汽輪機切缸技術系統(tǒng)設計和控制策略研究

梁雙榮,白玉宇,郭愛武

(1.國電龍源節(jié)能技術有限公司,北京 100089;2.國電科學技術研究院有限公司太原分公司,山西 太原 030006)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，我國民商用采暖需求不斷上升，這將繼續(xù)促進我國火力發(fā)電機組向熱電聯(lián)產(chǎn)方向的發(fā)展保持快速向上的趨勢[1]。同時，隨著我國風電、光電等可再生能源發(fā)電裝機容量的增長，火電機組的調峰壓力日益嚴峻。

為了既保證供熱又兼顧調峰，越來越多的火力發(fā)電機組進行了低壓缸切除供熱技術改造，降低低壓缸進汽量，實現(xiàn)降低機組發(fā)電負荷的同時，減少冷源損失，增加供熱抽汽量，提高供熱能力。

呂凱等[2]對采用聯(lián)通管抽汽供熱模式和低壓缸切缸供熱模式的亞臨界300 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組，分析了各自的電功率-熱負荷-標準煤消耗量關系；陳永輝等[3]針對超臨界350 MW機組低壓缸切缸技術冷卻蒸汽的設計問題，基于汽輪機的熱力設計計算方法，通過對不同冷卻條件工況下以及正常運行工況下低壓缸通流各級葉片出口溫度分布進行詳細的計算及分析，得到其與冷卻蒸汽量和蒸汽溫度的關系；萬燕等[4]以某350 MW機組為例，結合單耗理論進行高背壓改造方式下供熱季與非供熱季經(jīng)濟性及能耗對比；趙沖等[5]提出了4種天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方案以進行對比分析；谷偉偉等[6]采用有限元方法，建立了某電廠300 MW汽輪機低壓末級葉片在汽流激振力下的振動方程，采用直接積分方法分別計算了葉片在設計工況和低壓缸切缸供熱工況下的動應力；李洋[7]分析了幾種供熱方式的特點,通過比較不同方案的熱電比、供暖面積、耗煤量、發(fā)電量等經(jīng)濟指標,確定了最佳改造方案，并通過理論計算和現(xiàn)場實測對供熱改造后機組的經(jīng)濟性、安全性進行了分析；曲大雷[8]等通過分析運行中主機振動、軸串、瓦溫等參數(shù)和檢查低壓轉子末級葉片的情況,給其他電廠低壓缸切缸改造提供了參考；康劍南等[9]對某調峰機組汽輪機末級葉片小容積流量問題進行了模態(tài)特性及動應力響應數(shù)值模擬研究,結果表明:末級葉片在2 820～3 090 rpm之間無共振點,而額定溫度范圍內(nèi)整圈葉片無共振轉速?；陬~定工況，2.2 kPa、40 t/h設計工況下的動應力滿足要求,而其他非設計工況下的動應力已超出了葉片的耐振強度,全工況動靜應力極值均處于葉型根部出汽側,導致葉片的耐振強度許用值較低；謝天等[10]為提高某北方200 M機組供熱負荷及熱電解耦能力,對比光軸、低壓缸零出力兩種方案的熱經(jīng)濟性及技術經(jīng)濟性,分析了不同方案的優(yōu)、缺點。

在諸多的文獻中，未見有對低壓缸切除供熱系統(tǒng)具體設計方法進行論證的，特別是對冷卻蒸汽旁路管徑的選擇依據(jù)、聯(lián)通管蝶閥和冷卻蒸汽旁路蝶閥協(xié)同調節(jié)方式等問題缺少深入的研究。

本文結合某600 MW超臨界濕冷汽輪發(fā)電機組切缸供熱運行情況，試圖分析聯(lián)通管蝶閥切缸前的合理開度，切缸后旁路蝶閥的合理開度，以及切缸過程中兩個蝶閥開度的對應關系，為旁路管道規(guī)格的選擇，旁路蝶閥的選擇，以及切缸過程中控制策略的制定提供依據(jù)和指導。

1 切缸供熱系統(tǒng)

低壓缸切除供熱系統(tǒng)中，中壓缸排汽分為兩部分，一部分進入熱網(wǎng)加熱器供熱，一部分可通過中低壓缸聯(lián)通管進入低壓缸作功，亦可通過冷卻蒸汽旁路進入低壓缸作功。某600 MW機組在兩個低壓缸的進口分別設置調節(jié)型蝶閥，在兩路冷卻蒸汽旁路上亦分別設置調節(jié)型蝶閥和孔板流量計，切缸運行時，單個低壓缸設計進汽流量≥72 t/h，排汽溫度≤80 ℃，排汽背壓≤2 kPa。具體流程見圖1。

圖1 低壓缸切除供熱系統(tǒng)示意圖

其中，冷卻蒸汽旁路有以下幾方面的功能：首先是為了補償聯(lián)通管蝶閥小流量時的可調范圍；其次是為了規(guī)避聯(lián)通管蝶閥在小開度下可能會出現(xiàn)自行關閉的風險；再次是為了解決聯(lián)通管蝶閥長期小開度下運行存在振動和沖刷問題。

由于設置了冷卻蒸汽旁路，于是就需要明確旁路管管徑設計依據(jù)、聯(lián)通管蝶閥和旁路蝶閥在切缸過程的控制策略。

2 旁路和蝶閥規(guī)格選擇依據(jù)

冷卻蒸汽旁路管道內(nèi)徑和蝶閥規(guī)格選擇的總體思路如圖2所示。

圖2 旁路管道和蝶閥規(guī)格確定流程

其中，聯(lián)通管規(guī)格為Φ1 371.6×25，聯(lián)通管蝶閥規(guī)格為DN1300。

聯(lián)通管蝶閥特性曲線見圖3。聯(lián)通管蝶閥的調節(jié)性能接近于等百分比特性，控制精度較高。

圖3 閥門特性曲線

為了確定聯(lián)通管蝶閥最小允許開度，以中排壓力和低壓缸進汽流量作為變量，對它們進行排列組合產(chǎn)生不同工況，計算每種工況對應的蝶閥開度，并結合聯(lián)通管蝶閥實際運行中振動等方面的表現(xiàn)(經(jīng)過實際運行測試，該項目聯(lián)通管蝶閥可在開度6%及以上安全可靠運行)，確定聯(lián)通管蝶閥的最小允許開度為10%。為了提高計算效率作者開發(fā)相應的計算機程序進行自動計算。圖4是10%及以下開度時，聯(lián)通管蝶閥通流量-中排壓力-聯(lián)通管蝶閥開度關系曲線。

其中，開度10%，中排壓力從500 kPa.a升高到1 100 kPa.a時，通流量從72 t/h增加到159 t/h，當中排壓力500 kPa.a，通流量72 t/h時對應體積流量最大，約42 423 m3/h，由此可確定，當旁路蒸汽流速按60 m/s設計時，旁路管道內(nèi)徑為Φ500 mm；圖4中線段a-b所示為通流量72 t/h時，中排壓力與聯(lián)通管蝶閥開度的關系。

圖4 聯(lián)通管蝶閥通流量與閥門開度的關系

圖5所示為聯(lián)通管蝶閥開度10%時，通流量與中排壓力的關系曲線，從圖中可以看出兩者為線性關系，這個主要是由于閥門出現(xiàn)阻塞流造成的，此時通流量與閥門前后壓差無關，僅與閥前壓力和比容有關。

圖5 聯(lián)通管蝶閥通流量與進汽壓力關系

從圖3中可以看出，旁路蝶閥隨著開度的增加，調節(jié)性能趨于快開特性，控制精度變差，在15%至30%范圍內(nèi)，具有相對較好的調節(jié)性能。

當旁路蝶閥規(guī)格選擇DN500時，如圖6所示，旁路蝶閥開度為30.6%時，其在不同中排壓力下，通流量與聯(lián)通管蝶閥開度10%時相同，并且對應旁路管道內(nèi)蒸汽流速均為60 m/s。圖6中線段a-b所示為通流量72 t/h時，中排壓力與旁路蝶閥開度的關系，即切缸運行工況下，隨著中排壓力從500 kPa.a升高到1 000 kPa.a時，旁路蝶閥開度由30.6%減小到18.4%，此開度范圍位于閥門調節(jié)性能較好的范圍內(nèi)，說明DN500的閥門口徑選擇是比較合理的。

圖6 旁路蝶閥通流量與閥門開度的關系

圖7所示為旁路蝶閥開度30.6%時，通流量與中排壓力的關系曲線，從圖中可以看出兩者亦為線性關系，具體原因與聯(lián)通管蝶閥一致。

圖7 旁路蝶閥通流量與進汽壓力關系

另外，由于蒸汽經(jīng)過旁路蝶閥后，降壓擴容作用明顯，如果閥后管道內(nèi)徑與閥前一致，則閥后蒸汽流速約為230 m/s，為了控制閥后蒸汽流速亦為60 m/s，閥后旁路管道內(nèi)徑選擇Φ1 000 mm，管道長度應盡可能短，旁路蝶閥與閥后管道之間通過變徑管過渡。

3 切缸控制策略

某600 MW機組為三缸四排汽，即有兩個低壓缸，對于切缸方式而言存在單獨切除某一低壓缸和同時切除兩低壓缸的情況，本文僅對前一種情況進行論述，供其他情況參考。

切缸控制策略包含三個階段：切缸前的階段，即聯(lián)通管蝶閥開度大于10%的階段，此階段以中排壓力為目標，自動調節(jié)聯(lián)通管蝶閥開度，旁路蝶閥處于關閉狀態(tài)；過渡階段，期間聯(lián)通管蝶閥開度由10%減小至0，同時旁路蝶閥開度由0增加至30.6%，過程中蒸汽分別由聯(lián)通管和旁路進入低壓缸，聯(lián)通管通過的蒸汽流量不斷減少直至為零，旁路通過的蒸汽不斷增加直至聯(lián)通管蝶閥開度10%時對應的蒸汽流量，但進入低壓缸的總蒸汽流量保持不變。此階段應緩慢減小聯(lián)通管蝶閥的開度，同時以穩(wěn)定當前中排壓力為目標，自動調節(jié)旁路蝶閥的開度；切缸階段，此時聯(lián)通管蝶閥處于關閉狀態(tài)，此階段同樣以中排壓力為目標，自動調節(jié)旁路蝶閥開度，需要注意的是旁路蝶閥存在最小允許開度的限制，此開度受低壓缸進汽流量，即低壓缸進汽壓力的制約，圖6中線段a-b所示即為對應中排壓力下，旁路蝶閥的最小允許開度值，即切缸狀態(tài)下的開度值。

圖8所示為過渡階段，聯(lián)通管蝶閥關閉，旁路蝶閥打開時，兩個閥門不同時刻開度的對應關系，從圖中可以看出，旁路蝶閥開啟的速率是聯(lián)通管蝶閥關閉速率的3～3.5倍。在自動控制過程中，也可以通過對聯(lián)通管蝶閥關閉速率做限速處理，以使兩閥門的關閉和開啟速率協(xié)調一致來實現(xiàn)過渡過程的控制。

圖8 過渡階段兩閥開度對應關系

除上述控制邏輯外，同時還需考慮相關的聯(lián)鎖保護方面的控制邏輯，包括：中排壓力高保護邏輯；3、4抽差壓高保護邏輯；低壓缸進汽壓力低保護邏輯；低壓缸排汽溫度高保護邏輯；低壓缸排汽壓力高保護邏輯；發(fā)電機解列保護；汽輪機跳閘保護；鍋爐MFT保護等。

以上所述為切缸的正過程，其逆過程，反之即可，此處不再贅述。

4 結論

(1)本文結合某火力發(fā)電廠600 MW超臨界濕冷汽輪發(fā)電機組切缸供熱運行情況，確立了冷卻蒸汽旁路管道設計和旁路蝶閥選型的依據(jù)，以及聯(lián)通管蝶閥和旁路蝶閥協(xié)同控制的策略。

(2)當聯(lián)通管蝶閥10%開度時，通過最大容積流量確定旁路管道為DN500，對應旁路蝶閥開度為30.6%，其調節(jié)特性處于較好的范圍內(nèi)。

(3)整個切缸過程的控制目標均取中排壓力，使控制過程簡單、可靠、邏輯清晰。