顧徐鵬(華東電力設(shè)計院有限公司,上海 200063)
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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。
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。
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。
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。
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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.