1 000 MW二次再熱汽輪機組沖轉(zhuǎn)前X準則的控制分析

葉羅，刁洪虎，崔曉光

(國電泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225300)

圖1 汽輪機與旁路系統(tǒng)配置

0 引言

汽輪機X準則作為熱應力評估(TSE)系統(tǒng)用于計算并監(jiān)測不同啟動模式下每個運行階段汽輪機的熱應力重要依據(jù)，通過可變的溫度標準來保證主蒸汽、再熱蒸汽參數(shù)滿足并適應啟動過程中運行方式的變化。X準則能有效避免工作人員判斷失誤造成的不必要停機或損壞[1]，同時作為啟動條件送到汽輪機主順控子組控制器(SGC)中，通過不斷判斷X準則以決定是否繼續(xù)執(zhí)行下一步[2]。

本文根據(jù)國電泰州發(fā)電有限公司二期工程機組生產(chǎn)調(diào)試的實際情況，就汽輪機在沖轉(zhuǎn)前X準則匹配過程中存在的主要問題進行分析和建議，對提高該類型汽輪機機組沖轉(zhuǎn)的安全性、流暢性，降低啟動過程能耗具有一定參考意義。

1 二次再熱汽輪機簡介

該廠二期2臺1 000 MW汽輪機是由上海汽輪機有限公司和德國SIEMENS公司聯(lián)合設計制造的超超臨界、二次中間再熱、五缸四排汽、反動凝汽式汽輪機組，采用全周進汽滑壓運行方式。該汽輪機在通流部分采用模塊化設計，本體部分由5個汽缸組成，即1個超高壓缸、1個雙流高壓缸、1個雙流中壓缸和2個雙流低壓缸[3]。機組采用高壓、中壓和低壓三級旁路系統(tǒng)，具體如圖1所示。

該廠2臺超超臨界二次再熱機組自2016年1月168 h雙投以來，經(jīng)歷了多次冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)啟動。對于極熱態(tài)工況，因?qū)訁?shù)匹配要求較高，一方面極易造成啟動過程中負溫差過大，另一方面也會因所需蒸汽流量小造成汽輪機排汽溫度高而使汽輪機跳閘，故超超臨界二次再熱機組不建議采用極熱態(tài)啟動。在實際生產(chǎn)過程中，數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)啟動主順序SGC控制時常在開超高壓、高壓主汽閥前X1，X2準則難以滿足，從而影響整個啟機過程的連續(xù)性。故本文針對性選取X1，X2準則在冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)啟動下的控制作為分析對象。

1.1 X1準則

X1準則分為X1A，X1B,其中X1A準則應用于超高壓調(diào)節(jié)閥，X1B準則應用于高壓調(diào)節(jié)閥。主要控制策略目的是：A/B側(cè)超高壓(高壓)主蒸汽閥(以下簡稱主汽閥)前溫度的最小值，大于超高壓(高壓)調(diào)節(jié)閥閥殼體平均溫度。以確保在打開超高壓(高壓)主汽閥以前，高壓蒸汽不會冷卻超高壓(高壓)調(diào)節(jié)閥。

(1)X1A準則可由式(1)和表1確定。

X1A=Tms-F(Tmcv) ，

(1)

式中：Tms為左側(cè)超高壓主汽閥前、右側(cè)超高壓主汽閥前溫度的最小值；Tmcv為超高壓調(diào)節(jié)閥閥殼體平均溫度；F(Tmcv)為超高壓調(diào)節(jié)閥閥殼體平均溫度對應的F(x)值。

表1 X1A準則中Tmcv對應函數(shù)值

(2)X1B準則可由式(2)和表2確定。

X1B=Trs-F(Trcv) ，

(2)

式中：Trs為左側(cè)高壓主汽閥前、右側(cè)超高壓主汽閥前溫度的最小值；Trcv為高壓調(diào)節(jié)閥閥殼體平均溫度；F(Trcv)為超高壓調(diào)節(jié)閥閥殼體平均溫度對應的F(x)值。

表2 X1B準則中Trcv對應函數(shù)值

1.2 X2準則

X2準則同樣分為X2A，X2B，其中X2A準則應用于超高壓調(diào)節(jié)閥，X2B準則應用于高壓調(diào)節(jié)閥。主要控制策略目的是：主蒸汽(一次熱再)壓力對應下的飽和溫度小于超高壓(高壓)調(diào)節(jié)閥閥殼體平均溫度。蒸汽在凝結(jié)階段熱交換水平較高，該準則可避免因飽和蒸汽溫度凝結(jié)換熱導致閥體承受熱應力過大[4]。

(1)X2A準則可由式(3)和表3確定。

X2A=Tsatst-[F*(Tmcv)×1.3+Tmcv] ，

(3)

式中：Tsatst為主蒸汽壓力對應下的飽和溫度；Tmcv為超高壓調(diào)節(jié)閥閥殼體平均溫度；F*(Tmcv)為超高壓調(diào)節(jié)閥閥殼體平均溫度對應的F(x)值。

(2)X2B準則可由式(4)和表4確定。

(4)

表3 X2A準則中Tmcv對應函數(shù)值

表4 X2B準則中Trcv對應函數(shù)值

2 X準則匹配過程的難點

2.1 X1準則匹配

在冷態(tài)下，超高壓、高壓調(diào)節(jié)閥金屬溫度處于較低水平時，通過式(1)(2)可以看出X1準則容易滿足。而當汽輪機處于溫態(tài)，尤其熱態(tài)啟動情況時，恰恰相反，超高壓、高壓調(diào)節(jié)閥金屬溫度處于較高水平。為確保在主汽閥開啟后主、再熱蒸汽不至于過度冷卻調(diào)節(jié)閥而產(chǎn)生較大的應力，需控制超高壓、高壓主汽閥前蒸汽溫度。但由于疏水點以及暖閥電動閥位置(如圖2所示)在主汽閥前蒸汽溫度測點之前，主汽閥前蒸汽流通性較差形成“死區(qū)”，即爐側(cè)參數(shù)已滿足匹配要求，機側(cè)仍處于緩慢上升過程中，故整個啟動時間延長。隨著燃料量、除鹽水的消耗，啟動成本增加明顯。

圖2 測點與暖閥電動閥的布置

2.2 X2準則匹配

根據(jù)X2準則的定義，若要X2準則滿足，一方面是降低主、一次熱再蒸汽壓力，使該壓力下的飽和溫度下降；另一方面是提高超高壓、高壓調(diào)節(jié)閥殼體平均金屬溫度。為防止因調(diào)節(jié)閥不嚴造成不合格品質(zhì)蒸汽污染汽輪機或汽輪機被帶動進入臨界轉(zhuǎn)速等情況發(fā)生，在開啟主汽閥之前，要求主蒸汽壓力控制<4 MPa，繼而X2準則中飽和溫度范圍可以限定。故而X2準則重點在提高超高壓、高壓調(diào)節(jié)閥殼體平均金屬溫度上。

在溫態(tài)、熱態(tài)下,超高壓、高壓調(diào)節(jié)閥殼體平均金屬溫度較高，X2準則容易滿足而無需控制。而冷態(tài)啟動在主汽閥未開啟狀態(tài)下，僅僅依靠金屬管道傳熱以及閥門內(nèi)漏，超高壓、高壓調(diào)節(jié)閥殼體平均金屬溫度上升極其緩慢，造成暖閥過程耗時長。

3 X準則在生產(chǎn)實際中的控制與優(yōu)化

在汽輪機SGC程控啟動步驟中，X1，X2準則在開超高壓、高壓主汽閥前用到，以確定主汽閥前蒸汽參數(shù)達到匹配條件，同時超高壓、高壓調(diào)節(jié)閥已經(jīng)暖好，在開啟主汽閥后不會產(chǎn)生額外的應力。當X1，X2準則滿足后，確認汽輪機蒸汽品質(zhì)合格就可以至SGC程控第21步開啟調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)汽輪機沖轉(zhuǎn)至暖機轉(zhuǎn)速。

結(jié)合多次啟動過程，X1，X2準則在生產(chǎn)實際過程中是可以通過操作調(diào)整以及適當?shù)母深A實現(xiàn)高效匹配。

(1)降低爐側(cè)來蒸汽溫度偏差。泰州電廠二次再熱機組爐側(cè)高溫過熱器、一次高溫再熱器過熱器出口高溫蒸汽分別通過4根蒸汽管道兩兩匯集成2根引至汽輪機。爐側(cè)的蒸汽溫度偏差將直接影響對應機側(cè)溫度，在X1準則中超高壓、高壓主汽閥前溫度取的是A/B側(cè)溫度最小值，故而需加強爐側(cè)出口蒸汽參數(shù)監(jiān)視與控制，及時通過二次風門、磨組運行方式調(diào)整來減小爐側(cè)來蒸汽溫度偏差。

(2)提高主汽閥前蒸汽溫度。鍋爐點火起壓后僅僅開啟蒸汽管道沿途疏水點疏水閥提高汽溫是不夠的，需要及時逐步全開暖閥電動閥。該閥位于主汽閥之前，主要作用就是加熱主汽閥管道，若卡澀或無法開啟勢必影響暖閥效果。所以，在啟動過程中，要注意監(jiān)視該閥閥后溫度，以判斷狀態(tài)是否正常。同時，在啟動過程中也需保持旁路系統(tǒng)的正常運行，尤其機組熱態(tài)啟動時，增加蒸汽通流量并盡快提高啟動參數(shù)，保持旁路的大流量運行是不可替代的[5]。

(3)設置超高壓、高壓調(diào)節(jié)閥暖閥程序。為了提高超高壓、高壓調(diào)節(jié)閥殼體平均金屬溫度，以提高暖閥效率，在啟動SGC程控步驟中增加暖調(diào)節(jié)閥程序。由X2準則不滿足來觸發(fā)程序啟動，同時為了減少暖閥過程對超高壓、高壓調(diào)節(jié)閥的熱沖擊，按照間歇性控制，即開啟主汽閥120 s、關(guān)閉10 min的方法反復持續(xù)緩慢加熱調(diào)節(jié)閥，直至X2準則滿足。表5所示的是在冷態(tài)下通過觸發(fā)暖閥程序，調(diào)節(jié)閥和主蒸汽前管道溫度都得到了顯著提升。

表5 冷態(tài)下啟動暖閥程序效果 ℃

(4)在溫態(tài)下，由于超高壓、高壓調(diào)節(jié)閥殼體平均溫度已處于一定水平，以某次溫態(tài)啟動為例，SGC程控執(zhí)行至第13步時超高壓調(diào)節(jié)閥殼體平均溫度與主蒸汽壓力分別為160 ℃，3.75 MPa，在該參數(shù)水平下X2A準則處于滿足條件，但通過計算發(fā)現(xiàn)，在該狀態(tài)下X2A準則裕度僅為15 K。為了避免后期在開啟主汽閥造成調(diào)節(jié)閥內(nèi)凝結(jié)過程中大量放熱引起過度溫升，造成X2準則不滿足而延長啟動時間，采用了將X2準則強制成不滿足，以觸發(fā)暖調(diào)節(jié)閥程序啟動來進一步提高超高壓調(diào)節(jié)閥殼體平均溫度的方法。當然，這是一種非常規(guī)的操作，為了防止啟動過程發(fā)生中斷，建議在主汽閥前溫度具有30 ℃過熱度的情況下(為了避免閥體濕蒸汽的存在)手動干預暖閥程序。

4 結(jié)束語

汽輪機啟動是一個復雜的動態(tài)過程，為避免因一些X準則不滿足而造成汽機啟動時間延長，應合理運用和控制X準則。X1，X2準則沖轉(zhuǎn)前控制重點是在不同啟動方式下控制暖管、暖閥上，實現(xiàn)蒸汽溫度與對應金屬溫度的匹配。通過不斷摸索并結(jié)合實際運行情況，在啟動過程中進行針對性的調(diào)整及優(yōu)化，有效提升汽輪機啟動速度和安全性，實現(xiàn)了熱應力與時間控制的平衡。