某新建火電機組低壓缸零切除控制策略分析及設計

李 展，尤 默，邢智煒，秦天牧，高明帥，張瑾哲

(華北電力科學研究院有限責任公司，北京 100045)

隨著新能源快速發(fā)展，為解決新能源消納工作，迫切需要提高火電廠的調峰調頻能力。顯然“以熱定電”的模式不能滿足現(xiàn)實的需要，以“低壓缸零切除”技術為主的熱電解耦方案可以很好地解決此問題。文獻[1]以200 MW機組為例，提出“低壓缸零出力”技術可使熱電比提高1.107。文獻[2]以600 MW工程改造為例，驗證了通過對汽機本體、控制策略等改造，可以使“低壓缸零切除”機組進行安全運行。文獻[3]從理論上指出低壓缸切除方案利用了冷凝損失供熱，不會增加供熱系統(tǒng)煤耗，相比于其他熱電解耦方案更有競爭力。由于“低壓缸零切除”是近兩年才開始運用，控制策略不完善，運行經驗不足依然會對機組的長期切缸運行帶來潛在的危險。尤其是對新建機組，各運行設備控制策略未經驗證，會顯著增加切缸運行風險[4]。本文依據(jù)某新建機組“低壓缸零切除”運行調試工作，對相關設備控制策略進行設計及優(yōu)化，以期為相關人員作為參考。

1 低壓缸零切除的實現(xiàn)方案

某新建機組為東方汽輪機有限公司設計制造的超臨界、單軸、雙缸雙排汽、中間再熱、間接空冷抽汽凝汽式汽輪機。額定主蒸汽流量1 075.8 t/h，額定出力350 MW。為了實現(xiàn)熱電解耦，汽輪機在出廠之時就配套設計了低壓缸零出力相關設備，如圖1所示。

圖1 低壓缸零切除裝置示意圖

2 低壓缸蒸汽流量測量

在低壓缸切除中，為了保護低壓缸本體安全，最重要的工作就是保證低壓缸在不同工況下有對應的安全流量，因此進入低壓缸蒸汽流量的測量至關重要。目前蒸汽流量的測量主要分為直接測量法與間接測量法。所謂直接測量法，即可使用孔板流量計、噴嘴流量計、渦街流量計等裝置對蒸汽流量進行測量。節(jié)流裝置測量流量計算公式:

(1)

式中Qm——蒸汽質量流量；C——流出系數(shù)；ε——膨脹系數(shù)；β——直徑比；d——節(jié)流件的開孔直徑；ΔP——差壓；ρ——密度。

所謂間接測量法是通過調節(jié)級壓力的測量，再運用弗留格爾公式進行計算：

(2)

式中G0(G1)——設計工況(變工況)下的蒸汽流量；P0,Pz(P01，Pz1)——設計工況(變工況)下級組前后的壓力；T0(T01)——設計工況(變工況)下級組前的蒸汽溫度。

考慮到中低壓缸之間的蒸汽壓力較小，且旁路管道較細，控制邏輯中使用的蒸汽流量是采用節(jié)流裝置進行測量的。

3 低壓缸零切除控制策略

3.1 中低壓缸聯(lián)通管碟閥控制策略

中低壓缸聯(lián)通管碟閥簡稱BV閥，在機組未進行抽氣供熱運行時，BV閥保持全開。當需要供熱時，為保證抽汽壓力與流量，BV閥將對閥前蒸汽壓力進行連續(xù)調節(jié)。當抽汽量逐漸增大，BV閥的開度逐漸減小，在達到最小安全流量時，即可認為此時的供熱量需求較大，需要切除低壓缸進汽。BV閥控制策略圖如圖2所示。

圖2 BV閥控制策略圖

根據(jù)本機組汽輪機的設計，當?shù)蛪焊淄度脒\行的情況下，為避開葉片的顫振區(qū)，并帶走葉片的鼓風損失熱量，保證汽輪機的本體安全，當?shù)蛪焊淄度脒\行時，低壓缸最小安全流量為120 t/h，當?shù)蛪焊浊谐?，最小安全流量?0 t/h，不同情況下的最小流量對應的BV閥的開度，稱為BV閥的臨界開度。

BV閥門的開啟、關閉速率在不同情況下有所不同，當機組在掛閘或者從臨界開度值到100%之間動作時，BV閥按照每秒5%的速率動作。當BV閥臨界開度值到全關之間，為防止熱網(wǎng)加熱器的疏水水位突升，在低壓缸零切除的過程中，將BV的關閉速率降低至每秒1%。當?shù)蛪焊讖那谐酵哆\的過程中，為防止熱網(wǎng)加熱器的壓力突降造成的疏水氣化，BV閥從0%到臨界開度時，開啟速率也為每秒1%。當汽機遮斷，OPC動作時，甩熱負荷時，BV閥將不再設置關閉速率。除此之外，在調試中發(fā)現(xiàn)BV閥動作的遲緩率較大(見圖3)，最大達到4 s。為了保證機組運行的安全性，需要不僅需要對硬件設備進行優(yōu)化，也要從控制策略的調節(jié)參數(shù)方面進行優(yōu)化，達到削弱BV閥遲緩率的目的。

圖3 BV閥遲緩率

在低壓缸投入運行的情況下，當?shù)y后壓力低報警；五段供熱抽汽壓力高報警；中排溫度高報警將閉鎖減BV閥開度。但同時在低壓缸切缸時，蝶閥后壓力低閉鎖減BV閥將失效。

為了最大限度保證機組的安全運行，當供熱為投入；BV閥前壓力信號壞點；閉鎖減信號發(fā)生；低壓缸切除后等自動將BV閥切至手動狀態(tài)。BV閥調節(jié)曲線圖如圖4所示。

圖4 BV閥調節(jié)曲線圖

3.2 中低壓缸旁路調閥控制策略

隨著供熱量的增大，當中低壓缸連通管蝶閥完全關閉后，進入低壓缸的蒸汽流量將由旁路調閥控制。進入低壓缸的蒸汽流量將由上面的儀器直接測量得到。

由于在低壓缸零切除后，旁路調節(jié)閥是蒸汽進入低壓缸的唯一通道，為了確保低壓缸的安全，旁路調節(jié)閥一定有個最小開度，簡稱旁路調閥的臨界開度。由于不同負荷下，臨界開度值不同，則臨界開度是負荷的單值函數(shù)。同時旁路調閥閥門的開啟、關閉速率像BV閥一樣，在不同情況下是不同的。當機組非低壓缸零切除運行、汽機遮斷、OPC動作、甩熱負荷時，旁路調閥的開啟速率不做限制。當汽機處于低壓缸零切除的情況下，調閥的開啟及關閉速率為每秒1%。

為了確保低壓缸最后一道保護有效，當旁路蒸汽流量信號變壞、設定值與測量偏差信號大、調閥開度與反饋偏差大都會導致調閥切為手動。如在低壓缸零切除運行的情況下，當流量小于30 t/h時，旁路調節(jié)閥閉鎖減信號觸發(fā)，同時發(fā)出報警，提醒運行人員?？刂撇呗匀鐖D5所示。旁路閥調節(jié)曲線圖如圖6所示。

圖5 旁路閥控制策略

圖6 旁路閥調節(jié)曲線圖

3.3 抽汽調門控制策略

為了保證低壓缸切除后，中壓缸排汽壓力保持穩(wěn)定，不觸發(fā)跳機。當?shù)蛪焊浊谐盘栍|發(fā)后，可以把BV閥的開度作為抽汽調節(jié)閥的前饋，前饋系數(shù)根據(jù)抽汽調門投入自動的個數(shù)，在調試時進行實際整定。在低壓缸從投入到退出的過程中，為了防止加熱器的壓力突升，當任一加熱器出現(xiàn)壓力或者疏水水位突降時，抽汽調門的開度將閉鎖抽汽調門增。當?shù)蛪焊讖那谐酵度氲倪^程中，為了防止加熱器的壓力突降而導致疏水水位突升，當任一加熱器出現(xiàn)壓力突降而導致疏水水位突升時將閉鎖抽汽調門減。控制策略如圖7所示。抽汽調門調節(jié)曲線圖如圖8所示。

圖7 抽汽調門控制策略

圖8 抽汽調門調節(jié)曲線圖

4 結語

依據(jù)某新建350 MW機組低壓缸零切除試驗調試工作，對中低壓缸聯(lián)通管蝶閥、旁路閥、抽汽調閥控制策略進行設計、優(yōu)化及整定，得出如下幾個結論。

(1)投入中低壓缸聯(lián)通管蝶閥、中低壓缸旁路閥、抽汽供熱調閥自動后，機組可以實現(xiàn)穩(wěn)定的供熱，汽機各軸承振動、軸向位移、低壓缸末級葉片溫度，加熱器疏水水位都保持在正常范圍內。

(2)由于抽汽供熱的被調量安全裕度較大，可以適當放大蝶閥及抽汽調閥的調節(jié)死區(qū)及正常供熱工況下的閥門調節(jié)速率，同時對旁路閥設置臨界開度，防止造成設備的損壞。

(3)由于低壓缸零出力是近年才進行實際運用，需要安排專門的人負責重要參數(shù)的監(jiān)視，尤其對新建機組的首次試驗，最大限度地保證設備的安全及電網(wǎng)的穩(wěn)定。