100 MW槽式太陽能光熱電站旁路系統(tǒng)控制策略及應(yīng)用

袁 博，路軍鋒

(1.中國(guó)電力工程有限公司，北京 100048；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

旁路系統(tǒng)在發(fā)電站的應(yīng)用，早期其主要功能是為了輔助機(jī)組建立蒸汽循環(huán)，以適應(yīng)機(jī)組容量的提升以及汽輪機(jī)對(duì)蒸汽參數(shù)要求，其功能比較簡(jiǎn)單，僅在100 MW以上大型電站機(jī)組上采用[1-2]。隨著發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，發(fā)電廠對(duì)于機(jī)組的安全性、經(jīng)濟(jì)性要求逐步提高，旁路系統(tǒng)的功能不再僅僅單一應(yīng)用于機(jī)組的啟動(dòng)控制，而是要綜合考慮旁路系統(tǒng)在整個(gè)電站運(yùn)行、事故狀態(tài)下旁路的綜合功能作用，設(shè)計(jì)人員對(duì)旁路系統(tǒng)功能的認(rèn)識(shí)得到重視和提高，進(jìn)而從設(shè)計(jì)上開始進(jìn)行深度開發(fā)及實(shí)踐，旁路系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用[3]。旁路系統(tǒng)在機(jī)組啟動(dòng)過程、事故狀態(tài)下對(duì)蒸汽參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制，不僅滿足了機(jī)組啟動(dòng)過程中蒸汽參數(shù)的要求，同時(shí)減少了事故狀態(tài)下機(jī)組蒸汽參數(shù)超壓風(fēng)險(xiǎn)、安全閥動(dòng)作次數(shù)，縮短機(jī)組再次啟動(dòng)時(shí)間，對(duì)于提高機(jī)組安全性、經(jīng)濟(jì)性起到了重要的作用[4-7]。光熱電站的旁路控制功能是否完善主要體現(xiàn)在以下幾方面，一是機(jī)組的啟動(dòng)控制功能，能夠適應(yīng)機(jī)組不同狀態(tài)的啟動(dòng)運(yùn)行方式；二是對(duì)機(jī)組設(shè)備的超壓安全保護(hù)，通過旁路控制能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)主蒸汽和再熱蒸汽的超壓安全保護(hù)；三是事故狀態(tài)下通過快速的開啟與控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)主蒸汽壓力和再熱蒸汽壓力的飛升控制以及壓力變化速率控制，從而最大程度上保護(hù)機(jī)組設(shè)備的安全[8-9]。

某100 MW槽式導(dǎo)熱油光熱發(fā)電機(jī)組配置CCI公司氣動(dòng)高壓旁路和低壓旁路二級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)，高壓旁路及低壓旁路容量均為100%容量，高壓旁路系統(tǒng)包括高壓旁路閥、高旁減溫水閥和高旁減溫水截閥；低壓旁路系統(tǒng)包括低壓旁路閥、低旁減溫水閥和低旁減溫水截閥。對(duì)于槽式太陽能光熱電站，采用二級(jí)旁路控制系統(tǒng)不僅能滿足機(jī)組啟動(dòng)要求，同時(shí)也能滿足機(jī)組安全要求[10]。汽輪機(jī)配置西門子SST-600-CN+71/EL30型軸向排汽汽輪機(jī)，該汽輪機(jī)啟動(dòng)方式為全自動(dòng)控制，啟動(dòng)過程中對(duì)于汽輪機(jī)每一級(jí)的差壓控制有嚴(yán)格的限制。這不僅對(duì)主蒸汽壓力和溫度有較高的要求，同時(shí)對(duì)再熱蒸汽的壓力和溫度也有較高的要求。本文重點(diǎn)介紹100 MW槽式導(dǎo)熱油太陽能光熱電站旁路的控制策略和關(guān)鍵控制點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于旁路系統(tǒng)事故狀態(tài)下開啟閥門開度建立數(shù)學(xué)模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖1 100 MW槽式太陽能光熱電站汽水系統(tǒng)

1 旁路的控制及保護(hù)

1.1 高壓旁路啟動(dòng)控制

槽式太陽能光熱電站高壓旁路的控制策略主要包括機(jī)組啟動(dòng)過程中的壓力控制，機(jī)組沖轉(zhuǎn)及并網(wǎng)帶基本負(fù)荷時(shí)的壓力控制以及機(jī)組并網(wǎng)后的壓力控制，同時(shí)還需要考慮機(jī)組事故狀態(tài)下快速甩負(fù)荷功能。其中高壓旁路壓力控制主要是通過帶反饋的比例微分積分調(diào)節(jié)(proportion integral differential，PID)回路進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)的。高壓旁路系統(tǒng)全過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，控制模式包括啟動(dòng)初期的最小開度模式控制，機(jī)組沖轉(zhuǎn)時(shí)的最小壓力模式控制，壓力爬坡模式控制，定壓模式控制，壓力跟隨模式控制以及差壓模式(differential pressure,DP)控制。

a.最小開度模式

蒸汽發(fā)生器在啟動(dòng)過程初期，由于與蒸汽發(fā)生器換熱的導(dǎo)熱油流量較小，蒸汽發(fā)生器溫度開始緩慢上升，當(dāng)蒸汽發(fā)生器出口蒸汽壓力逐漸增加到0.5 MPa時(shí)，為建立主蒸汽以及再熱蒸汽管道的熱力循環(huán)，使得蒸汽管道得到充分預(yù)暖，高壓旁路需要開啟最小閥門開度，當(dāng)高壓旁路的反饋值大于最小開度定值一定時(shí)間或者實(shí)際主蒸汽壓力小于啟動(dòng)初期設(shè)定的壓力低限(輸入值)時(shí)，高壓旁路進(jìn)入最小開度模式。在此模式下，閉鎖高壓旁路壓力調(diào)節(jié)閥PID輸出值在10%。在此階段，蒸汽發(fā)生器維持熱負(fù)荷保持不變，高壓旁路維持最小開度模式，進(jìn)行主蒸汽管道和再熱蒸汽管道的暖管。

b.最小壓力模式

當(dāng)主蒸汽管道和再熱蒸汽管充分暖管后，且蒸汽過熱度在40 ℃以上時(shí)，逐步增加蒸汽發(fā)生器導(dǎo)熱油側(cè)的流量，換熱負(fù)荷逐步增加，主蒸汽壓力開始緩慢升高，在主蒸汽壓力小于汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)壓力時(shí)，高壓旁路自動(dòng)進(jìn)入最小壓力模式，在主蒸汽壓力小于機(jī)組沖轉(zhuǎn)壓力時(shí)，高壓旁路以0.005 MPa/s的壓力變化率自動(dòng)調(diào)整主蒸汽壓力逐漸增加到最小壓力設(shè)定值1 MPa。

c.壓力爬坡模式

在主蒸汽壓力達(dá)到最小壓力后，旁路控制自動(dòng)進(jìn)入壓力爬坡模式，在此模式下壓力設(shè)定值只能增加，高壓旁路壓力目標(biāo)控制設(shè)定值根據(jù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的溫度自動(dòng)選擇相對(duì)應(yīng)的冷態(tài)、溫態(tài)或者熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)的沖轉(zhuǎn)壓力值。在壓力爬坡模式下，蒸汽發(fā)生器導(dǎo)熱油流量進(jìn)一步增加，直到主蒸汽壓力達(dá)到?jīng)_轉(zhuǎn)設(shè)定值。

d.定壓模式

當(dāng)主蒸汽壓力達(dá)到汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)壓力時(shí)，高壓旁路維持主蒸汽壓力值恒定，汽輪機(jī)開始沖轉(zhuǎn)，并網(wǎng)帶基本負(fù)荷。

e.壓力跟隨模式

高壓旁路在手動(dòng)模式下或者并網(wǎng)完成后，高壓旁路完全關(guān)閉，處于壓力跟隨模式。

f.差壓模式

在汽輪機(jī)并網(wǎng)后，隨著負(fù)荷的增加，旁路緩慢關(guān)閉，直到高壓旁路閥位開度小于2%時(shí)，高壓旁路自動(dòng)進(jìn)入DP模式，此時(shí)高壓旁路閥的實(shí)際壓力設(shè)定值為當(dāng)前主蒸汽壓力值加0.872 MPa，保證高壓旁路在機(jī)組帶負(fù)荷過程中始終處于關(guān)閉狀態(tài)。

1.2 低壓旁路啟動(dòng)控制

圖2 再熱蒸汽壓力設(shè)定值選擇

1.3 旁路控制保護(hù)功能

a.高、低壓旁路溫度保護(hù)

在機(jī)組啟動(dòng)前，高壓主蒸汽通過高壓旁路進(jìn)入冷再管道，再熱蒸汽則通過低壓旁路進(jìn)入空冷凝汽器中。由于冷再蒸汽管道設(shè)計(jì)允許最高溫度為258 ℃，低壓旁路出口至空冷凝汽器管道設(shè)計(jì)允許最高溫度為138 ℃，因此在高、低壓旁路運(yùn)行過程中，高壓旁路出口溫度需要控制在258 ℃以內(nèi)，低壓旁路出口溫度需要控制在138 ℃以內(nèi)。當(dāng)溫度超過限定值時(shí)，高、低壓旁路觸發(fā)出口溫度高高報(bào)警，為了避免蒸汽溫度高而引起管道金屬熱應(yīng)力超過設(shè)計(jì)值，高、低壓旁路需要快速關(guān)閉。同時(shí)機(jī)組在運(yùn)行過程中，汽輪機(jī)排汽溫度需要控制在110 ℃內(nèi)，因此在汽輪機(jī)排汽溫度超過110 ℃時(shí)，低壓旁路也需要快速關(guān)閉。

b.高、低壓旁路壓力保護(hù)

由于機(jī)組高、低壓旁路容量均為100%容量且具有暖管熱備用功能，因此高壓旁路在主蒸汽壓力超過限制值12.5 MPa時(shí)能夠快速開啟防止主蒸汽壓力超壓；而在再熱蒸汽壓力超過4 MPa時(shí)高壓旁路快速關(guān)閉，再熱蒸汽壓力超過3.8 MPa時(shí)低壓旁路快速開啟，從而防止再熱蒸汽管道超壓；而在空冷凝汽器背壓超過115 kPa時(shí)，低壓旁路能夠快速關(guān)閉，防止空冷凝汽器超壓。

c.汽輪發(fā)電機(jī)組故障停機(jī)時(shí)的保護(hù)

100 MW槽式太陽能光熱電站中，預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器、再熱器均為蒸汽或者水與導(dǎo)熱油進(jìn)行間接換熱的換熱器。在機(jī)組正常帶負(fù)荷運(yùn)行過程中，換熱器中導(dǎo)熱油流量高達(dá)5000 m3/h以上，在汽輪發(fā)電機(jī)組故障停機(jī)時(shí)，為了減小換熱設(shè)備的熱沖擊，換熱器熱負(fù)荷變化應(yīng)盡量小。對(duì)于配置100%旁路的光熱電站，這種故障時(shí)的熱沖擊可以通過旁路的快速開啟降到最低，通過旁路將蒸汽工質(zhì)排放到空冷凝汽器中。

2 機(jī)組事故狀態(tài)下旁路控制數(shù)學(xué)模型的建立

槽式太陽能光熱電站蒸汽發(fā)生器、過熱器以及再熱器中導(dǎo)熱油的蓄熱能力較高，在機(jī)組事故跳機(jī)過程中，一方面要保證機(jī)組主、再熱蒸汽壓力不發(fā)生超壓現(xiàn)象，另一方面，盡可能減小由于壓力、溫度的變化而導(dǎo)致關(guān)鍵換熱設(shè)備的熱沖擊。因此非常有必要建立數(shù)學(xué)模型，研究不同負(fù)荷條件下機(jī)組事故跳閘時(shí)旁路的控制策略。

2.1 機(jī)組負(fù)荷與蒸汽流量的關(guān)系

在主、再熱蒸汽溫度為額定設(shè)計(jì)溫度條件下，對(duì)不同負(fù)荷條件下主蒸汽流量與主蒸汽溫度進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,得到主蒸汽流量與負(fù)荷的關(guān)系式為

0.000 156 983N

(1)

2.2 高、低壓旁路特性曲線

高、低壓旁路特性曲線數(shù)值見表1，由表1可見，高、低壓旁路特性曲線數(shù)值基本一致，對(duì)閥門開度值及KV值進(jìn)行擬合，得到高、低壓旁路閥門開度值與KV的統(tǒng)一關(guān)系式。

表1 高、低壓旁路特性曲線數(shù)值

(2)

式中：KV為高壓(低壓)旁路閥門特性曲線值，%；Y為高壓(低壓)旁路閥門的開度值，%。

2.3 高、低壓旁路蒸汽流量及閥門特征值關(guān)系

事故狀態(tài)下旁路開啟，主、再熱蒸汽將通過旁路進(jìn)入空冷凝汽器中，為了減小壓力變化而引起的對(duì)于蒸汽管道和換熱器的沖擊，要求旁路開啟時(shí)主蒸汽壓力變化盡可能小，即通過旁路的蒸汽流量和蒸汽發(fā)生器的蒸發(fā)量一致。其中流經(jīng)高壓旁路閥門的主蒸汽流量與旁路特征值可以通過式(3)表示。

QMSHP=KV·KVSHP·P/[509(0.031H-18.5)]

(3)

式中：QMSHP為流經(jīng)高壓旁路的蒸汽流量，m3/h;KVSHP為高壓旁路閥門特性參數(shù)，為閥門在100%行程時(shí)，兩側(cè)差壓為0.1 MPa時(shí)的流通能力，根據(jù)高旁計(jì)算說明，KVSHP=535 m3/h;P為蒸汽壓力，MPa；H為蒸汽焓值，kJ/kg。

流經(jīng)低壓旁路閥門的主蒸汽流量與旁路特征值可以通過式(4)表示。

QMSLP=KV·KVSLP·P/[509(0.031H-18.5)]

(4)

式中：QMSLP為流經(jīng)低壓旁路的蒸汽流量，m3/h;KVSLP為低壓旁路閥門特性參數(shù)，為閥門在100%行程時(shí)，兩側(cè)差壓為0.1 MPa時(shí)的流通能力，根據(jù)低旁計(jì)算說明，KVSLP=1855 m3/h;P為蒸汽壓力，MPa；H為蒸汽焓值，kJ/kg。

聯(lián)合式(1)—(4)可以計(jì)算出機(jī)組故障甩去全部負(fù)荷，主蒸汽及再熱蒸汽分別完全通過高壓旁路及低壓旁路進(jìn)入凝汽器時(shí)的高、低壓旁路閥門計(jì)算開度，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同工況甩去全部負(fù)荷條件下高、低壓旁路的計(jì)算開度

2.4 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證

基于高、低壓旁路閥門事故狀態(tài)下數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，高壓旁路閥門開度最小在56%以上，低壓旁路閥門最小開度在65%以上。綜合高低壓旁路閥門開啟時(shí)間在2 s左右，將高、低壓旁路閥門事故狀態(tài)下閥門開度值設(shè)定為100%，在機(jī)組負(fù)荷為60%負(fù)荷時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。高壓旁路閥門動(dòng)作及主蒸汽壓力動(dòng)態(tài)擾動(dòng)曲線如圖3所示，低壓旁路閥門動(dòng)作及再熱蒸汽壓力動(dòng)態(tài)擾動(dòng)曲線如圖4所示。

圖3 高壓旁路快速開啟后主蒸汽壓力動(dòng)態(tài)擾動(dòng)曲線

圖4 低壓旁路快速開啟后再熱蒸汽壓力動(dòng)態(tài)擾動(dòng)曲線

由圖3可見，高壓旁路開啟前主蒸汽壓力為8.13 MPa，在機(jī)組60%負(fù)荷跳閘后，主蒸汽壓力瞬間升高0.8 MPa，時(shí)間小于0.5 s，隨后高壓旁路完全開啟，主蒸汽壓力在8 min內(nèi)降至6.83 MPa，主蒸汽壓力下降速率為0.1625 MPa/min，主蒸汽壓力開始下降。由圖3可知，主蒸汽壓力在高壓旁路開啟至60%左右時(shí)開始下降，與計(jì)算值相一致。

由圖4可見，低壓旁路開啟前，再熱蒸汽壓力為1.78 MPa，在機(jī)組60%負(fù)荷跳閘后，再熱蒸汽壓力瞬間升高0.13 MPa，時(shí)間小于0.5 s，隨后低壓旁路完全開啟，再熱蒸汽壓力降至1.45 MPa，再熱蒸汽壓力下降速率為0.043 MPa/min。由圖4可知，再熱蒸汽壓力在低壓旁路開啟至70%左右時(shí)開始下降，與計(jì)算值一致。主、再熱蒸汽壓力參數(shù)的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)過程變化平穩(wěn)，滿足機(jī)組事故狀態(tài)下的安全要求。

3 結(jié)語

根據(jù)100 MW槽式太陽能光熱電站旁路系統(tǒng)工藝特點(diǎn)及技術(shù)要求，對(duì)旁路系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了分析和優(yōu)化。同時(shí)對(duì)事故狀態(tài)下旁路開度控制建立了數(shù)學(xué)模型，通過實(shí)際甩負(fù)荷試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)結(jié)果應(yīng)用于事故狀態(tài)下旁路的控制過程中，減小了主蒸汽壓力、再熱蒸汽壓力的變化速率，進(jìn)而減小了機(jī)組事故狀態(tài)下由于蒸汽壓力速率變化而引起的過熱器、再熱器換熱設(shè)備的熱應(yīng)力沖擊變化，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。旁路的啟動(dòng)控制策略及事故狀態(tài)下的控制策略可供同類型機(jī)組旁路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。