超超臨界二次再熱機(jī)組旁路控制策略設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張?zhí)旌＃?殳建軍， 王 駿， 高愛民， 于國(guó)強(qiáng)

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司, 南京 211102)

超超臨界火電機(jī)組一般采用中間再熱式熱力系統(tǒng)，按一機(jī)一爐的單元配置。通常由于汽輪機(jī)和鍋爐特性差異較大，因此機(jī)爐的匹配問(wèn)題成為機(jī)組生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中的難點(diǎn)之一。在中間再熱機(jī)組上設(shè)計(jì)旁路系統(tǒng)，能夠有效解決單元機(jī)組機(jī)爐運(yùn)行不匹配等問(wèn)題。二次再熱火電機(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與一次再熱火電機(jī)組相比有很多不同之處，機(jī)組旁路系統(tǒng)也更為復(fù)雜。設(shè)計(jì)配置功能完善的旁路系統(tǒng)以及相應(yīng)的控制策略，對(duì)提高二次再熱火電機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性起著重要作用。

筆者根據(jù)某超超臨界二次再熱機(jī)組旁路系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了旁路系統(tǒng)全程自動(dòng)控制策略，并結(jié)合660 MW超超臨界二次再熱汽輪機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)該旁路控制策略進(jìn)行優(yōu)化，以保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 旁路系統(tǒng)功能及組成

汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的作用主要是為汽輪機(jī)提供一條旁路通道，適時(shí)地平衡鍋爐的產(chǎn)汽量和汽輪機(jī)的耗汽量，改善整機(jī)啟動(dòng)條件及機(jī)組不同運(yùn)行工況下帶負(fù)荷的特性。對(duì)于高參數(shù)、大容量的二次再熱火電機(jī)組，為了協(xié)調(diào)機(jī)爐運(yùn)行，適應(yīng)電網(wǎng)快速升降負(fù)荷的要求，增強(qiáng)機(jī)組的靈活性，應(yīng)根據(jù)機(jī)組鍋爐和汽輪機(jī)等設(shè)備的設(shè)計(jì)布置及運(yùn)行方式、對(duì)參數(shù)的要求等方面，設(shè)計(jì)配置功能完善的旁路系統(tǒng)以及相應(yīng)的控制策略。

某電廠660 MW超超臨界二次再熱機(jī)組凝汽式汽輪機(jī)設(shè)計(jì)為單軸、五缸四排汽，采用全周進(jìn)汽滑壓運(yùn)行方式，同時(shí)采用了補(bǔ)汽閥技術(shù)。旁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)為高、中、低三級(jí)串聯(lián)旁路，包含高壓旁路一路、中壓旁路一路、低壓旁路兩路，具體見圖1。

圖1 旁路系統(tǒng)示意圖

1.1 各級(jí)旁路管道和閥門

旁路閥是旁路系統(tǒng)中完成減壓、減溫和流量調(diào)節(jié)的主要部件，主要包括旁路壓力調(diào)節(jié)閥和旁路溫度調(diào)節(jié)閥。高壓旁路設(shè)置在鍋爐側(cè)，采用40%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)容量的旁路系統(tǒng)，從鍋爐出口主蒸汽支管上接出，經(jīng)過(guò)高壓旁路閥(主要控制壓力)減溫減壓后接入鍋爐側(cè)的一次冷再熱蒸汽支管(減溫器前)。高壓旁路閥的減溫水來(lái)自高壓給水。中壓旁路和低壓旁路設(shè)置在汽輪機(jī)側(cè)，中壓旁路容量按啟動(dòng)工況主蒸汽流量加高壓旁路減溫水設(shè)置，從汽輪機(jī)側(cè)的一次熱再熱蒸汽管道接出，經(jīng)過(guò)中壓旁路閥減溫減壓后接入汽輪機(jī)側(cè)的二次冷再熱蒸汽母管(逆止閥后)。中壓旁路閥的減溫水來(lái)自給水泵一次中間抽頭；低壓旁路總?cè)萘堪粗袎号月啡萘考又袎号月窚p溫水設(shè)置，從汽輪機(jī)側(cè)的二次熱再熱蒸汽管道接出，經(jīng)過(guò)低壓旁路閥減溫減壓后接入凝汽器喉部。低壓旁路閥的減溫水來(lái)自凝結(jié)水[1]。

1.2 旁路閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)

為提高壓旁路閥的動(dòng)作速度和定位精度，設(shè)計(jì)采用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)。各級(jí)旁路裝備2臺(tái)液動(dòng)執(zhí)行器的供油油站，當(dāng)旁路系統(tǒng)液壓油壓力低于13 MPa時(shí)，備用油泵聯(lián)鎖啟動(dòng)，30 s內(nèi)系統(tǒng)油壓迅速達(dá)到工作油壓16 MPa后聯(lián)鎖停止備用泵。油站蓄能器所儲(chǔ)能力，能夠在其電源故障的情況下，仍能提供足夠的液壓動(dòng)力，使旁路系統(tǒng)所有閥門完成1～2次全行程開或關(guān)。

2 旁路系統(tǒng)控制策略

超超臨界二次再熱機(jī)組旁路系統(tǒng)的控制策略，根據(jù)機(jī)組本身設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。旁路系統(tǒng)控制主要包括旁路蒸汽壓力控制、旁路蒸汽溫度控制和旁路超馳保護(hù)功能。

2.1 高壓旁路壓力控制

在機(jī)組各種工況下(冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)和極熱態(tài))，汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)，投入旁路系統(tǒng)控制蒸汽參數(shù)，能夠控制蒸汽壓力穩(wěn)定在汽輪機(jī)啟動(dòng)壓力，保證蒸汽溫度與汽輪機(jī)汽缸金屬較快相匹配，從而縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間，同時(shí)也起到回收工質(zhì)的作用，提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。由于高壓旁路設(shè)計(jì)為40%BMCR容量，為保證旁路系統(tǒng)的運(yùn)行安全，機(jī)組正常運(yùn)行并網(wǎng)帶負(fù)荷后，隨著鍋爐側(cè)燃料量的增加，高壓旁路閥開度逐漸減小直至關(guān)閉。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷超過(guò)165 MW后，高壓旁路閥始終處于全關(guān)狀態(tài)，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行異常、過(guò)熱器超壓時(shí)，通過(guò)鍋爐側(cè)過(guò)熱器安全閥快開實(shí)現(xiàn)主蒸汽泄壓溢流，防止主蒸汽壓力超過(guò)安全值。高壓旁路控制主要分為4個(gè)模式：點(diǎn)火模式為A1模式、最小閥位模式為A2模式、升溫升壓模式為A3模式、滑壓跟蹤模式為B模式。

2.1.1 A1模式

鍋爐點(diǎn)火，有任一煤層投入，高壓旁路控制進(jìn)入A1模式，此時(shí)高壓旁路閥保持全關(guān)，高壓旁路壓力設(shè)定值跟蹤實(shí)際主蒸汽壓力。此模式避免了在點(diǎn)火初期鍋爐蓄熱流失，使主蒸汽壓力逐漸累積升壓到一定值。

2.1.2 A2模式

A1模式下滿足以下任一條件時(shí)，轉(zhuǎn)為A2模式：(1)鍋爐點(diǎn)火10 min后；(2)點(diǎn)火時(shí)主蒸汽壓力已大于最大允許沖轉(zhuǎn)壓力(12 MPa)；(3)點(diǎn)火后鍋爐累計(jì)升壓超過(guò)0.1 MPa。

A2模式又稱為閥位跟蹤模式，高壓旁路壓力設(shè)定值跟蹤實(shí)際主蒸汽壓力。在A2模式初期，高壓旁路閥開度從全關(guān)位置以一定的速率開大至閥位控制下限，A2模式下高壓旁路閥開度下限根據(jù)啟機(jī)時(shí)的狀態(tài)自動(dòng)設(shè)置，具體見表1。

表1 A2模式啟動(dòng)參數(shù)

通過(guò)設(shè)定閥門開度下限，使高壓旁路閥始終保持一定的開度，保證鍋爐有一定的蒸汽流量，防止再熱器干燒，同時(shí)又避免了在點(diǎn)火初期鍋爐蓄熱過(guò)多流失，使鍋爐能夠盡快升溫升壓。冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，高壓旁路閥開至最小閥位后，保持此開度升壓至0.5 MPa，隨著壓力上升，高壓旁路閥位緩慢開至A2模式開度上限，開始定閥位升壓[2]。

2.1.3 A3模式

A2模式下，主蒸汽壓力達(dá)到?jīng)_轉(zhuǎn)壓力設(shè)定值，發(fā)電機(jī)未并網(wǎng)且高壓旁路閥指令大于29%，高壓旁路控制進(jìn)入A3模式。A3模式分為：(1)升溫升壓至汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)壓力；(2)保持沖轉(zhuǎn)壓力，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)到3 000 r/min；(3)機(jī)組并網(wǎng)至高壓旁路閥全關(guān)。進(jìn)入A3模式后通過(guò)高壓旁路壓力控制回路維持閥前壓力至汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)壓力，高壓旁路閥位開度上限釋放至100%，保留高壓旁路閥門開度下限，下限為主蒸汽溫度的函數(shù)，具體見圖2。

圖2 A3模式下高壓旁路閥開度下限

2.1.4 B模式

機(jī)組并網(wǎng)后，釋放A3模式閥位控制下限，此時(shí)隨著鍋爐側(cè)燃料量的增加，主蒸汽壓力上升，高壓旁路閥開度逐漸減小，當(dāng)高壓旁路閥開度小于5%時(shí)，汽輪機(jī)已經(jīng)接收了鍋爐所產(chǎn)生的全部蒸汽，高壓旁路控制轉(zhuǎn)為B模式。與100%BMCR容量二次再熱機(jī)組高壓旁路系統(tǒng)不同，40%BMCR容量旁路系統(tǒng)在高負(fù)荷時(shí)無(wú)超壓溢流功能，B模式下高壓旁路的壓力設(shè)定值會(huì)在實(shí)際主蒸汽壓力基礎(chǔ)上疊加一定的偏置量，使得旁路設(shè)定值始終大于實(shí)際壓力，保證高壓旁路可靠關(guān)閉。

2.2 中壓旁路壓力控制

鍋爐點(diǎn)火后中壓旁路控制進(jìn)入A1模式，關(guān)閉中壓旁路閥。在高壓旁路控制進(jìn)入A2模式且高壓旁路閥開度大于3%后，中壓旁路控制進(jìn)入A2模式，中壓旁路壓力設(shè)定值從當(dāng)前一次再熱蒸汽壓力按照0.05 MPa/min的速率變化到0.55 MPa，同時(shí)為了保證一級(jí)再熱器有一定蒸汽流量，且保證升壓泄壓速率與鍋爐熱負(fù)荷匹配，將中壓旁路閥開度上、下限分別設(shè)定為50%、10%。

隨著鍋爐熱負(fù)荷的增加，當(dāng)中壓旁路閥開度大于49%且高壓旁路控制已進(jìn)入A3模式時(shí)，中壓旁路控制進(jìn)入A3模式，中壓旁路目標(biāo)壓力設(shè)定值以0.1 MPa/min速率從0.55 MPa升壓至2.5 MPa，該模式下釋放中壓旁路閥開度上限至100%，保留閥門開度下限為10%。

在機(jī)組并網(wǎng)后，取消中壓旁路控制A3模式閥門開度下限。A3模式下，當(dāng)高壓旁路閥開度小于3%、中壓旁路閥開度小于6%后，中壓旁路控制進(jìn)入B模式。在B模式下，采用一次再熱蒸汽實(shí)際壓力疊加2 MPa作為中壓旁路壓力設(shè)定值，保證在該模式下中壓旁路閥始終關(guān)閉。

2.3 低壓旁路壓力控制

低壓旁路壓力控制策略除控制目標(biāo)壓力不同外，與中壓旁路壓力控制基本一致。低壓旁路控制分為兩路，A、B兩側(cè)采用相同的控制策略，相互獨(dú)立控制，具體見表2。

表2 低壓旁路控制模式

2.4 旁路溫度控制

高、中壓旁路溫度控制(見圖3)均采用基于閥后溫度的單回路控制策略。

圖3 旁路溫度控制圖

通過(guò)調(diào)節(jié)旁路減溫水調(diào)節(jié)閥開度，控制各級(jí)旁路閥后溫度，防止一次、二次再熱器超溫或者由于旁路出口帶水而導(dǎo)致閥后管道及設(shè)備損壞。每級(jí)旁路噴水管路還設(shè)有1個(gè)液動(dòng)截止閥，防止因調(diào)節(jié)閥泄漏，而導(dǎo)致旁路閥體在冷再熱蒸汽和泄漏出的冷水作用下，產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力而導(dǎo)致閥體開裂損壞。

為提高旁路溫度控制的響應(yīng)速率，將旁路閥位與閥前壓力乘積作為前饋信號(hào)引入溫度控制器，控制噴水減溫調(diào)節(jié)閥隨著旁路閥打開，能夠不受溫度測(cè)量延時(shí)的影響而盡快開啟，提高旁路溫度控制效果。

由于低壓旁路閥后蒸汽一般都接近或處于飽和狀態(tài)，在閥后壓力下工質(zhì)的汽化潛熱將達(dá)到 2 000 kJ/kg 以上，蒸汽進(jìn)入飽和狀態(tài)后，在直到出現(xiàn)過(guò)冷前，減溫噴水對(duì)低壓旁路閥后溫度都將不產(chǎn)生影響，采用基于閥后溫度的單回路控制效果并不明顯，因此低壓旁路溫度控制采用焓值決定閥位的控制策略[3]。該控制策略設(shè)計(jì)原理主要是根據(jù)能量守恒原理，由蒸汽流過(guò)低壓旁路閥降低的熱量折算出低壓旁路需要的減溫水量，然后根據(jù)減溫水調(diào)節(jié)閥的流量-閥位特性，得出減溫水調(diào)節(jié)閥的開度。

2.5 旁路保護(hù)功能

2.5.1 旁路快關(guān)

機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中，各級(jí)旁路閥均全部關(guān)閉。任何工況下，機(jī)組主燃料跳閘(MFT)鍋爐熄火時(shí)，旁路閥均保持關(guān)閉狀態(tài)，鍋爐進(jìn)入悶爐保壓狀態(tài)。

為防止再熱器和凝汽器超溫、超壓，該旁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)了旁路快關(guān)功能，表3為旁路快關(guān)條件，快關(guān)條件滿足后觸發(fā)超馳關(guān)電磁閥指令，同時(shí)將各級(jí)旁路閥調(diào)節(jié)指令超馳置為0。

表3 旁路快關(guān)條件

2.5.2 旁路快開

當(dāng)機(jī)組在低負(fù)荷段(機(jī)組負(fù)荷小于99 MW)正常運(yùn)行，若發(fā)生汽輪機(jī)跳閘或者發(fā)電機(jī)跳閘，且鍋爐未觸發(fā)MFT熄火時(shí)，各級(jí)旁路閥超馳快開，同時(shí)各級(jí)旁路控制由B模式轉(zhuǎn)換為A3模式，維持各級(jí)蒸汽壓力在沖轉(zhuǎn)壓力，等待汽輪機(jī)重新啟動(dòng)。表4為二次再熱機(jī)組旁路快開條件對(duì)比，C模式為汽輪機(jī)跳閘但鍋爐不跳閘模式。

表4 二次再熱機(jī)組旁路快開條件對(duì)比

3 應(yīng)用及優(yōu)化

3.1 旁路系統(tǒng)應(yīng)用

旁路系統(tǒng)自投運(yùn)以來(lái)，機(jī)組多次啟停及長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行情況表明，該旁路控制策略能夠滿足機(jī)組在啟動(dòng)、停止和事故工況下對(duì)旁路系統(tǒng)的控制要求，特別在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)熱力循環(huán)加快了蒸汽參數(shù)的提高，縮短了啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間。旁路系統(tǒng)全程自動(dòng)控制的運(yùn)用，減少了運(yùn)行人員在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)過(guò)程中的人工操作，保證汽輪機(jī)的各項(xiàng)沖轉(zhuǎn)參數(shù)控制在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，提高了運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

圖4為高壓旁路冷態(tài)啟動(dòng)參數(shù)。

圖4 高壓旁路冷態(tài)啟動(dòng)參數(shù)

3.2 協(xié)調(diào)控制優(yōu)化

3.2.1 主蒸汽壓力控制模式切換

該二次再熱汽輪機(jī)組數(shù)字電液(DEH)控制系統(tǒng)采用西門子SPPA-T3000分散控制系統(tǒng)(DCS)，通過(guò)DEH控制系統(tǒng)中汽輪機(jī)自啟動(dòng)順控實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)過(guò)程中，高壓旁路控制處于A3模式，控制主蒸汽壓力維持在沖轉(zhuǎn)壓力。機(jī)組并網(wǎng)后，隨著鍋爐側(cè)燃料量增加，主蒸汽壓力上升，高壓旁路閥逐漸關(guān)閉，當(dāng)高壓旁路閥開度小于5%時(shí)，汽輪機(jī)已經(jīng)接收了鍋爐所產(chǎn)生的全部蒸汽，此時(shí)汽輪機(jī)自啟動(dòng)順控接收到高壓旁路閥關(guān)閉信號(hào)，DEH控制系統(tǒng)從限壓控制方式轉(zhuǎn)為初壓控制方式，通過(guò)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開度來(lái)控制主蒸汽壓力，汽輪機(jī)啟動(dòng)歩序完成，機(jī)組處于汽輪機(jī)跟隨(TF)運(yùn)行方式。

3.2.2 汽輪機(jī)切缸時(shí)旁路控制模式切換

機(jī)組并網(wǎng)后，維持初始負(fù)荷66 MW運(yùn)行，旁路系統(tǒng)閥門均已全部關(guān)閉。升速、定速、低負(fù)荷及甩負(fù)荷工況下，流經(jīng)汽輪機(jī)(超)高壓缸蒸汽流量過(guò)低可能引起(超)高壓缸末級(jí)葉片鼓風(fēng)發(fā)熱，導(dǎo)致葉片的熱應(yīng)力和差脹增大。根據(jù)DEH控制系統(tǒng)控制邏輯，如果(超)高壓缸排汽溫度過(guò)高，首先會(huì)啟動(dòng)(超)高壓缸排汽溫度限制器，減小中壓調(diào)節(jié)閥的開度，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)高壓調(diào)節(jié)閥，打開(超)高壓通風(fēng)閥，將(超)高壓缸抽真空，汽輪機(jī)切除(超)高壓缸運(yùn)行；如果(超)高壓缸排汽溫度繼續(xù)升高，超過(guò)跳機(jī)限制值時(shí)，將發(fā)出停機(jī)信號(hào)，遮斷機(jī)組。圖5為汽輪機(jī)(超)高壓缸排汽溫度。

圖5 汽輪機(jī)(超)高壓缸排汽溫度

由于超高壓缸高壓軸封溢流至高壓缸平衡鼓后作為冷卻汽源，該管路無(wú)逆止閥，因此當(dāng)超高壓缸和高壓缸任一排汽溫度達(dá)到高二值(切缸值)時(shí)，同時(shí)觸發(fā)超高壓缸、高壓缸切缸程序，關(guān)閉超高壓、高壓缸調(diào)節(jié)閥，切除超高壓缸和高壓缸。汽輪機(jī)切缸發(fā)生后，若不及時(shí)打開高壓旁路閥和中壓旁路閥，會(huì)導(dǎo)致主蒸汽和一次再熱蒸汽阻塞，延時(shí)10 s后觸發(fā)鍋爐再熱器保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組MFT。而旁路系統(tǒng)B模式下始終保持旁路閥關(guān)閉且無(wú)超壓溢流功能，因此當(dāng)汽輪機(jī)切缸后，必須及時(shí)將高、中壓旁路閥開啟，防止鍋爐再熱器干燒。

為了減少在低負(fù)荷工況時(shí)機(jī)組誤跳閘的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)汽輪機(jī)運(yùn)行方式特點(diǎn)，對(duì)旁路系統(tǒng)控制策略進(jìn)行了優(yōu)化。增加4路DEH控制系統(tǒng)與DCS旁路控制系統(tǒng)的硬接線信號(hào)，將汽輪機(jī)超高壓、高壓缸切缸信號(hào)及時(shí)送至旁路控制系統(tǒng)，在汽輪機(jī)切缸后迅速將旁路控制模式由B模式切換至A3模式，超馳打開高中壓旁路閥，防止鍋爐再熱器干燒。旁路系統(tǒng)控制模式切換后， DEH控制系統(tǒng)側(cè)控制自動(dòng)切為限壓控制方式，通過(guò)高壓旁路閥控制主蒸汽壓力，維持機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷大于66 MW，超高壓缸排汽溫度恢復(fù)至正常溫度范圍時(shí)，DEH控制系統(tǒng)中超高壓缸并缸順控程序自動(dòng)激活，將超高壓缸調(diào)節(jié)閥和主汽閥重新打開，同時(shí)關(guān)閉超高壓通風(fēng)閥，使超高壓缸投入運(yùn)行。

超高壓缸并缸順控程序完成后，延時(shí)2 min自動(dòng)激活高壓缸并缸順控程序，使汽輪機(jī)恢復(fù)到正常三缸運(yùn)行方式。DCS旁路控制系統(tǒng)接收到DEH控制系統(tǒng)并缸完成信號(hào)后，自動(dòng)將高、中壓旁路A3模式的閥位開度下限設(shè)置為0，使得旁路閥開度能夠隨著鍋爐燃料量的增加而逐漸減小至全關(guān)，旁路系統(tǒng)控制重新切回到B模式，機(jī)組重新恢復(fù)正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)40%BMCR旁路容量超超臨界二次再熱機(jī)組旁路控制策略進(jìn)行研究，提高了二次再熱機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，降低了機(jī)組跳閘的風(fēng)險(xiǎn)，保障了機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，旁路系統(tǒng)全程自動(dòng)控制的投入，減輕了運(yùn)行人員的操作任務(wù)，為運(yùn)行人員提供了便利。

與旁路100%BMCR容量機(jī)組相比，40%BMCR容量旁路系統(tǒng)在機(jī)組啟動(dòng)、低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)作用更為明顯，因此筆者研究的控制策略僅適用于旁路40%BMCR容量超超臨界二次再熱機(jī)組，但仍為后續(xù)旁路100%BMCR容量超超臨界660 MW二次再熱機(jī)組旁路系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)提供了參考。