揮重要的引領(lǐng)示范作用。

1　旁路系統(tǒng)作用

某電廠選用超超臨界、二次中間再熱、五缸四排汽、單背壓、反動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)，設(shè)計(jì)額定主蒸汽壓力為31 MPa、主蒸汽/一次/二次再熱蒸汽溫度為600 ℃/610 ℃/610 ℃。機(jī)組給水系統(tǒng)由2臺(tái)50%容量汽動(dòng)給水泵組成。鍋爐為超超臨界直流爐采用容量為100%BMCR高壓旁路+50%中壓旁路+65%低壓三級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)。

旁路主要起著匹配機(jī)爐之間熱負(fù)荷的作用。在機(jī)組啟動(dòng)期間改善機(jī)組啟動(dòng)性能，減少汽輪機(jī)固體顆粒侵蝕，回收工質(zhì)并避免再熱器系統(tǒng)干燒以及機(jī)組不同運(yùn)行工況下帶負(fù)荷的特性，適應(yīng)快速升降負(fù)荷。當(dāng)出現(xiàn)鍋爐超壓或機(jī)組甩負(fù)荷等異常工況時(shí)，起到安全閥作用，將多余蒸汽通過旁路系統(tǒng)，使鍋爐不超壓維持工況穩(wěn)定，保證機(jī)組安全。

2　旁路系統(tǒng)配置

某1 000 MW二次再熱超超臨界機(jī)組采用高、中、低三級(jí)串聯(lián)旁路(分別簡(jiǎn)稱高旁、中旁和低旁)。高旁安裝在鍋爐側(cè)，由4組25%BMCR閥組組成，分別從鍋爐出口主蒸汽支管上接出，經(jīng)過減溫、減壓后接入鍋爐側(cè)的一次冷再蒸汽支管。中、低旁容量按啟動(dòng)工況主蒸汽流量加減溫水量設(shè)置在汽輪機(jī)側(cè)。中旁由2只旁路閥組成，分別從一次再熱蒸汽管道接出，經(jīng)過減溫、減壓后接入二次再熱冷端蒸汽母管。低旁由2只旁路閥組成，分別從二次再熱蒸汽管道接出，經(jīng)減溫、減壓后接入凝汽器喉部。高、中、低壓旁路分別設(shè)置1套油站。旁路系統(tǒng)裝置的構(gòu)成和技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　旁路系統(tǒng)裝置的構(gòu)成和技術(shù)參數(shù)

3　旁路控制策略

3.1 高壓旁路

高旁運(yùn)行方式根據(jù)機(jī)組啟動(dòng)、正常運(yùn)行、BIO(停機(jī)不停爐)、停爐保壓和檢修需要被劃分為A、B、C、D、E五種模式，其中啟動(dòng)A模式又分為A1、A2和A3三種，起到關(guān)閥、閥位限制和沖轉(zhuǎn)壓力控制等作用[1]。除A1、A2模式高旁直接受閥限控制外，其他模式均由主汽壓力與高旁壓力設(shè)定值的偏差經(jīng)PID調(diào)節(jié)器后產(chǎn)生高旁閥位指令，而高旁壓力設(shè)定值則根據(jù)不同模式有著不同的要求，邏輯簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1　高壓旁路邏輯簡(jiǎn)圖

3.1.1 A1模式——旁路關(guān)閉狀態(tài)

高旁進(jìn)入A1模式只需鍋爐點(diǎn)火旁路收到有火信號(hào)，此時(shí)直接輸出閥位指令“0”,使高旁關(guān)閉。在此階段不論任何壓力始終保持關(guān)閉，從而在初始點(diǎn)火期間避免了鍋爐蓄熱流失，使主蒸汽壓力逐步提高，累計(jì)升壓到一定值。

3.1.2 A2模式——旁路開度控制方式

A2方式分為A2模式冷態(tài)、A2模式溫態(tài)、A2模式熱態(tài)，分別對(duì)應(yīng)三種高旁閥開度指令曲線。

進(jìn)入A2模式有三種情況：(1)鍋爐點(diǎn)火12 min后；(2)點(diǎn)火時(shí)主汽壓力已大于最大允許沖轉(zhuǎn)壓力16 MPa；(3)鍋爐累計(jì)升壓超過一定量(0.1～1.4 MPa)。在A2冷態(tài)/溫態(tài)模式下,高旁以每分鐘10%的速度開至10%開度，冷態(tài)時(shí)保持該開度升壓至0.5 MPa，隨后高旁開至30%(速率為每分鐘1.5%)開始定閥位升壓；溫態(tài)時(shí)保持10%到主蒸汽壓力達(dá)到點(diǎn)火時(shí)壓力，隨后高旁緩慢開啟，控制主蒸汽壓力保持在點(diǎn)火時(shí)主蒸汽壓力(開啟速率為每分鐘1.5%)；在A2熱態(tài)模式下，高旁以每分鐘5%的速度開至8%，保持該開度到主蒸汽壓力達(dá)到點(diǎn)火時(shí)壓力，隨后高旁緩慢開啟，控制主蒸汽壓力保持在點(diǎn)火時(shí)主蒸汽壓力(開啟速率為每分鐘1.5%)。

A2模式冷態(tài)、溫態(tài)時(shí)高旁閥開度指令下限為10%，熱態(tài)時(shí)高旁閥開度指令下限為8%，這樣既能防止再熱器干燒，又避免了鍋爐蓄熱流失。

3.1.3 A3模式——升壓方式

從A2模式進(jìn)入A3模式需滿足：A2模式下高旁開度>30%，且主蒸汽壓力>1 MPa，且人工確認(rèn)執(zhí)行升溫升壓。

進(jìn)入A3模式后旁路閥開始接受升壓指令調(diào)壓。用進(jìn)入A3模式時(shí)所保持的主蒸汽壓力值與汽輪機(jī)要求的沖轉(zhuǎn)壓力(壓力的大小取決于汽輪機(jī)冷、溫或者熱態(tài))作比較，取大值作為高旁壓力設(shè)定值。高旁壓力設(shè)定值以一定的升壓率變化，并與當(dāng)前主蒸汽壓力比較進(jìn)行PID運(yùn)算輸出高旁閥位，直至達(dá)到?jīng)_轉(zhuǎn)壓力，其中升壓率的選擇考慮到為了減小主蒸汽壓力波動(dòng)以及鍋爐分離器應(yīng)力情況等因素,設(shè)定升壓率為0.1 MPa/min。

A3模式高旁低限為主蒸汽溫度的函數(shù)(10%～18%)，中旁低限為10%，低旁低限10%，這樣既能防止再熱器干燒，又能保證汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)的壓力。

3.1.4 B模式——汽輪機(jī)滑壓跟蹤

從A3模式進(jìn)入B模式需要DEH給出接收所有蒸汽信號(hào),即機(jī)組并網(wǎng)且旁路關(guān)閉(閥位<5%)，旁路將切換至B模式。此時(shí),旁路在滑壓跟蹤方式，高旁壓力設(shè)定值由機(jī)組滑壓曲線加壓力偏置得來，當(dāng)主蒸汽壓力高于該值1.4 MPa后，兩差值動(dòng)作高旁溢流開啟，溢流開度由動(dòng)作前給水流量決定。

3.1.5 C模式——停機(jī)不停爐方式

當(dāng)發(fā)生汽輪機(jī)跳閘或者甩負(fù)荷等情況，而鍋爐又未熄火時(shí)，高旁無法接受所有蒸汽時(shí)旁路將由B模式轉(zhuǎn)至C模式[1]。此時(shí)高壓旁路壓力設(shè)定值為當(dāng)前校正后總?cè)剂狭繉?duì)應(yīng)的蒸汽壓力加上C模式下壓力偏置，并以0.3 MPa/min降壓率控制主蒸汽壓力下滑，以等待汽輪機(jī)重新啟動(dòng)或者鍋爐MFT。在此過程中高旁閥開度受到低限的限制，低限由主蒸汽溫度決定(10%～18%)，直到鍋爐滅火，閥門低限放開。

3.1.6 D/E模式——停爐保壓和停爐檢修模式

當(dāng)鍋爐熄火后，旁路控制轉(zhuǎn)入D或E模式。兩者的區(qū)別在于：D模式下運(yùn)行人員無法改變?cè)O(shè)定值，設(shè)定值為31 MPa；而E模式下，需運(yùn)行人員手動(dòng)確認(rèn)，并且可改變?cè)O(shè)定壓力值(機(jī)組檢修停機(jī))。在這兩模式下，高旁將以0.3 MPa/min降壓率控制主蒸汽壓力趨于目標(biāo)值。鍋爐熄火后，高旁進(jìn)入D模式，當(dāng)主蒸汽壓力小于31 MPa時(shí)高旁關(guān)閉，當(dāng)主蒸汽壓力大于31 MPa時(shí)高旁開啟控制壓力在31 MPa以下后關(guān)閉。當(dāng)機(jī)組再次啟動(dòng)準(zhǔn)備工作就緒后，手動(dòng)選擇進(jìn)入E模式，主蒸汽壓力滑至沖轉(zhuǎn)壓力。

3.1.7 高旁快開

考慮到某些異常情況下為防止鍋爐超壓，高旁設(shè)置了快開功能，其觸發(fā)條件為：(1)負(fù)荷>300 MW并延時(shí)10 s，發(fā)電機(jī)跳閘或汽輪機(jī)跳閘；(2)主蒸汽壓力>33.5 MPa，高旁快開5 s后復(fù)歸，重新進(jìn)入自動(dòng)控壓。由于過熱器出口未設(shè)置安全閥，繼而無高旁快關(guān)功能。

3.2 中壓旁路

3.2.1 控制策略

中旁運(yùn)行方式與高旁一樣也分為7種模式，具體劃分見表2。

表2　中壓旁路控制模式的劃分

3.2.2 中旁快關(guān)功能

中旁快關(guān)條件：(1)中旁A或B出口溫度>500 ℃；(2)中旁減溫器噴水壓力<5 MPa。

3.3 低壓旁路

3.3.1 控制策略

低旁控制策略除了在控制目標(biāo)壓力上不同外，基本與中旁一致。

3.3.2 低旁快關(guān)功能

低旁快關(guān)條件：(1)凝汽器A或B壓力>40 kPa(絕對(duì)壓力)；(2)低旁A或B出口溫度>150 ℃；(3)低旁減溫器噴水壓力<1.6 MPa。

4　旁路應(yīng)用情況和需要注意的問題

4.1 應(yīng)用情況

該機(jī)組旁路系統(tǒng)自調(diào)試以來,經(jīng)歷數(shù)次啟、停,50%、100%甩負(fù)荷以及異常情況的考驗(yàn)，旁路在穩(wěn)定壓力和保障機(jī)組安全方面總體符合設(shè)計(jì)要求，尤其是在啟動(dòng)過程中旁控制壓力方面的表現(xiàn)較為優(yōu)異。在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)等節(jié)點(diǎn)由于壓力的控制穩(wěn)定，給水流量的變化也比較平穩(wěn)，繼而在分離器貯水箱、水冷壁壁溫調(diào)節(jié)控制上為操作人員帶來了便利。圖2為汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)過程，圖3為機(jī)組并網(wǎng)至轉(zhuǎn)態(tài)結(jié)束過程。

圖2　汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)過程

圖3　機(jī)組并網(wǎng)至轉(zhuǎn)態(tài)結(jié)束過程

4.2 存在的問題和解決方法

機(jī)組調(diào)試過程中存在以下情況：

(1) 冷態(tài)啟動(dòng)過程中，鍋爐熱態(tài)清洗需要一段時(shí)間，且分離器溫度在170～185 ℃時(shí)效果最佳。最初的控制策略未考慮熱態(tài)清洗，后決定在旁路進(jìn)入A2模式時(shí)，高旁在定閥位30%進(jìn)行升壓的過程中，啟動(dòng)分離器溫度大于170 ℃，將選擇進(jìn)入鍋爐熱態(tài)沖洗階段，該階段將保持當(dāng)時(shí)的主蒸汽壓力不變(大約0.8 MPa)，閥位在30%開度基礎(chǔ)上緩慢開啟；熱態(tài)沖洗階段的結(jié)束的條件是運(yùn)行人員手動(dòng)確認(rèn)水質(zhì)合格后退出沖洗，鍋爐繼續(xù)開始從當(dāng)前壓力以0.2 MPa/min速率繼續(xù)升溫升壓，鍋爐控制燃燒率、主蒸汽壓力由高旁閥控制，此時(shí)高旁進(jìn)入A3模式。

(2) 旁路減溫水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中采用減溫水電動(dòng)門加調(diào)節(jié)閥的組合，存在電動(dòng)門內(nèi)漏和調(diào)節(jié)閥不嚴(yán)的隱患，尤其是中旁接入口位置離高排逆止閥過近，沖轉(zhuǎn)過程中高排逆止閥A、B后溫度波動(dòng)較大，存在高壓缸進(jìn)冷汽的風(fēng)險(xiǎn)。研究后決定在高壓缸蒸汽流量過小時(shí)高排逆止閥不開，待機(jī)組負(fù)荷大于100 MW時(shí)再開啟。

(3) 低旁減溫水調(diào)節(jié)閥在某次100%甩負(fù)荷試驗(yàn)中自動(dòng)控制被切除，導(dǎo)致低旁閥后溫度高、低旁快關(guān)保護(hù)動(dòng)作，從而二次再熱安全門動(dòng)作泄壓。后經(jīng)分析是因?yàn)樵诘团蚤_啟后低旁出口溫度上漲快，減溫水調(diào)閥指令迅速上升與反饋偏差大(偏差15%)導(dǎo)致自動(dòng)切除，待人為干預(yù)開啟時(shí)已為時(shí)已晚。研究后建議取消偏差大自動(dòng)切除條件，同時(shí)由于低旁與凝汽器距離近不存在管道蒸汽帶水振動(dòng)大的問題，建議在低旁出口溫度高于90 ℃時(shí)直接發(fā)超馳全開指令，確保低旁保護(hù)不動(dòng)作，減少擾動(dòng)。

(4) 當(dāng)鍋爐熄火后，旁路控制轉(zhuǎn)入D模式，中旁保壓，主要考慮MFT聯(lián)跳2臺(tái)汽泵，中旁減溫水中斷且管路殘水不多，控制策略上考慮不開中旁。壓力設(shè)定值是在實(shí)際壓力的基礎(chǔ)上加1 MPa，并以不大于0.1 MPa/min的速率變化，中旁壓力設(shè)定值與實(shí)際壓力的差值進(jìn)入PID函數(shù)運(yùn)算輸出中旁開度。100%甩負(fù)荷試驗(yàn)中，主蒸汽壓最高至33.38 MPa，高旁壓力設(shè)定值為31 MPa，高旁開啟(最大26%)，一次再熱器再熱壓力很快達(dá)12.8 MPa(中旁設(shè)定值11.73 MPa)，中旁逐漸開啟至4.8%，一次再熱安全門動(dòng)作。后決定取消中壓壓力設(shè)定值以不大于0.1 MPa/min的速率變化至設(shè)定目標(biāo)，防止中旁開啟。

(5) 當(dāng)機(jī)組處于B模式下由于異常擾動(dòng)旁路溢流開啟時(shí)，應(yīng)注意DEH的運(yùn)行方式的變化。當(dāng)旁路溢流開啟時(shí)，如果DEH進(jìn)入TF(汽輪機(jī)跟隨)方式，即汽輪機(jī)控壓時(shí)，為穩(wěn)定主蒸汽壓力汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥會(huì)關(guān)小，造成壓力上升，而壓力上升又導(dǎo)致旁路繼續(xù)開啟，循而復(fù)始，最壞結(jié)果是調(diào)節(jié)閥關(guān)閉機(jī)組停運(yùn)。在遇到此類情況時(shí)，建議將機(jī)組方式切為BASE(基礎(chǔ))方式，此時(shí)主蒸汽壓力設(shè)定值跟蹤實(shí)際壓力，可避免旁路動(dòng)作，另一方面手動(dòng)控煤控水已達(dá)到新的平衡。

5　結(jié)語(yǔ)

該機(jī)組采用三級(jí)旁路系統(tǒng)，在調(diào)試投產(chǎn)以來已經(jīng)歷了機(jī)組多次啟停和甩負(fù)荷試驗(yàn)的考驗(yàn)，并能自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)控制，通過調(diào)試優(yōu)化在控制主蒸汽壓力、溢流泄壓、快開保護(hù)等方面均達(dá)到機(jī)組運(yùn)行需求，保障了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 邸真珍. 1 000 MW超超臨界機(jī)組高壓旁路系統(tǒng)壓力控制[J]. 上海電力,2009(6):434-437.

Control Strategies for Bypass System of a 1 000 MW Double-reheat Unit and the Application

Zhang Shiwei, Ye Luo, Xu Wei, Xu Hailei, Zhang Guoyu

(Guodian Taizhou Power Generation Co., Ltd., Taizhou 225300, Jiangsu Province, China)

The 1 000 MW ultra-supercritical double-reheat unit adopts the triple-stage bypass system, and its control logic is newly developed based on traditional control strategies. The control modes and strategies respectively for the high-, medium- and low-pressure bypass system are described under startup, shutdown, normal operation and abnormal operation conditions, combined with analysis on corresponding application situation, existing problems and optimization schemes of relevant bypass systems in a certain unit during commissioning period.

steam turbine; double reheat; bypass; control strategy

2016-01-14

張世偉(1983—)，男，工程師，主要從事火電廠集控運(yùn)行管理工作。

E-mail: zhangsw@gdtz.com.cn

TK267

A

1671-086X(2016)04-0278-04