1000 MW超超臨界二次再熱機組旁路溫度控制邏輯設計

顧徐鵬（華東電力設計院有限公司，上海 200063）

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1000 MW超超臨界二次再熱機組旁路溫度控制邏輯設計

顧徐鵬
（華東電力設計院有限公司，上海 200063）

摘要：泰州電廠二期是國內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)。高旁和中旁溫度采用基于閥后溫度的單回路閉環(huán)控制，低旁溫度控制采用的是一個基于焓值的開環(huán)控制策略。

關鍵詞：二次再熱；旁路系統(tǒng)；旁路溫度控制。

在國內節(jié)能減排政策的不斷推動下，二次再熱技術近年來一下成為了各方關注和爭相研究的熱點。在相同蒸汽溫度、壓力條件下，二次再熱機組的熱效率比一次再熱機組可提高2%左右，CO2排放降低約3.6%。在700℃等級超超臨界技術成熟之前，發(fā)展二次再熱技術是提高機組熱效率的有效手段，是一種可行的節(jié)能降耗、清潔環(huán)保的火力發(fā)電技術。

1 工程概述

泰州電廠二期是國內首臺百萬千瓦超超臨界機組，建成后將成為世界上容量最大的二次再熱機組，對二次再熱技術在國內的進一步發(fā)展有著重要的示范意義。

泰州電廠二期主機參數采用 31 MPa /600/610/610℃，相比于國外一些二次再熱機組參數要高，但目前已經過一次再熱機組反復檢驗的鐵素體合金材料和奧氏體合金材料能夠滿足在這一參數下安全運行的要求，材料上不存在明顯的技術瓶頸。然而二次再熱機組熱力系統(tǒng)相對復雜，系統(tǒng)的控制邏輯以及將來的運行、操作相對于傳統(tǒng)一次再熱機組都更為復雜，所以二次再熱機組的控制邏輯也成為了國內突破二次再熱的一項關鍵技術。

2 二次再熱機組旁路系統(tǒng)

2.1 旁路系統(tǒng)

二次再熱機組熱力系統(tǒng)與一次再熱機組有明顯的不同，一次再熱系統(tǒng)中蒸汽在高壓缸做功后進入鍋爐進行一次再加熱；而二次再熱系統(tǒng)中蒸汽在超高壓缸和高壓缸中做功后會分別在鍋爐的一次再熱器和二次再熱器中再次加熱。相比一次再熱系統(tǒng)，二次再熱系統(tǒng)鍋爐增加一級再熱系統(tǒng)，汽輪機則增加一級循環(huán)做功。

為了配合二次再熱汽輪機組的啟動及運行要求，泰州電廠二期設置了高、中、低壓三級串聯(lián)旁路系統(tǒng)，高旁采用100%BMCR容量，中、低壓旁路容量均按照滿足機組啟動要求設計。各級旁路閥門由德國Bopp & Reuther公司負責供貨，執(zhí)行機構均采用液壓傳動，具體流程見圖1。

該旁路系統(tǒng)可起到以下作用：

（1）機組在各種工況下（冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)和極熱態(tài)）用高中壓缸啟動時，投入旁路系統(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。

（2）啟動時，減少蒸汽中的固體小顆粒通過旁路進入汽輪機，從而防止汽輪機調速汽門、進氣口及葉片的硬粒侵蝕。

（3）啟動及甩負荷時，有效地冷卻鍋爐所有受熱面，特別是可以很好地保護再熱器，防止再熱器干燒。

（4）機組正常運行時，高壓旁路裝置具有超壓安全保護的功能。鍋爐超壓時高壓旁路開啟，代替鍋爐安全閥功能，并按照機組主蒸汽壓力進行自動調節(jié)，直到恢復正常值。從而使系統(tǒng)回收工質，減少噪音。

圖1 泰州電廠二期旁路系統(tǒng)示意圖

2.2 旁路噴水減溫水源及閥門選型

高壓旁路減溫水取自高加出口的主給水管道，最大壓力為44 MPa，正常工作壓力為39 MPa，水溫為315℃。

中壓旁路減溫水取自給水泵中間抽頭，最大壓力為25 MPa，，正常工作壓力為20.5 MPa，水溫為190.6℃。

低壓旁路減溫水取自凝結水系統(tǒng)減溫水母管，最大壓力為5.2 MPa，正常工作壓力為3.8 MPa，水溫為正常為33℃，最高為50℃。

3 旁路溫度控制

旁路控制器包含兩個主要回路，壓力控制和溫度控制。壓力控制器通過旁路閥位控制調節(jié)閥前蒸汽壓力，溫度控制器通過噴水調節(jié)閥控制旁路出口溫度或焓值。下面就對旁路的溫度控制方案作詳細介紹。

3.1 高溫度控制

高旁溫度控制的目的是調節(jié)高旁減溫水調節(jié)閥，控制高旁閥后溫度，防止再熱器超溫或者由于高旁出口帶水而導致閥后管道及再熱器損壞。高旁噴水管路設有一臺液動截止閥和一臺液動調節(jié)閥，設置截止閥主要是防止因調節(jié)閥泄漏，而導致高旁閥體在冷再熱蒸汽和泄漏出的冷水作用下產生過大的熱應力而導致閥體開裂損壞。高旁減溫水截止閥在高旁調節(jié)閥開度＞2.5%且閥后蒸汽過熱度＞20K時連鎖打開，使高旁減溫水隨時可以投入運行；在高旁調節(jié)閥開度＜3%或閥后蒸汽過熱度＜10K時連鎖關閉，截斷減溫水管路防止其過噴或泄漏。

高旁減溫水調節(jié)閥的控制是以高旁閥后溫度為控制參數的單回路閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)，控制邏輯見圖2。閥后溫度設定值是旁路閥后壓力的函數，這是一個預先設定好的關系曲線，得到的設定值必須有30K的過熱度且不能超過390℃的溫度限值。

圖2 高旁減溫水控制邏輯

高旁溫度控制器中還引入了閥位前饋，該前饋量的計算類似于低旁的控制方法，根據溫度設定值計算出閥后焓值目標，換算出需要噴多少減溫水，從而直接獲得噴水調節(jié)閥的開度。引入該前饋可以幫助噴水調節(jié)閥在高旁打開時，不受溫度測量延時的影響而盡快開啟，保護再熱器。

3.2 中旁溫度控制

中旁是二次再熱機組比較特殊的一個系統(tǒng)，但結合系統(tǒng)流程圖不難發(fā)現(xiàn)，中旁減溫噴水的控制要求與高旁基本是一致的，需要閥后溫度控制在合適的范圍，既要防止二次再熱器超溫，又要保證有一定的過熱度，防止減溫水過噴影響機組運行經濟性。所以，中旁溫度控制邏輯可以參考高旁溫度控制的方案，這里就不再贅述了。

3.3 低旁溫度控制

低旁溫度控制的目標是調節(jié)低旁減溫水調節(jié)閥的開度，控制低旁閥后蒸汽參數在合適的范圍內，使其能滿足凝汽器的要求，保護凝汽器不因為旁路出口蒸汽溫度過高而受到過大的熱沖擊，或者由于蒸汽濕度過大導致凝汽器管束的沖刷損壞。由于低旁閥后蒸汽一般都非常接近或處于飽和狀態(tài)，在閥后壓力下工質的汽化潛熱將達到2000 kJ/kg以上，蒸汽進入飽和狀態(tài)后，在直到出現(xiàn)過冷前，減溫噴水對低旁閥后溫度都將不產生影響，所以不能采用閥后溫度反饋來對減溫水調閥作閉環(huán)控制。

泰州電廠二期采用了以下開環(huán)控制策略：利用低旁開度和閥門特性計算出低旁的通流量，再根據低旁閥前、后的蒸汽壓力和溫度，計算出蒸汽的焓降，兩者相乘得出蒸汽需要降低的熱量，這樣根據能量守恒原理就可以精確計算出低旁需要的冷卻水量，然后直接根據減溫水調閥的流量—閥位特性，得出減溫水調閥的開度。具體計算方法如下，式中的低旁通流量計算式是由旁路閥門廠家提供的。

式中：Kv為閥門特性因數；PI為低旁進口蒸汽壓力；TI為低旁進口蒸汽溫度；v'為PI/2 和TI下蒸汽的比體積。

文獻［4］指出，由于低旁調節(jié)閥直對凝汽器，閥后管道很短，導致閥后溫度安裝困難，即使可以安裝，安裝位置也過于接近閥門，噴入低旁的大量減溫水還未完全與蒸汽混合并汽化，導致測得的閥后溫度無法真實反映低旁蒸汽進入凝汽器的狀態(tài)。所以許多工程都按照凝汽器可接受的最大蒸汽焓值（比如2615 kJ/kg）直接作為低旁閥控制的目標焓值代入上述計算式。

系統(tǒng)設計時在低旁減溫水管道上安裝了流量測量裝置，所以上述開環(huán)控制策略中可以引入減溫水流量反饋形成局部的閉環(huán)來更精確地控制減溫噴水量。但從上述計算式可知，減溫水流量是否滿足需求還取決于廠家提供的低旁閥門特性是否準確，計算出的低旁通流量與實際值的誤差有多少，若閥門流量特性不準，引入局部反饋的意義就大打折扣了。

4 結論

二次再熱機組熱力系統(tǒng)較一次再熱機組更為復雜，控制也有其特殊性。本文以泰州電廠二期為例，介紹了二次再熱機組旁路系統(tǒng)的配置，并依次詳細分析了高旁、中旁和低旁溫度的控制策略。按照系統(tǒng)運行特點，高、中旁溫度可采用基于閥后溫度的單回路調節(jié)，而低旁則采用基于焓值的開環(huán)控制方案，希望能對今后的系統(tǒng)邏輯設計提供參考。

參考文獻：

［1］ 張方煒，等.超臨界火力發(fā)電機組二次再熱技術研究［J］.電力勘測設計，2013，（4）.

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

［3］ Steve Freitas，Jason Moore.Key Elements of Successful PM Programs for Turbine Bypass Systems［J］.Combined Cycle Journal，2007.

［4］ Fisher.Turbine Bypass Condenser Dump Applications［R］.Turbine Bypass Applications，Product Bulletin， 2002.

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

［6］ 楊培成，周麗.低壓旁路溫度典型控制策略對比分析及優(yōu)化［J］.熱力發(fā)電，2010，39（7）.

中圖分類號：TM621

文獻標志碼：A

文章編號：1671-9913（2016）02-0014-04

* 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)設計工作。

Design of Bypass Temperature Control Logic in 1000 MW Ultra-supercritical Second Reheat Units

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

Abstract:Taizhou 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. HP and IP bypass temperature control is a single parameter close loop control based on the temperature after the bypass valve. LP temperature control is a open loop control based on the enthalpy.

Key words:double reheat； bypass system； bypass temperature control.