超臨界雙抽背壓式汽輪機甩50%負(fù)荷試驗及分析

朱良君，傅旭峰，王 勇，馬 聰，龍顏長

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.華電國際電力股份有限公司天津開發(fā)區(qū)分公司，天津 300450)

汽輪發(fā)電機組甩負(fù)荷是指發(fā)電機出口斷路器突然跳閘，發(fā)電機負(fù)荷突然降低為零后汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)特性[1]，甩負(fù)荷后要求汽輪機最高飛升轉(zhuǎn)速不得引起機械危急遮斷器跳閘[2]，并且甩負(fù)荷后機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DEH)能使機組轉(zhuǎn)速迅速穩(wěn)定在空轉(zhuǎn)狀態(tài)，只有滿足上述2個條件的情況下甩負(fù)荷試驗才算成功[3-4]，大型火電廠汽輪發(fā)電機組甩負(fù)荷試驗一般先進(jìn)行50%甩負(fù)荷試驗，成功后方可進(jìn)行100%甩負(fù)荷試驗[5]。

甩負(fù)荷試驗由于負(fù)荷發(fā)生快速變化，在極端變工況下運行，各參數(shù)變化速率較快[6]，運行操作量大，對各配套輔機及相關(guān)系統(tǒng)的甩負(fù)荷工況適應(yīng)性要求較高，同時也極大地考驗了汽輪發(fā)電機組在協(xié)調(diào)控制下動態(tài)跟蹤能力及系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)品質(zhì)[7-8]。在甩負(fù)荷試驗中高低壓旁路的控制是一個重點，甩負(fù)荷的進(jìn)行需要配合高低壓旁路快開進(jìn)行[9-10]。

天津某工業(yè)園區(qū)配套熱電工程的超臨界雙抽背壓式汽輪機具有停機不停爐工況供熱功能，在進(jìn)行甩50%負(fù)荷時發(fā)電機出口斷路器斷開，發(fā)電機組跳閘，汽輪機組維持空負(fù)荷運行，觸發(fā)停機不停爐工況，高旁快開動作，兩級抽汽供熱負(fù)荷維持供熱。對外供熱實現(xiàn)甩電負(fù)荷不甩熱負(fù)荷，并在10 min后迅速并網(wǎng)，隨后快速升負(fù)荷恢復(fù)至50%負(fù)荷。經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏?zhǔn)備工序，完善的邏輯控制，最終順利完成1號汽輪機組50%甩負(fù)荷試驗。

1 熱力系統(tǒng)及主機概況

天津某工業(yè)園區(qū)配套熱電工程機組汽輪機采用東方電氣股份有限公司CB170-24.2/5.0/1.8/0.15型汽輪機，該型汽輪機組為超臨界參數(shù)、一次中間再熱、單軸、雙缸、兩級調(diào)節(jié)抽汽、下排汽、背壓式汽輪機，主要參數(shù)如下：主汽門前額定壓力24.2 MPa，主汽門前額定溫度566 ℃，再熱主汽閥前額定溫度453 ℃，再熱主汽閥前額定壓力5.0 MPa，背壓0.15 MPa。在額定抽汽工況下，中壓供熱蒸汽參數(shù)為467 t/h、5.0 MPa，低壓供熱蒸汽參數(shù)200 t/h、1.8 MPa。

主蒸汽和主給水系統(tǒng)為單元制熱力系統(tǒng)，主給水系統(tǒng)配置2×50%汽動給水泵+1×50%電動給水泵；采用6級抽汽回?zé)?，分別為3高1低2除氧；機組汽輪機旁路系統(tǒng)為高、低壓兩級串聯(lián)電動旁路系統(tǒng)，高壓旁路系統(tǒng)容量為87%BMCR工況容量，低壓旁路系統(tǒng)容量為96%BMCR工況容量，旁路系統(tǒng)具備保護(hù)功能。

汽輪機熱力系統(tǒng)見圖1。鍋爐為超臨界參數(shù)/單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、緊身封閉、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、循環(huán)流化床直流鍋爐，在BRL工況下，過熱蒸汽流量為1112 t/h(25.4 MPa(a)/571 ℃)，再熱蒸汽流量為1008 t/h(5.00 MPa(a)/456 ℃)。發(fā)電機為東方電氣集團(tuán)股份有限公司汽輪發(fā)電機，型號QF-170-2-15.75，定子線圈接法為YYY，靜止勵磁方式。

圖1 汽輪機熱力系統(tǒng)

機組采用機、爐、電、熱集中控制方式，通過DCS操作員站完成對機組正常運行工況的監(jiān)視操作和緊急情況事故處理及安全停機停爐。汽輪機調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)(DEH)采用東方自控公司設(shè)備，由高壓抗燃油控制油系統(tǒng)和DEH數(shù)字控制系統(tǒng)組成，具備自動掛閘、轉(zhuǎn)速控制、閥位控制、超速保護(hù)、在線試驗、ETS遮斷保護(hù)、抽汽壓力控制等功能。

2 甩負(fù)荷試驗準(zhǔn)備工作及邏輯優(yōu)化

2.1 試驗前準(zhǔn)備工作

a.主機閥門行程及活動性試驗，主汽閥、調(diào)節(jié)閥嚴(yán)密性試驗均合格，潤滑油泵自啟動聯(lián)鎖保護(hù)試驗、汽輪機側(cè)停機保護(hù)、聯(lián)鎖經(jīng)過確認(rèn)，并且動作可靠。

b.汽輪機調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)動作可靠，危急保安器注油試驗、超速試驗合格，遙控及手動停機裝置動作正?？煽?，OPC保護(hù)動作及調(diào)試性能合格、電超速、機械超速試驗合格。

c.汽輪機抽汽管道所有抽汽逆止門、抽汽電動門、高排逆止門聯(lián)動正常，閥門關(guān)閉時間符合要求，無卡澀現(xiàn)象。

d.廠用電快速切換系統(tǒng)調(diào)試完成，并已正常投運，為確保安全，在試驗前將廠用電切換至啟備變供電。

e.汽動給水泵A、B汽源、除氧器加熱、軸封系統(tǒng)汽源均切換至輔汽供汽。

2.2 試驗過程主要邏輯聯(lián)鎖

高壓旁路：投入自動控制，甩負(fù)荷瞬間強開6 s，開至15%，隨后自動跟蹤冷段再熱蒸汽壓力4.5 MPa，高壓旁路減溫水調(diào)節(jié)閥溫度目標(biāo)值設(shè)定為340 ℃。

低壓旁路：低壓旁路視再熱蒸汽壓力手動調(diào)節(jié)，當(dāng)再熱蒸汽壓力超限時適當(dāng)開啟低壓旁路，低壓旁路減溫水調(diào)節(jié)閥A、B溫度設(shè)定為 60 ℃；高排逆止門為自由狀態(tài)；高排通風(fēng)閥(VV閥)聯(lián)鎖打開；各段抽汽及對外供熱逆止門聯(lián)鎖關(guān)閉；六段抽汽啟動閥門聯(lián)鎖打開至100%；鍋爐過熱器PCV閥及再熱器PCV閥投入自動控制。

2.3 DEH動態(tài)控制

本機組在DEH動態(tài)控制過程中，為進(jìn)一步防止甩負(fù)荷工況下轉(zhuǎn)速飛升觸發(fā)跳機超速，機組配置了甩負(fù)荷預(yù)測功能(LDA)，此時轉(zhuǎn)速尚未達(dá)到103%動作轉(zhuǎn)速，并且在OPC觸發(fā)后，機組自動由負(fù)荷控制轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速控制，進(jìn)一步以轉(zhuǎn)速為目標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在甩負(fù)荷工況下觸發(fā)的控制邏輯與OPC超速邏輯是相同的，當(dāng)機組發(fā)電機主斷路器突然斷開，將直接觸發(fā)OPC超速動作，關(guān)閉所有高、中壓調(diào)節(jié)閥和各抽汽逆止閥，聯(lián)開高排通風(fēng)閥，機組甩負(fù)荷后延時2 s后，且轉(zhuǎn)速低于3060 r/min，OPC第1次動作邏輯復(fù)位，高調(diào)閥CV、中調(diào)閥ICV按1∶1.2比例綜合閥位大小開啟控制轉(zhuǎn)速，并維持3000 r/min。

3 甩負(fù)荷試驗難點分析

3.1 主蒸汽壓力控制

由于本機組為供熱機組，配置的凝汽器容量有限，不足以消納全部負(fù)荷，甩負(fù)荷過程中繼續(xù)對外供熱，通過熱網(wǎng)消納瞬間的熱負(fù)荷。高壓旁路控制高壓旁路閥后即再熱器壓力，主蒸汽壓力調(diào)節(jié)受到一定限制，當(dāng)再熱蒸汽不能及時泄壓時，將會引起高壓旁路開度不足，主蒸汽壓力存在超壓風(fēng)險，此時可以通過低壓旁路或者鍋爐泄壓PCV閥進(jìn)行泄壓。

3.2 汽輪機轉(zhuǎn)速控制

由于本機組的特殊性，在甩負(fù)荷后，再熱蒸汽壓力仍維持較高水平(4 MPa左右)，并且可能會隨著外界熱負(fù)荷波動產(chǎn)生較大壓力波動，對汽輪機DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制將會產(chǎn)生一定影響。同時，在維持轉(zhuǎn)速3000 r/min，重新并網(wǎng)過程中，由于再熱蒸汽壓力較高，高排逆止門無法打開，高壓缸蒸汽只能通過高排通風(fēng)閥流至凝汽器，而高排通風(fēng)閥容量有限，容易造成高排溫度超限。

3.3 汽輪機軸承振動控制

甩負(fù)荷后主蒸汽、再熱蒸汽參數(shù)高，壓力大，DEH邏輯判斷壓力大小會切換至順序閥位控制，汽輪機進(jìn)汽不均勻，蒸汽量少，高壓缸、中壓缸軸向推力較大，對汽輪機軸系有較大影響，容易產(chǎn)生較大振動，對甩負(fù)荷后汽輪機穩(wěn)定運行有較大影響。

4 甩負(fù)荷試驗結(jié)果及分析

4.1 試驗過程

2022年6月17日15:35試驗開始，15:37手動斷開發(fā)電機出口斷路器，高壓、中壓調(diào)門迅速關(guān)閉；1.2 s后轉(zhuǎn)速上升至最大值3045 r/min,；最低降至2905 r/min，20 s后轉(zhuǎn)速二次飛升至3024 r/min，106 s后轉(zhuǎn)速逐漸穩(wěn)定在3000 r/min，轉(zhuǎn)速動態(tài)超調(diào)量為1.5%，機組50%甩負(fù)荷試驗成功。

4.2 試驗結(jié)果分析

機組甩負(fù)荷過程中主要參數(shù)變化如圖2所示，甩負(fù)荷前主蒸汽壓力15.9 MPa，再熱蒸汽壓力4.46 MPa，給煤量80 t/h，中壓供熱流量273 t/h，低壓供熱流量143 t/h；甩負(fù)荷后觸發(fā)機組停機不停爐工況供熱，高壓旁路快開維持熱段再熱蒸汽壓力，并對外供熱。試驗結(jié)果顯示：甩負(fù)荷后最高升至19.8 MPa，再熱蒸汽壓力最高降低至2.96 MPa，中壓供熱流量240 t/h，低壓供熱流量133 t/h，各參數(shù)未超限，對下游熱用戶未產(chǎn)生較大的影響。

在觸發(fā)甩負(fù)荷后，OPC動作，高調(diào)閥、中調(diào)閥聯(lián)關(guān)，各段抽汽逆止閥聯(lián)關(guān)，高排通風(fēng)閥聯(lián)開，機組六段抽汽對空排打開，汽輪機維持3000 r/min空轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定。

甩負(fù)荷試驗前后機組軸瓦溫度、脹差、軸向位移等參數(shù)變化正常，各軸承振動雖有大幅度增加，但尚在保護(hù)范圍內(nèi)。圖3顯示了甩負(fù)荷過程中各軸承振動情況，可以看出，甩負(fù)荷后機組各軸承振動均有明顯升高，其中1號軸承最高升至198 μm，10 min后重新并網(wǎng)帶負(fù)荷，機組振動逐漸下降恢復(fù)至初始值。

并網(wǎng)后隨著進(jìn)汽量增加，各軸承振動逐漸恢復(fù)至正常值，機組各軸向振動參數(shù)逐漸恢復(fù)正常運行水平。逐漸降低高壓旁路，適當(dāng)降低再熱蒸汽壓力至3.0 MPa后，手動關(guān)閉高旁通風(fēng)閥，嚴(yán)密監(jiān)視高排止回閥狀態(tài)為自由狀態(tài)，并且高排壓力足以頂開逆止門，保證機組高壓排汽通暢。隨后逐漸收小高旁至全關(guān)狀態(tài)，機組恢復(fù)帶負(fù)荷運行。

圖2 機組甩負(fù)荷過程中主要參數(shù)曲線變化

圖3 機組甩負(fù)荷后各軸承振動參數(shù)變化

4.3 試驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題

高排通風(fēng)閥自動關(guān)閉造成轉(zhuǎn)速波動，機組高排通風(fēng)閥自動開邏輯分為OPC動作、汽輪機跳閘聯(lián)開、手動開3種，其中OPC動作指令為連續(xù)20 s脈沖，即高排通風(fēng)閥強開20 s，隨后自動關(guān)閉。在機組甩負(fù)荷后，高排通風(fēng)閥聯(lián)開20 s后自動關(guān)閉，因再熱蒸汽壓力過高導(dǎo)致高壓缸排汽無法頂開高排逆止門，高壓缸排汽無處泄壓，高排溫度上升。隨后手動打開后，轉(zhuǎn)速升至3024 r/min，并最終穩(wěn)定在3000 r/min。試驗后針對此條邏輯進(jìn)行優(yōu)化，取消OPC動作發(fā)20 s脈沖，改為OPC動作高排通風(fēng)閥常開。

六段抽汽對空排汽閥在甩負(fù)荷后未能聯(lián)開。試驗前對六段抽汽對空排調(diào)節(jié)閥邏輯進(jìn)行了檢查，確定OPC動作聯(lián)開，但在試驗過程中發(fā)現(xiàn)甩負(fù)荷后未能聯(lián)開，DCS發(fā)出全開100%指令信號，但閥門沒有打開，隨后手動將對空排汽閥逐漸從20%、50%、100%打開，初步判斷為閥門卡澀，建議定期對該閥門進(jìn)行部分行程試驗，保障在事故工況下能夠立即動作。

甩負(fù)荷后機組維持空負(fù)荷運行，轉(zhuǎn)速保持在3000 r/min，由于進(jìn)汽參數(shù)較高，蒸汽18 MPa，再熱蒸汽4.5 MPa，機組進(jìn)汽參數(shù)高、調(diào)門開度小，同時高調(diào)門為順序閥模式，造成機組高壓缸、中壓缸各軸承振動較大。建議甩負(fù)荷后視系統(tǒng)恢復(fù)情況盡快并網(wǎng)，增加汽輪機進(jìn)汽量，保障機組軸向推力平衡，降低軸向振動，保障汽輪機組安全運行。

5 結(jié)語

本次試驗結(jié)果表明，超臨界雙抽背壓式汽輪機在進(jìn)行甩50%負(fù)荷時發(fā)電機出口斷路器斷開，發(fā)電機組跳閘，汽輪機組能夠在高再熱蒸汽壓力下維持空負(fù)荷運行，并觸發(fā)停機不停爐工況供熱工況，高壓旁路快開動作，兩級抽汽供熱負(fù)荷維持供熱，對外供熱實現(xiàn)甩電負(fù)荷不甩熱負(fù)荷。同時能夠在短時間內(nèi)迅速恢復(fù)并網(wǎng)，并重新帶負(fù)荷至50%電負(fù)荷。整改試驗過程中，供熱負(fù)荷與壓力擾動較小，對熱網(wǎng)系統(tǒng)影響微弱，極大地保障了對外供熱穩(wěn)定性。

50%甩負(fù)荷試驗有效驗證了該機組的控制系統(tǒng)機組負(fù)荷瞬時失去后能有效地抑制轉(zhuǎn)速飛升，檢驗出汽輪機DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)過程的響應(yīng)速度及動態(tài)性能，很好地滿足了設(shè)計要求，并為同類型的機組進(jìn)行甩負(fù)荷工況操作提供了良好的技術(shù)支撐。