1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組T3000系統(tǒng)應(yīng)用分析

鄭玲紅

(國電泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

采用二次再熱可進(jìn)一步提高機(jī)組的熱效率，滿足機(jī)組低壓缸最終排汽濕度的要求[1]。由熱力學(xué)可知，采用再熱循環(huán)還可提高朗肯循環(huán)的效率，一般一次再熱可使機(jī)組效率提高2%～3%，中間二次再熱相比一次再熱可使機(jī)組效率提高2%左右[2]。當(dāng)溫度達(dá)到 650～720℃、壓力超過30MPa、采用二次再熱，電站的效率將進(jìn)一步提高，可以獲得與IGCC和PFBC發(fā)電技術(shù)相當(dāng)?shù)膬?yōu)良經(jīng)濟(jì)性。首臺1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組成功投運(yùn)，將會使二次再熱技術(shù)得到快速推廣，成為我國火電行業(yè)下一步發(fā)展的主流方向。適用于二次再熱超超臨界機(jī)組的運(yùn)行與控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用。

1 二次再熱機(jī)組DEH系統(tǒng)控制難點(diǎn)

DEH系統(tǒng)控制和一次再熱相比，二次再熱機(jī)組的啟動參數(shù)更高，由于增加了一級再熱，啟動過程以及旁路系統(tǒng)系統(tǒng)配置更復(fù)雜，穩(wěn)定汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的難度更大[3]。二次再熱機(jī)組啟動及控制過程中重點(diǎn)和難點(diǎn)問題就是二次再熱機(jī)組的啟動方式、啟動控制過程中各個閥門的開啟關(guān)閉順序、溫度準(zhǔn)則等限制條件的設(shè)置，以及二次再熱機(jī)組在啟動及運(yùn)行過程中高壓排汽溫度和機(jī)組甩負(fù)荷的控制方案等。

1.1 二次再熱機(jī)組啟動控制

汽輪機(jī)安全可靠的啟動是機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。二次再熱機(jī)組啟動的難點(diǎn)在于：啟動階段流量低，需要控制排汽溫度(超高排高排低排)不因鼓風(fēng)發(fā)熱，使溫度升高，損壞葉片；相比一次再熱機(jī)組，多一組主汽門及調(diào)門，轉(zhuǎn)速控制更困難。在綜合考慮熱力系統(tǒng)及汽輪機(jī)本體因素之后，機(jī)組冷態(tài)啟動采用超高/高/中壓缸聯(lián)合啟動方式。汽輪機(jī)控制系統(tǒng)控制VHP/HP/IP的進(jìn)汽閥門，和一次再熱啟動類似，VHP超高壓缸首先開啟，控制汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)[4]。當(dāng)流量指令大于>4%，高中壓調(diào)門按照4-70的曲線開啟。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2000r/min，高壓中壓調(diào)門關(guān)小，重新按照20-70的曲線開啟。閥門開啟順序見圖1。在啟動階段，旁路控制器控制旁路閥門保持超高壓蒸汽、高壓蒸汽壓力在設(shè)定的啟動壓力。在熱態(tài)極熱態(tài)啟動時，考慮到超高壓缸流量較小，排汽溫度超溫的可能性較大，直接將超高壓缸切除，超高壓逆止閥關(guān)閉，超高壓排汽通風(fēng)閥打開將超高壓缸抽真空，由高中壓缸進(jìn)行沖轉(zhuǎn)。根據(jù)汽輪機(jī)啟動時的熱狀態(tài)，設(shè)計(jì)了機(jī)組帶超高壓缸及不帶超高壓缸兩套自啟動程序，在機(jī)組在熱態(tài)極熱態(tài)啟動時，選擇不帶超高壓缸啟動。這兩種啟動方式由運(yùn)行人員在操作員站手動選擇[5]。當(dāng)機(jī)組帶上一定負(fù)荷，汽輪機(jī)的進(jìn)汽流量達(dá)到一定值后，開啟VHP超高壓缸，完成超高壓缸/高壓缸/中壓缸的流量重新分配。

圖1 閥門開啟順序

二次再熱機(jī)組的啟動由汽輪機(jī)自啟動系統(tǒng)控制完成。在自啟動系統(tǒng)的作用下，汽輪機(jī)能夠安全的，在一個合適的時間內(nèi)完成啟動，使汽輪機(jī)和所有需要啟動的輔助系統(tǒng)安全、可靠地從停機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。啟動過程如下：

1.1.1 啟動前準(zhǔn)備

鍋爐點(diǎn)火、旁路閥門打開、維持旁路壓力，機(jī)組盤車投入、自動啟動程序處于初始狀態(tài)，主氣門前疏水打開、暖主蒸汽管道及主氣門，啟動程序打開各調(diào)門前疏水閥。

1.1.2 打開主汽門,預(yù)暖進(jìn)汽閥門

VHP、HP、IP上下外缸溫差在限制值之內(nèi)(小于30K)，所有輔助系統(tǒng)(潤滑油、頂軸油、真空、汽封系統(tǒng)等)運(yùn)行正常，各主汽門前疏水閥打開，X1、X2溫度準(zhǔn)則滿足，蒸汽品質(zhì)滿足要求之后運(yùn)行人員手動確認(rèn)。

1.1.3 沖轉(zhuǎn)前的檢查

主汽溫度在限制區(qū)之內(nèi)，以防止高壓轉(zhuǎn)子驟冷(大于360°)，主蒸汽/再熱蒸汽有足夠的過熱度(大于30K)，溫度裕度大于30K(超高壓缸、超高壓及高、中壓轉(zhuǎn)子)，再熱汽溫在限制區(qū)之內(nèi)，以防止中壓轉(zhuǎn)子驟冷，X4，X5，X6溫度滿足準(zhǔn)則，超高排通風(fēng)閥處于打開狀態(tài)、高排通風(fēng)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，超高排/高排逆止門處于關(guān)閉狀態(tài)，本體疏水閥打開。

1.1.4 沖轉(zhuǎn)暖機(jī)

汽輪機(jī)超高壓調(diào)門先打開，隨后高/中壓調(diào)門打開，開始沖轉(zhuǎn)，同時超高壓缸/高壓缸排汽逆止閥電磁閥帶電，使逆止閥處于自由狀態(tài)，啟動程序控制機(jī)組升速到暖機(jī)轉(zhuǎn)速(870/min)。

1.1.5 升速到額定轉(zhuǎn)速

超高壓、高、中壓轉(zhuǎn)子預(yù)暖完成，保證在升速期間轉(zhuǎn)子不會超過應(yīng)力，主蒸汽/再熱蒸汽有足夠的過熱度(大于30K)，X7溫度準(zhǔn)則滿足。其中，高壓內(nèi)缸內(nèi)壁測點(diǎn)溫度低于177℃，中壓內(nèi)缸內(nèi)壁測點(diǎn)溫度低于200℃(中壓外內(nèi)缸內(nèi)壁測點(diǎn)溫度低于164℃)，X7e、X7f準(zhǔn)則才起作用，高/中壓轉(zhuǎn)子溫度大于脆性轉(zhuǎn)變溫度大于116℃，作為X7e、X7f準(zhǔn)則。溫度裕度大于30K(超高壓缸、超高壓及高、中壓轉(zhuǎn)子)。

1.1.6 在額定轉(zhuǎn)速暖機(jī)

啟動程序保持機(jī)組轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速，進(jìn)行暖機(jī)，直到滿足要求，以防機(jī)組在帶負(fù)荷期間超過應(yīng)力。控制高壓排汽溫度不超過設(shè)定值，通過超高壓、高中壓調(diào)門，控制器自動調(diào)節(jié)蒸汽流量，以避免汽輪機(jī)鼓風(fēng)發(fā)熱，旁路閥在壓力控制方式以維持蒸汽壓力。溫度裕度大于30K(超高壓缸、超高壓及高、中壓轉(zhuǎn)子)，滿足X8準(zhǔn)則。

1.1.7 同期帶負(fù)荷

一旦汽輪機(jī)滿足了預(yù)暖要求，機(jī)組自動同期[6]，控制器將快速增加負(fù)荷到初負(fù)荷設(shè)定值(5%額定負(fù)荷)，最大升負(fù)荷率為10%/min。應(yīng)力評估器將根據(jù)溫度裕度限制升負(fù)荷率，當(dāng)溫度裕度為零時，停止升負(fù)荷。當(dāng)達(dá)到鍋爐負(fù)荷，汽輪機(jī)可通過全部蒸汽流量，高、中、低旁路關(guān)閉。旁路站全關(guān)后，啟動程序?qū)⑵啓C(jī)控制器切回壓力控制方式，在滑壓運(yùn)行方式下升高鍋爐負(fù)荷到設(shè)定值[7]。

1.2 排汽溫度控制

為了避免由于流經(jīng)汽輪機(jī)汽缸的蒸汽流量過小，造成VHP及HP排汽區(qū)域溫度過高，在DEH控制系統(tǒng)中設(shè)置高排溫度控制器，根據(jù)VHP及HP的排汽溫度自動調(diào)整各個汽缸的流量分配。同時，在機(jī)組運(yùn)行中，如果發(fā)生非穩(wěn)定狀態(tài)過程，如甩負(fù)荷、啟動和停機(jī)期間，為了限制葉片的熱應(yīng)力和差脹，超高壓/高壓葉片排汽區(qū)域蒸汽溫度不能超過最大設(shè)定值。如果超高壓缸排汽溫度過高，首先減小中壓調(diào)門的開度，減少中壓缸的進(jìn)汽量，增大超高壓缸的進(jìn)汽量；如果超高壓缸排汽溫度進(jìn)一步上升，則關(guān)閉超高壓缸調(diào)門，超高排通風(fēng)閥打開，將超高壓缸抽真空，由高中壓缸控制汽輪機(jī)的進(jìn)汽量。如果高壓缸排汽溫度過高，首先減小中壓調(diào)門的開度，減少中壓缸的進(jìn)汽量，增大高壓缸的進(jìn)汽量；如果高壓缸排汽溫度進(jìn)一步上升，則先關(guān)閉超高壓調(diào)門，超高排通風(fēng)閥打開，將超高壓缸抽真空，中壓調(diào)門開度保持不變開大高壓調(diào)門；如果高壓缸排汽溫度繼續(xù)上升，則關(guān)閉高壓調(diào)門，高排通風(fēng)閥打開，將高壓缸抽真空，由中壓缸控制汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，如圖2所示。

圖2 排汽溫度控制

1.3 甩負(fù)荷控制

DEH通過對機(jī)組甩負(fù)荷的識別，快關(guān)調(diào)門后，將機(jī)組從負(fù)荷控制切為轉(zhuǎn)速控制，既預(yù)防了汽輪機(jī)超速，又能在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，維持汽輪機(jī)空負(fù)荷或帶廠用電運(yùn)行。

1.3.1 甩負(fù)荷識別LAM

負(fù)荷識別模件LAW是把甩負(fù)荷分為兩個階段，第一階段是瞬時負(fù)荷中斷KU，機(jī)組的功率信號出現(xiàn)以下這二種情況，即可認(rèn)為機(jī)組發(fā)生瞬時負(fù)荷中斷KU。瞬時降低的負(fù)荷量超過甩負(fù)荷識別極限值GPLSP(約為70%)728MW，機(jī)組出力較低，此時瞬時降低的負(fù)荷量可能不會超過GPLSP(728MW)，但同時滿足以下四個條件：發(fā)電機(jī)出口開關(guān)和主變高壓側(cè)開關(guān)閉合(正常運(yùn)行時GLSE=1)；實(shí)際負(fù)荷低于兩倍廠用電負(fù)荷的限值GP2EB(104MW)；實(shí)際負(fù)荷高于逆功率值GPNEG(-26MW)；有效負(fù)荷設(shè)定值PSW-實(shí)際負(fù)荷PEL的差值大于兩倍廠用電負(fù)荷的限值GP2EB。

1.3.2 甩負(fù)荷識別LAM第二階段

第二階段是瞬時負(fù)荷中斷信號KU發(fā)出一定時間后(2s)，機(jī)組負(fù)荷還是很低(發(fā)生KU的條件二依然滿足)，則發(fā)出甩負(fù)荷信號LAW?？刂浦品绞角袚Q到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速或者負(fù)荷的狀態(tài)。KU和LAW都送至轉(zhuǎn)速/負(fù)荷調(diào)節(jié)器NPR，另外LAW還送至轉(zhuǎn)速設(shè)定功能頁。

1.3.3 甩負(fù)荷后的DEH控制分析

由于甩負(fù)荷，實(shí)際轉(zhuǎn)速肯定會有所上升，在調(diào)節(jié)器在負(fù)偏差的作用下，輸出快速減到零。而調(diào)門的閥位控制回路會作用使其快速關(guān)閉。在調(diào)節(jié)和硬件回路雙管作用下，確保機(jī)組甩負(fù)荷后調(diào)門能迅速關(guān)閉，機(jī)組轉(zhuǎn)速不超速。為避免在短時間內(nèi)反復(fù)出現(xiàn)快關(guān)動作，系統(tǒng)設(shè)置了一個7s的閉鎖時間，期間閥門只能執(zhí)行一次快關(guān)動作。快關(guān)動作時間保持150ms，150ms后閥門恢復(fù)到正常調(diào)節(jié)狀態(tài)。在汽輪機(jī)甩負(fù)荷后，考慮到蒸汽參數(shù)較高，維持機(jī)組轉(zhuǎn)速需要的蒸汽量很小，考慮直接將超高壓缸切除，由高壓/中壓調(diào)門控制機(jī)組維持機(jī)組轉(zhuǎn)速，待并網(wǎng)后再開啟超高壓缸。在機(jī)組并網(wǎng)后帶上一定負(fù)荷，程序自動啟動開啟超高壓缸、高壓缸順控，將超高壓、高壓調(diào)門打開，同時關(guān)閉超高壓/高壓通風(fēng)閥，恢復(fù)正常運(yùn)行。負(fù)荷大于100MW(10%)，重啟高壓缸，負(fù)荷大于150MW(15%)，重啟超高壓缸。

2 調(diào)試運(yùn)行過程中的問題處理及優(yōu)化

2.1 逆止門、主汽門

超高排逆止門、高排逆止門電磁閥的控制指令是由FDO卡件控制，F(xiàn)DO卡件屬于自供電類型卡件，并自帶開路自檢功能，當(dāng)回路短路或開路時，卡件通道會報(bào)故障，故障的通道將不會供電。但是由于電磁閥電阻較大，導(dǎo)致卡件自檢為開路，導(dǎo)致閥門不能打開。后將整個供電回路24V電壓提高了2V后解決[8]。在汽輪機(jī)啟機(jī)過程中主汽門不能正常打開關(guān)閉。經(jīng)檢查為所有主汽門的方向閥電阻偏小，導(dǎo)致電流較大,而設(shè)計(jì)的保險容量偏小，與實(shí)際工作電流相當(dāng)，導(dǎo)致電磁方向閥由于保險動作而失電[9]。將所有的電磁方向閥的斷路器容量由1A改為2A后，主汽門開關(guān)正常。

2.2 甩負(fù)荷邏輯優(yōu)化

西門子超超臨界機(jī)組DEH邏輯中“帶負(fù)荷下的轉(zhuǎn)速控制運(yùn)行方式”的邏輯即為帶廠用電孤島運(yùn)行的典型設(shè)計(jì)。若機(jī)組未設(shè)計(jì)帶廠用電孤島運(yùn)行的方式，當(dāng) “長甩負(fù)荷”信號LAW被觸發(fā)后，汽輪機(jī)控制方式切換到“帶負(fù)荷下的轉(zhuǎn)速控制運(yùn)行方式”，機(jī)組在此控制方式下且未與電網(wǎng)解列，只能維持3000轉(zhuǎn)/分運(yùn)行無法正常帶負(fù)荷，易觸發(fā)發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)動作。在電網(wǎng)功率信號出現(xiàn)畸變時極易引起機(jī)組保護(hù)誤動作。對KU功能加上轉(zhuǎn)速限制，即只有在轉(zhuǎn)速大，才會觸發(fā)甩負(fù)荷信號，優(yōu)化后的KU保護(hù)邏輯圖見圖3。

圖3 優(yōu)化后的KU保護(hù)邏輯圖

2.3 ETS保護(hù)邏輯優(yōu)化

邏輯優(yōu)化修改建議：取消汽輪機(jī)超速保護(hù)通道自動檢測功能，對超速保護(hù)在線試驗(yàn)功能進(jìn)行手動試驗(yàn)，提高超速保護(hù)的可靠性。

DEH系統(tǒng)中該邏輯情況如下：控制油泵母管壓力曾經(jīng)大于150bar(靠RS觸發(fā)器記憶)，與A控制油泵壓力小105bar且B控制油泵壓力小于105bar延時5s且EH母管油壓低于105bar觸發(fā)ETS。此項(xiàng)邏輯看似兩臺泵出口壓力測點(diǎn)二選二邏輯，實(shí)則單點(diǎn)保護(hù)，因?yàn)楸贸隹趬毫y點(diǎn)取自逆止閥之前，當(dāng)泵停運(yùn)時壓力值時很低的，接近0(逆止閥嚴(yán)密情況下)，測點(diǎn)信號必然低于10.5MPa，此條件已經(jīng)滿足，而機(jī)組正常運(yùn)行時是單臺油泵運(yùn)行。一旦運(yùn)行泵出口壓力測點(diǎn)干擾波動或故障會導(dǎo)致跳閘條件發(fā)出，ETS動作。邏輯優(yōu)化修改建議：在EH油母管上增加2個壓力測點(diǎn)，對母管壓力低三取二動作ETS。若暫不具備增加測點(diǎn)條件，修改邏輯為：控制油泵母管壓力曾經(jīng)大于150bar(靠RS觸發(fā)器記憶)，與A控制油泵壓力小105bar且B控制油泵壓力小于105bar延時5s且EH母管油壓低于105bar觸發(fā)ETS。由于機(jī)組正常運(yùn)行中停運(yùn)一臺泵，因而形成運(yùn)行泵出口壓力信號和母管壓力信號二選二邏輯。

軸向位移信號是在DEH2號控制柜邏輯判斷后經(jīng)DEH下層通訊至1號控制柜安全型容器觸發(fā)保護(hù)動作，不符合電力25項(xiàng)反措要求重要的主機(jī)保護(hù)信號必須通過硬接線實(shí)現(xiàn)不允許使用通訊連接的規(guī)定。邏輯優(yōu)化修改建議：在原邏輯基礎(chǔ)上將軸向位移保護(hù)信號增加一路至2號柜“ADD TURBINE PROTECTION”，通過“ADD TURBINE PROTECTION”保護(hù)的硬接線送至1號柜安全型卡件實(shí)現(xiàn)該保護(hù)，使之符合電力25項(xiàng)反措要求。

超高壓缸切缸保護(hù)動作原邏輯為超高壓缸排汽溫度高(三取一)&超高壓缸排汽溫度高或通道故障(三取二)，或者高壓缸排汽溫度高(三取一)&高壓缸排汽溫度高或通道故障(三取二)；高壓缸切缸保護(hù)動作原邏輯為高壓缸排汽溫度高(三取一)&高壓缸排汽溫度高或通道故障(三取二)。存在溫度信號故障，引起保護(hù)誤動作的風(fēng)險。邏輯優(yōu)化修改建議：考慮到超高排、高排溫度保護(hù)定值為超高壓內(nèi)缸金屬90%溫度的相關(guān)函數(shù)，因此對實(shí)際溫度與定值函數(shù)的差值增加速率判斷，溫升速率小于20℃/s。當(dāng)三個差值質(zhì)量正常則進(jìn)行三取二判斷，且只在機(jī)組并網(wǎng)前起作用，當(dāng)機(jī)組并網(wǎng)成功后屏蔽該切缸邏輯。

3 結(jié)語

泰州公司3、4號1000MW超超臨界二次再熱燃煤機(jī)組DEH系統(tǒng)的成功運(yùn)用，驗(yàn)證了本文提出的總體方案設(shè)計(jì)和全程控制策略的合理性。同時根據(jù)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀況，吸取同類型機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化了機(jī)組ETS保護(hù)邏輯，使保護(hù)邏輯與機(jī)組運(yùn)行情況有機(jī)結(jié)合，確保保護(hù)系統(tǒng)不拒動、不誤動，提高機(jī)組保護(hù)的可靠性。1000MW超超臨界二次再熱燃煤機(jī)組在泰州公司機(jī)組二次工程的首次運(yùn)用，對同類機(jī)組DEH系統(tǒng)的應(yīng)用提供了參考。