1 000 MW超超臨界機組蒸汽旁路控制策略優(yōu)化

張建江，羅志浩

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

某1 000 MW超超臨界機組配置西門子液動100%鍋爐最大出力工況（BMCR）流量的高壓蒸汽旁路（簡稱高旁）及65%BMCR流量的低壓蒸汽旁路（簡稱低旁），主蒸汽管道不設(shè)置安全門，高旁除具備調(diào)節(jié)功能外，兼具安全門功能。再熱蒸汽管道配置35%BMCR流量的氣動可調(diào)式安全門，安全門與旁路系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，從而保障機組的安全運行。

旁路系統(tǒng)實現(xiàn)全程自動控制，包括壓力控制、溫度控制、配合汽機沖轉(zhuǎn)、超壓控制、故障快開等。蒸汽旁路的配置對提高機組運行的安全性、靈活性，以及充分發(fā)揮超超臨界機組低能耗的優(yōu)勢、提高經(jīng)濟效益具有重要的作用。

1 高旁控制策略

1.1 高旁運行模式

高旁分別安裝在過熱器出口的4根主蒸汽管道上，蒸汽由過熱器進入高旁減溫減壓后，再進入冷再熱蒸汽管道。高旁閥兼具啟動調(diào)節(jié)閥、減溫減壓閥及安全閥的功能，該閥結(jié)構(gòu)尺寸小，便于安裝及維修[1]。

高旁的控制任務(wù)為：配合鍋爐啟動并對蒸汽進行升壓控制、達到?jīng)_轉(zhuǎn)蒸汽壓力后配合汽機沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)后監(jiān)視蒸汽壓力以防超壓、當(dāng)汽機跳閘或甩負(fù)荷后快開泄走多余蒸汽以及控制閥后蒸汽溫度等。

在機組的整個運行過程中，高旁控制將經(jīng)歷機組啟動模式（A模式）、汽機運行模式（B模式）、汽機故障或停機模式（C模式）、正常停機模式（D模式）、檢修停機模式（E模式）。

1.2 A模式

該模式分為3個階段，即A1，A2和A3。

（1）鍋爐點火即進入A1模式，在此模式下高旁處于關(guān)閉狀態(tài)，壓力控制器不起作用，蒸汽壓力自由波動。

（2）鍋爐開始起壓并達到啟動壓力后旁路進入A2模式，即預(yù)定開度模式。啟動壓力設(shè)定值為點火前蒸汽壓力值疊加相應(yīng)升壓量。進入A2模式后，高旁主控制器將設(shè)定1個預(yù)定開度（5%）打開旁路閥，持續(xù)一段時間后進入A3模式，持續(xù)時間的長短取決于啟動前的主汽壓力。隨著旁路閥的逐漸打開，蒸汽流量逐漸增加，以此來減小過熱器受熱面與聯(lián)箱的溫差。在此模式下，旁路壓力控制依然不起作用，蒸汽壓力不受控制。

（3）當(dāng)旁路預(yù)定開度持續(xù)時間計時結(jié)束或主汽壓力大于12 MPa，將進入A3模式。在A3模式下，蒸汽壓力由旁路控制器控制，主汽壓力逐漸提升，最終達到汽機沖轉(zhuǎn)壓力。如果主汽壓力低于2 MPa，旁路控制器輸出將被限制在50%開度以下，以提高冷態(tài)啟動的升壓速率。

確定升壓速率的依據(jù)是保留約20%BMCR流量的瞬時蒸汽來建立壓力，剩余蒸汽用來冷卻受熱面。如溫升過快，可以考慮減小升壓速率，使更多的熱量由蒸汽經(jīng)旁路帶走。在啟動階段，負(fù)向速率限制為零，當(dāng)鍋爐燃燒率減小或停爐時，旁路將逐漸關(guān)小，待蒸汽流量增加后，壓力設(shè)定值再隨之升高，蒸汽壓力將一直被保持直到汽機接受全部蒸汽。

1.3 B模式

當(dāng)汽機接受全部蒸汽且旁路關(guān)閉后，旁路控制模式切換為B模式。此時汽機處于初壓模式，蒸汽壓力由汽機調(diào)門負(fù)責(zé)控制，高旁控制任務(wù)為限制壓力超越上限。當(dāng)機組協(xié)調(diào)模式投入后，汽機處于限壓方式，蒸汽壓力由鍋爐負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)，汽機參與輔助調(diào)節(jié)。

進入該模式后，高旁壓力設(shè)定為機組壓力設(shè)定值疊加偏差量（DP），由于故障導(dǎo)致壓力上升超越DP，旁路將開啟參與調(diào)節(jié)，直至壓力恢復(fù)至偏差允許范圍。本機組DP設(shè)置為1.4 MPa，該量可根據(jù)安全門定值等參數(shù)進行相應(yīng)調(diào)整。

1.4 C模式

當(dāng)汽機停機或跳閘時，汽機不再接收全部蒸汽，此時旁路控制系統(tǒng)將切換至C模式。該模式下，旁路將單獨執(zhí)行蒸汽壓力的控制。C模式激活后，高旁蒸汽壓力設(shè)定值將立即降低至與當(dāng)前負(fù)荷對應(yīng)的機組滑壓值，此前蒸汽壓力由汽機控制器進行調(diào)節(jié)。

1.5 D模式

該模式在鍋爐熄火后激活，鍋爐再次啟動時的最高壓力上限為12 MPa。正常情況下，鍋爐熄火時的壓力要低于該值。因此鍋爐滅火后，高旁將處于關(guān)閉狀態(tài)進行保壓，設(shè)定值將高于實際壓力0.5 MPa，但不高于11 MPa，這意味著旁路在汽壓低于11 MPa時維持關(guān)閉狀態(tài)。如果由于鍋爐殘余熱量的原因造成蒸汽壓力高于11 MPa，旁路在凝汽器條件允許的情況下將開啟以限制壓力超過11 MPa。

1.6 E模式

該模式也稱為檢修停機模式，在鍋爐熄火后，由于設(shè)備故障，需要泄壓進行維修，壓力設(shè)定值將逐漸降低至約0.1 MPa，降壓速率參照鍋爐停機曲線。

2 低旁控制策略

2.1 壓力控制

凝汽器條件具備后，再熱蒸汽壓力由低旁控制。靜態(tài)模式下，低旁壓力設(shè)定為0.65 MPa，上限值不超過高壓蒸汽壓力設(shè)定的0.5倍，當(dāng)高壓蒸汽壓力下降時，低壓蒸汽壓力設(shè)定值也將隨之降低。如果再熱蒸汽壓力大于汽機沖轉(zhuǎn)壓力，則在鍋爐吹掃前，再熱蒸汽壓力定值將降至汽機沖轉(zhuǎn)壓力，最大降壓速率不超過0.05 MPa/min，否則低旁將關(guān)閉以維持蒸汽壓力。

鍋爐點火后，一旦高旁開度大于3%，低旁將切至壓力控制方式，壓力設(shè)定為當(dāng)前蒸汽壓力。隨著蒸發(fā)量的增加，旁路持續(xù)開大，當(dāng)開度大于10%后，最小閥位限制被激活，直至汽機并網(wǎng)后才撤除該限制。

當(dāng)達到汽機沖轉(zhuǎn)壓力，低旁已處于最大閥位限制，或連續(xù)5 min未超越?jīng)_轉(zhuǎn)壓力，低旁壓力設(shè)定將切換至實際蒸汽壓力，閥位限制被撤除。與此同時，將按照再熱蒸汽流量計算出的升壓速率，設(shè)定低旁壓力進行升壓至沖轉(zhuǎn)壓力。

再熱蒸汽升壓速率p通過式（1）計算得出：

式中：F為流經(jīng)低壓旁路的再熱蒸汽流量；C為常數(shù)，0.2；K為基于再熱蒸汽壓力的系數(shù)。

當(dāng)汽機沖轉(zhuǎn)且接收全部蒸汽后，低旁關(guān)閉，其設(shè)定值通過汽機負(fù)荷計算得出。負(fù)荷信號采用鍋爐蒸汽流量模型 （見圖1），負(fù)荷量由鍋爐燃燒率的二階慣性環(huán)節(jié)導(dǎo)出，與機前壓力取大值后再生成低旁壓力設(shè)定曲線及安全門壓力設(shè)定曲線。

2.2 噴水控制

圖1 負(fù)荷信號計算原理圖

低旁噴水控制一直是難點，由于閥后管道臨近凝汽器，且蒸汽濕度較高，該處的測溫元件無法真實反映實際溫度，因此直接用閥后蒸汽溫度作為反饋進行閉環(huán)控制顯然不可取。

該機組低旁閥后溫度控制采用純比例控制聯(lián)合噴水預(yù)估的策略，根據(jù)設(shè)備廠提供的經(jīng)驗公式，以當(dāng)前的蒸汽參數(shù)、閥門開度得到理論噴水閥門開度指令，結(jié)合閥后溫度的比例環(huán)節(jié)，最終將噴水調(diào)閥控制在合理開度。

3 旁路的安全門功能

機組高壓蒸汽管道未配置安全門，高旁在必要時需起到安全門的作用，避免管道超壓，造成不可控的事故。

高旁設(shè)置有快開功能，當(dāng)發(fā)生超壓或汽機跳閘時，快開電磁閥動作，旁路快開，泄走多余蒸汽。超壓觸發(fā)旁路快開分2個回路，一個回路由就地壓力開關(guān)引至旁路控制模塊，當(dāng)壓力開關(guān)高報警時直接動作快開電磁閥；另一個回路由旁路前壓力開關(guān)先送至DCS，經(jīng)DCS邏輯判斷后并入旁路快開邏輯。當(dāng)機組負(fù)荷在200 MW以上時發(fā)生汽機跳閘，也將觸發(fā)高旁快開，快開信號維持5 s，期間旁路控制指令跟蹤實際閥位，快開信號復(fù)位后，閉環(huán)控制負(fù)責(zé)對蒸汽壓力的控制，直至汽壓穩(wěn)定。

在調(diào)試過程中，應(yīng)注意高旁快開時，對減溫噴水閥及低旁調(diào)節(jié)的整定。事實證明，增加快開預(yù)動作及噴水量預(yù)估是必要的。

若高旁閥后溫度持續(xù)高于400℃，可能由噴水量不足或噴水管道堵塞等原因?qū)е?。過高的溫度對冷段管道及再熱汽溫都有影響，此時，再熱器安全門將調(diào)節(jié)打開，利用降低再熱器壓力的方法降低旁路出口溫度。

4 存在的問題及優(yōu)化解決方案

4.1 減少再熱器安全門誤動

高旁快開時，由于噴水不及時造成閥后溫度突升，會引起再熱器安全門動作。

可增加噴水調(diào)門在高旁快開時的動態(tài)預(yù)開回路，時間間隔經(jīng)實際試驗測定，預(yù)開幅度由當(dāng)前蒸汽量的函數(shù)計算得出。噴水量預(yù)估采用等效焓降的方法，通過瞬時蒸汽流量及蒸汽比焓降求出需要的噴水量，再根據(jù)噴水調(diào)門的特性計算出相對應(yīng)的閥門開度。

在計算噴水需求量時，由主汽壓力和主汽溫度求出主蒸汽焓hs；由冷再蒸汽壓力和預(yù)期高壓旁路后溫度求出預(yù)期旁路后蒸汽焓hr；由高旁減溫水壓力和預(yù)期高壓旁路后溫度，求出預(yù)期旁路后蒸汽焓hw。若當(dāng)前主汽流量為Fls，則預(yù)期高旁噴水閥開度Cset為：

該開度計算值僅作為高旁快開時的預(yù)開值，即在發(fā)生快開瞬間通過超遲回路將噴水閥預(yù)開至合適開度，達到此開度后釋放超遲信號，由噴水閥本身的閉環(huán)調(diào)節(jié)功能負(fù)責(zé)對閥后汽溫的控制。

4.2 旁路的正確開啟

當(dāng)高壓旁路由B模式切換至C模式時，正常情況下旁路在模式切換時應(yīng)保持關(guān)閉的狀態(tài)。但因控制器中有防止積分飽和的選項，使得在切換至C模式時，由于設(shè)定值回路中DP的去除，控制器偏差將產(chǎn)生正向變化，導(dǎo)致比例作用溢出造成高旁在切換瞬間開啟。

在正常運行過程中旁路的開啟對機組運行是非常不利的，不但會產(chǎn)生很大的擾動，而且還會導(dǎo)致協(xié)調(diào)控制的退出，汽機控制切回初壓模式。經(jīng)過反復(fù)的驗證，去除調(diào)節(jié)器中防積分飽和選項，由外加邏輯取代，可以防止發(fā)生類似事件。方法為當(dāng)旁路控制器輸出大于100%后將控制偏差上限切換為0，防止旁路全開后因為正向偏差的作用造成正向積分飽和；同理當(dāng)旁路控制器輸出為0%時，將控制偏差下限切換為0，以防止旁路全關(guān)后因為負(fù)向偏差的作用造成負(fù)向積分飽和。

4.3 其它問題的處理

（1）在旁路模式切換及汽機控制方式切換時需要用到旁路關(guān)閉信號，在實際過程中兩者的切換不合拍。檢查后發(fā)現(xiàn)所引用的旁路關(guān)閉信號不一致，有的采用模擬量信號，有的采用開關(guān)量信號。統(tǒng)一信號形成后，該問題解決。

（2）原設(shè)計高旁在B模式時，汽壓與設(shè)定值偏差大于+1.4 MPa時，旁路將調(diào)節(jié)開啟參與壓力控制。在實際運行過程中因為堵煤或給水等擾動有時會造成汽壓偏差大于1.4 MPa，旁路的開啟則會加劇指標(biāo)參數(shù)的波動，不利于機組的控制。

將DP由1.4 MPa修改為負(fù)荷的函數(shù)，在低負(fù)荷階段放大偏差，在高負(fù)荷區(qū)域為防止超壓運行將偏差設(shè)置為1 MPa，這樣修改既有效防止了旁路的頻繁動作，又能保護機組不超壓。

5 結(jié)語

由于機組旁路控制系統(tǒng)采用了合理的控制策略，充分發(fā)揮了旁路的作用，機組啟停、運行時都能自動控制，且兼具安全門功能，與鍋爐、汽機配合良好，保障了機組安全、經(jīng)濟運行。通過局部功能的優(yōu)化，使旁路控制更可靠，更精準(zhǔn)。

[1]李利凱，張增峰．超臨界機組旁路配置及容量選擇[J]．山西電力，2009（4）∶54-56．

[2]戎朝陽．1 000 MW機組40%容量的旁路系統(tǒng)特點和應(yīng)用[J]．發(fā)電設(shè)備，2009（2）∶37-39．

[3]朱北恒．火電廠熱工自動化系統(tǒng)試驗[M]．北京：中國電力出版社，2006．