1000 MW超超臨界二次再熱機組高旁壓力全程自動控制策略

顧徐鵬（華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200063）

?

1000 MW超超臨界二次再熱機組高旁壓力全程自動控制策略

顧徐鵬
（華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200063）

編者按：

自2009年起，華東電力設(shè)計院有限公司建立課題，深入研究“二次再熱”技術(shù)，目標是在現(xiàn)有超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)上大幅提高火電機組熱效率。國電泰州電廠二期工程是由華東院公司設(shè)計的世界首個百萬千瓦超超臨界二次再熱機組項目，該項目同時也是國家能源局百萬千瓦超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電示范項目和國家科技支撐計劃依托工程。目前該工程兩臺機組已全部投入商業(yè)運行，達到當今世界燃煤火電機組的最好水平，使我國真正站在了火力發(fā)電領(lǐng)域的世界之巔。

作為我國首次嘗試“二次再熱”設(shè)計技術(shù)的探索，華東院公司歷經(jīng)概念提出、方案論證、工程設(shè)計和建設(shè)全過程，在“二次再熱”設(shè)計技術(shù)方面取得了豐碩的成果并積累了大量經(jīng)驗。為與廣大電力工作者分享成果和經(jīng)驗，給相關(guān)研究者提供有益的借鑒和啟發(fā)，促進我國電力勘測設(shè)計行業(yè)的技術(shù)進步，《電力勘測設(shè)計》特設(shè)“二次再熱”專欄，以饗讀者。

摘要：泰州電廠二期是國內(nèi)首臺二次再熱燃煤機組，其旁路系統(tǒng)采用了100%BMCR高壓旁路加中低壓啟動旁路的三級串聯(lián)旁路系統(tǒng)。該旁路配置可以加快機組的啟動速度，且配置的100%BMCR高壓旁路可以替代過熱器安全閥完成保護功能，但該系統(tǒng)不考慮FCB工況。根據(jù)旁路的配置方案，制定了詳細的高旁壓力控制邏輯，并提出了一種新的汽輪機沖轉(zhuǎn)壓力計算方法。

關(guān)鍵詞：二次再熱；旁路壓力控制；高旁旁路。

國電泰州電廠二期百萬千瓦超超臨界燃煤發(fā)電機組是我國自主設(shè)計、自主制造的首臺超超臨界二次再熱（火電機組，三大主機均由上海電氣供貨，主機參數(shù)為31 MPa/600/610/610℃，建成后它將成為全世界容量最大的二次再熱燃煤機組，具有重要的示范作用。二次再熱機組相比于常規(guī)百萬千瓦一次再熱機組熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復雜，特別是旁路系統(tǒng)。因此，旁路系統(tǒng)的控制也成為了二次再熱機組控制邏輯研究的一個重點。

1 泰州二期旁路系統(tǒng)配置

泰州電廠二期采用了上海汽輪機有限公司生產(chǎn)的超超臨界、二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、凝汽式汽輪機（N1000-31/600/610/610型），該機型在引進西門子1000 MW級汽輪機組的基礎(chǔ)上由上汽廠自主開發(fā)，啟動方式采用帶旁路的超高、高、中壓缸聯(lián)合啟動。旁路系統(tǒng)采用了高、中、低壓三級串聯(lián)旁路系統(tǒng)，各級旁路閥門由德國Bopp & Reuther公司負責供貨，執(zhí)行機構(gòu)均采用液壓傳動，其結(jié)構(gòu)見圖1。高、中、低壓旁路系統(tǒng)的控制全部由分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System， DCS）完成，不再配置獨立的旁路控制系統(tǒng)。

圖1 泰州電廠二期旁路系統(tǒng)示意圖

高壓旁路（過熱器出口至一次再熱冷段）按100%BMCR容量設(shè)置，分4路露天布置在鍋爐房。中壓旁路（一次再熱熱段至二次再熱冷段）按啟動工況最大主蒸汽流量加高旁減溫水量選型，由2個半容量旁路調(diào)節(jié)閥組成。低壓旁路（二次再熱熱段至凝汽器）按啟動工況最大蒸汽流量加中旁減溫水量選型，同樣由2個半容量旁路調(diào)節(jié)閥組成。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以說是傳統(tǒng)高、低壓兩級串聯(lián)旁路在二次再熱機組上的一個延伸，該旁路配置可以使機組在各種工況下采用超高、高、中壓缸聯(lián)合啟動時，利用旁路系統(tǒng)，控制鍋爐快速提高蒸汽溫度使之與汽機汽缸金屬溫度較快地相匹配，從而縮短機組啟動時間和減少蒸汽向空排放，減少汽機循環(huán)壽命損耗，實現(xiàn)機組的最佳啟動。

泰州二期的100%BMCR容量高壓旁路具有超壓安全保護功能，可以替代過熱器安全閥，在主蒸汽壓力超過設(shè)定值時快開溢流，快開全行程僅需2s，并將按照滑壓曲線進行自動調(diào)節(jié)，直到恢復正常值。這樣過熱器出口可以不再設(shè)置任何電磁泄放閥或者機械式安全閥，使得系統(tǒng)能回收所有工質(zhì)，減少噪音。

常規(guī)一次再熱機組100%高壓旁路和50%～70%低壓啟動旁路的配置可以實現(xiàn)快速甩負荷（Fast Cut Back， FCB）功能，主要因為再熱器配置了4×25%容量帶氣動執(zhí)行機構(gòu)的再熱器安全閥，有效地控制了工質(zhì)的損失，同時適當加大除氧器容積，使鍋爐有穩(wěn)定的給水來實現(xiàn)FCB。泰州二期沒有配置帶氣動執(zhí)行機構(gòu)的再熱器安全閥，再熱器出口只有機械式安全閥，當機組高負荷運行發(fā)生汽機或發(fā)電機跳閘時，無法實現(xiàn)FCB功能，即不能停機不停爐或者甩負荷帶廠用電運行。因為當汽輪發(fā)電機組甩負荷時，鍋爐減負荷有速率限制，不能馬上降低，而中、低壓旁路由于容量不足無法接受所有再熱蒸汽，將勢必會逼高再熱器壓力使安全閥起跳，大量蒸汽將長時間對空排放，而機組的補水速度又難以跟上，工質(zhì)鏈很快斷裂，最終發(fā)生主燃料跳閘（Main Fuel Trip， MFT）。為了保證泰州二期的安全運行，旁路邏輯設(shè)計時將不考慮高負荷運行時的FCB工況，只在條件允許的情況下實現(xiàn)50%負荷以下的停機不停爐或者甩負荷帶廠用電運行。

2 高旁壓力的全程控制

旁路系統(tǒng)特別是高旁壓力的控制對啟動過程中主蒸汽參數(shù)與汽輪機超高壓模塊狀態(tài)的匹配、或者甩負荷時防止熱應(yīng)力超限都起著重要的作用。本節(jié)將對高旁壓力在機組啟動、正常運行、正常停機以及甩負荷等各種工況下的控制策略作詳細的分析。

2.1 汽輪機沖轉(zhuǎn)壓力的自動計算

上汽廠提供1000 MW級汽輪機對其沖轉(zhuǎn)蒸汽參數(shù)有嚴格控制，汽輪機啟動的整個過程都會根據(jù)相應(yīng)的X準則來判斷主汽閥、調(diào)節(jié)汽閥、汽缸、轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力是否符合要求，沖轉(zhuǎn)蒸汽壓力過高，蒸汽溫度與汽輪機金屬溫度不匹配，或者蒸汽過熱度不足都可能造成閥體、汽缸、轉(zhuǎn)子的內(nèi)外溫差過大而引起熱應(yīng)力超限，影響汽輪機的使用壽命。

為了滿足汽輪機沖轉(zhuǎn)的要求，一般會按機組的金屬溫度劃分為四種啟動工況，對應(yīng)如下：停機超過72 h（金屬溫度＜150℃）為冷態(tài)啟動；停機10～72 h（金屬溫度150～350℃）為溫態(tài)啟動；停機少于10 h（金屬溫度350～450℃）為熱態(tài)啟動；停機小于1 h（金屬溫度＞450℃）為極熱態(tài)啟動。對應(yīng)這四種工況，常規(guī)一次再熱機組高旁控制策略中確定汽輪機沖轉(zhuǎn)壓力的方法為：根據(jù)鍋爐點火時的高壓缸轉(zhuǎn)子溫度確定汽輪機的啟動工況，然后直接套用汽機廠啟動曲線中提供的冷溫熱態(tài)主蒸汽參數(shù)作為汽輪機的沖轉(zhuǎn)參數(shù)。

傳統(tǒng)方法離散地確定了四個工況點，而本工程在此基礎(chǔ)上進行了改進，采用了一種新的利用超高壓轉(zhuǎn)子溫度計算汽輪機沖轉(zhuǎn)所需的主蒸汽壓力的方法。方法具體計算過程為：根據(jù)主蒸汽溫度滿足不低于當時汽缸、轉(zhuǎn)子溫度減20℃，即滿足X5、X6準則，由X準則計算出主蒸汽溫度要求和過熱度要求，兩者作差可獲得一個飽和蒸汽溫度，該飽和蒸汽溫度對應(yīng)的壓力即為所需的沖轉(zhuǎn)壓力，計算出的沖轉(zhuǎn)壓力必須在一定范圍內(nèi)（12～16 MPa之間）。該方法通過超高壓轉(zhuǎn)子溫度獲得一個連續(xù)的汽輪機可接受的沖轉(zhuǎn)蒸汽壓力，不再硬性地區(qū)分機組的冷態(tài)、穩(wěn)態(tài)、熱態(tài)、極熱態(tài)，可以加快機組的啟動速度。沖轉(zhuǎn)壓力的自動計算使得控制系統(tǒng)可以在鍋爐點火之初就將旁路系統(tǒng)投自動，實現(xiàn)旁路系統(tǒng)的全程自動控制。該方法已經(jīng)在多臺600/1000 MW超超臨界機組上得到成功應(yīng)用。

2.2 高旁壓力控制策略

根據(jù)二次再熱機組的運行工況，系統(tǒng)將旁路控制方式分為A、B、C、D、E五種方式。A方式表示機組啟動方式，根據(jù)鍋爐的不同啟動階段又將A方式分為3個階段，A1方式為高壓旁路全關(guān)方式，A2方式為最小閥位啟動方式，A3方式為旁路升壓方式；B方式為機組正常運行時的旁路壓力跟蹤方式；C方式為當機組在50%負荷以下出現(xiàn)汽機跳閘、發(fā)電機解列，汽輪機無法接受全部蒸汽時，旁路系統(tǒng)所采用的控制方式；D、E方式均為鍋爐停運后的旁路控制方式，D方式下旁路仍維持較高壓力，避免高壓管道能量損失，待下一次機組啟動時可以盡快投入使用，E方式下則按速率要求對高壓蒸汽管道進行泄壓，以便進行停機后的檢修。

圖2為高旁壓力的主要控制邏輯。鍋爐點火后，旁路立即進入A1方式，高壓旁路閥保持關(guān)閉，鍋爐壓力自由上升。鍋爐點火12 min、或點火后主蒸汽壓力已經(jīng)超過最大允許沖轉(zhuǎn)壓力、或點火后鍋爐累計升壓超過一定量后，旁路控制切換到A2方式，高旁調(diào)節(jié)閥在1分鐘內(nèi)開至5%開度，再經(jīng)過2分鐘達到17%開度，這樣可以保證一次再熱器有一定的流量，防止其干燒損壞，同時限制旁路閥門在此開度，繼續(xù)進行鍋爐升壓過程。A2方式持續(xù)12 min、或主蒸汽壓力已經(jīng)超過最大允許沖轉(zhuǎn)壓力時，旁路控制切換至A3方式，旁路開始控制主蒸汽壓力，使鍋爐主蒸汽壓力逐步提升至汽輪機的沖轉(zhuǎn)壓力，并將高壓旁路閥的閥位最小開度限制在8%～18%之間，最大開度限制在50%～100%。隨著汽輪機沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)帶負荷，汽輪機與鍋爐負荷逐漸匹配，高壓旁路調(diào)閥持續(xù)關(guān)閉直到全關(guān)，控制系統(tǒng)發(fā)出汽機接管所有蒸汽信號，旁路控制即切換到B方式。在B方式下，高旁壓力設(shè)定值確定為在機組滑壓曲線上當前負荷點的主蒸汽壓力值再疊加1.4 MPa的裕量，保證旁路在機組正常運行時保持在全關(guān)位置，并在出現(xiàn)異常擾動使主蒸汽壓力突然升高時，打開高旁進行溢流。因為泰州電廠二期不考慮高負荷運行時的FCB工況，所以只有當50%負荷以下出現(xiàn)汽輪機跳閘或發(fā)電機未并網(wǎng)時，旁路控制方式才會切換到C方式。在C方式下，高旁壓力控制器將直接根據(jù)機組滑壓曲線控制主蒸汽壓力，并使主蒸汽壓力逐步下滑至汽輪機再次沖轉(zhuǎn)的壓力。當主蒸汽壓力下滑至汽輪機再次沖轉(zhuǎn)的壓力時，高旁壓力控制器又再一次切換到A3模式，保持主蒸汽壓力，為下一次汽輪機沖轉(zhuǎn)做準備。

圖2 高旁壓力控制邏輯示意圖

為確保機組的安全運行，高壓旁路還帶有快開功能，出現(xiàn)以下幾種情況將觸發(fā)高旁快開：

（1） 機組負荷200 MW以上發(fā)生汽輪機跳閘或發(fā)電機未并網(wǎng)。

（2） 主蒸汽壓力＞35.2 MPa。

（3） 主蒸汽流量大于50%，旁路控制在B方式下，主蒸汽壓力高于協(xié)調(diào)系統(tǒng)主汽壓力設(shè)定值2.4 MPa。

（4） 主蒸汽流量大于50%，旁路控制在C方式下，主蒸汽壓力高于協(xié)調(diào)系統(tǒng)主汽壓力設(shè)定值1.0 MPa。

3 結(jié)論

本文闡述了泰州電廠二期百萬千瓦級二次再熱機組的旁路系統(tǒng)配置、設(shè)計特點，詳細分析了高旁壓力控制邏輯，提出了一種更科學的汽輪機沖轉(zhuǎn)壓力計算方法，實現(xiàn)了高旁壓力的全程控制。作為國內(nèi)首臺二次再熱機組，這些控制邏輯將在系統(tǒng)調(diào)試過程中不斷完善，為今后新建的二次再熱項目提供參考。

參考文獻：

［1］ 馮偉忠.1000 MW超超臨界機組FCB試驗［J］.中國電力，2008，41（10）.

［2］ 馮偉忠.1000 MW級火電機組旁路系統(tǒng)作用及配置［J］.中國電力，2005，38（8）.

［3］ 徐雪元，姚丹花.百萬等級超超臨界機組不同容量汽機旁路分析研究［C］.中國超超臨界火電機組技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第二屆年會，2006.

［4］ 祝建飛，等.1000 MW超超臨界汽輪機自啟動中的熱應(yīng)力控制［J］.上海電力，2008，21（1）.

［5］ 朱介南，等.一種新的機組旁路系統(tǒng)控制策略的設(shè)計與應(yīng)用［J］.熱力發(fā)電，2010，39（9）.

中圖分類號：TM621

文獻標志碼：A

文章編號：1671-9913（2016）02-0006-04

* 收稿日期：2016-02-17

作者簡介：顧徐鵬（1985- ），男，江蘇啟東人，助理工程師，從事電廠熱工控制系統(tǒng)設(shè)計工作。

Research of HP Bypass Control Automation in 1000 MW Ultra-supercritical Second Reheat Units

GU Xyu-peng
（East China Electric Power Design Institute Co.， Ltd.， Shanghai 200063， China）

Abstract:Tai Zhou Power Plant Phase II is the first double reheat coal fired power plant in China. It has a 3 stage cascade bypass system which contains a 100% BMCR HP bypass， an IP bypass for startup and a LP bypass for startup also. This bypass system will fasten the start speed of the whole plant and the funtion of main steam safety valve will be replaced by the 100% BMCR HP bypass. But FCB function is not considered. Base on the system configuration， a detailed control logic of HP bypass pressure has been formed and a new algorithm of steam turbine starting pressure has also been proposed.

Key words:double reheat； bypass pressure control； HP bypass.