超超臨界二次再熱機組高壓加熱器系統(tǒng)控制策略研究

張?zhí)旌?，于國強，殳建軍，湯可怡，竺永?/p>

(1．江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211102;2．國家能源集團泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225327)

0 引言

新一代潔凈煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展的重要方向是大幅提高能源轉(zhuǎn)換效率，提高機組性價比。進一步提高發(fā)電機組的運行參數(shù)是超超臨界機組未來發(fā)展的方向之一，但材料的性能是制約蒸汽參數(shù)大幅度提高的主要技術(shù)瓶頸。二次再熱技術(shù)是提高機組熱效率的一種有效方法。所謂二次再熱，是指將傳統(tǒng)一次再熱汽輪機中壓缸排汽經(jīng)過二次再熱器加熱以后，繼續(xù)進入汽輪機膨脹做功。31．0 MPa/566℃/566℃/566℃的二次再熱技術(shù)相比傳統(tǒng)的24．1MPa/566℃/566℃的一次再熱技術(shù)，其熱效率可提高大約5%［1］。

國家能源集團泰州發(fā)電有限公司(以下簡稱泰州發(fā)電公司)#3機組是世界首臺1 000 MW超超臨界二次再熱發(fā)電機組，與傳統(tǒng)一次再熱機組相比，其高壓加熱器(以下簡稱高加)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)及運行工藝上均有所改進，原有的控制方式已經(jīng)不能滿足實際生產(chǎn)運行的要求。因此，有必要結(jié)合改進后的高加系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)和運行工藝，尋求合適的控制策略，在保證高加系統(tǒng)安全可靠運行的前提下，進一步提高系統(tǒng)的回熱效率。

1 高加系統(tǒng)概況

高加是一種表面式加熱器，它利用汽輪機抽汽來加熱鍋爐給水，以提高鍋爐給水溫度、減少凝汽器中的熱損耗，從而提高電廠的熱效率并保證機組的出力［2］。由于被加熱水來自給水泵出口，水側(cè)管路壓力很高，故稱之為“高壓”加熱器。泰州發(fā)電公司二次再熱機組高加由上海電氣集團(上海動力設(shè)備有限公司)制造。每臺機組配置2×4臺50%容量的臥式高加，雙列布置。每臺加熱器均按雙流程設(shè)計為全焊接結(jié)構(gòu)。每臺加熱器(包括除氧器)均設(shè)有啟動排氣和連續(xù)排氣。所有高加的汽側(cè)啟動排氣和連續(xù)排氣均接至除氧器。

高加為臥式U形管，半球形水室有橢圓形自密封人孔，#1，#3，#4高加的傳熱區(qū)段有過熱蒸汽冷卻段、凝結(jié)段和疏水冷卻段3個傳熱區(qū)段，而#2高加的傳熱區(qū)段只有凝結(jié)段和疏水冷卻段兩個傳熱區(qū)段。

對于典型的超超臨界二次再熱機組的熱力系統(tǒng)，除增加一套二次再熱系統(tǒng)外，機組還需采用外置式蒸汽冷卻器。外置式蒸汽冷卻器有獨立的加熱器外殼，其位置布置靈活，給水溫度的提高不是通過提高最高一級抽汽壓力來實現(xiàn)而是利用抽汽過熱度加熱回熱系統(tǒng)給水，提高鍋爐給水溫度，從而獲得更高的經(jīng)濟性。

泰州發(fā)電公司#3機組設(shè)有10級非調(diào)整抽汽，其中1～4級抽汽分別向#1～#4高加供汽，抽汽參數(shù)見表1。

機組運行過程中，當抽汽過熱度較大時，2，4級抽汽首先分別進入#2和#4外置式蒸汽冷卻器，充分利用抽汽過熱度來提高給水溫度。抽汽放熱接近飽和蒸汽狀態(tài)后分別進入#2和#4高加。#2，#4外置式蒸汽冷卻器分別串聯(lián)在每列#1高加后。每列4級高加及外置式蒸汽冷卻器采用給水大旁路系統(tǒng)，當每列中任一臺高加或外置式蒸汽冷卻器故障時，該列高加同時從系統(tǒng)中退出，給水能快速切換到該列給水旁路。高加系統(tǒng)布置如圖1、圖2所示。

此外，泰州發(fā)電公司#3機組還設(shè)置了鄰機加熱裝置，1，3級抽汽母管中各接入一路來自一期老機組的抽汽管路。機組啟動時，利用相鄰運行機組的抽汽加熱機組的給水，以完成熱態(tài)沖洗和機組啟動過程。這種設(shè)計方式有利于縮短啟機時間，降低鍋爐損耗，減少堵管造成的超溫爆管。

圖1 高加系統(tǒng)布置示意Fig．1 Arrangement of the high-pressure heater system

圖2 高加系統(tǒng)簡圖Fig．2 Schematic of the high-pressure heater system

2 高加水位測量與控制

高加是火電廠內(nèi)在最高壓力下運行的設(shè)備，運行過程中，機組負荷突變、給水泵故障、旁路切換等引起的壓力和溫度的劇變都會給高加帶來損害，給機組運行帶來很大的安全隱患。高加水位過高容易使凝結(jié)水倒流回汽輪機缸內(nèi)，造成汽輪機進水，對汽輪機轉(zhuǎn)子、葉片造成損害，直接影響機組整體運行的安全性。因此，除了在設(shè)計、制造和安裝時必須保證質(zhì)量外，實際運行過程中必須加強對高加水位的測量和監(jiān)視，保證高加水位能控制在正常范圍內(nèi)，確保高加系統(tǒng)長期安全運行。

2．1 高加水位測量

泰州發(fā)電公司#3機組高加水位測量采用導(dǎo)波雷達液位計。與差壓法測量相比，導(dǎo)波雷達測量裝置安裝調(diào)試更加方便，可以消除負荷和真空度變化等因素對水位的影響，提高水位測量的精度。每臺高加布置3套導(dǎo)波雷達水位測量裝置，3組模擬量測量信號分別傳送到分散控制系統(tǒng)(DCS)，經(jīng)高低限報警器處理后得到高(低)一值、高二值、高三值開關(guān)量信號，用以實現(xiàn)高加水位報警和聯(lián)鎖保護;同時，對3組模擬量進行三取中及壞點質(zhì)量判斷等處理，用于高加水位顯示與調(diào)節(jié)。

2．2 高加水位常規(guī)控制

系統(tǒng)正常運行時，每列高加的疏水均采用逐級自流方式，即靠上下兩級高加汽側(cè)的壓力差，將疏水自動導(dǎo)入壓力較低的下一級加熱器，#4高加出口的疏水則自流到除氧器;各級高加還設(shè)有危急疏水管路，危急疏水直接排入凝汽器疏水立管，經(jīng)擴容釋壓后排入凝汽器［3］。當機組運行異常，發(fā)生高加水側(cè)解列時，控制邏輯超馳關(guān)閉正常疏水調(diào)節(jié)閥;當高加水位達到高二值或發(fā)生高加汽側(cè)解列時，控制邏輯則超馳打開危急疏水調(diào)節(jié)閥，以防止水位進一步上升。

常規(guī)的高加水位自動控制系統(tǒng)是一個簡單的單回路比例－積分－微分(PID)控制系統(tǒng)，水位設(shè)定值由運行人員手動設(shè)置，設(shè)定值和實際測量值的偏差送入PID模塊進行運算，輸出4～20 mA的電流信號，控制疏水門開度，實現(xiàn)高加水位的自動調(diào)節(jié)。如圖3所示，實際生產(chǎn)運行過程中，受疏水閥門特性、機組運行狀況等多因素影響，采用這種簡單的控制策略控制效果較差，疏水閥門頻繁動作，導(dǎo)致高加水位在設(shè)定值附近波動，有必要對控制策略進行優(yōu)化。

圖3 高加水位運行曲線Fig．3 Water level operation curve of high-pressure heater

3 高加保護解列策略

高加水位保護是大型汽輪發(fā)電機組的一項重要保護，由于運行過程中影響高加水位的因素較多，高加系統(tǒng)容易出現(xiàn)水位過高或過低等異?，F(xiàn)象，給機組的安全運行帶來隱患。為保證機組的安全性，高加系統(tǒng)必須能夠快速準確地進行保護解列動作。根據(jù)現(xiàn)場高加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置的特殊性，設(shè)計了高加系統(tǒng)保護解列控制策略，當以下任一情況發(fā)生時，高加系統(tǒng)解列(分水側(cè)解列和汽側(cè)解列兩種情況，如圖4所示):(1)汽輪機跳閘;(2)發(fā)電機解列;(3)A(B)列任一高加水位達高三值(＞138 mm);(4)手動解列;(5)A(B)列液動三通閥全關(guān)。

3．1 水側(cè)解列

高加系統(tǒng)任何一列發(fā)生水側(cè)解列后，聯(lián)鎖關(guān)閉該列高加液動三通閥，水側(cè)切換至旁路管道運行;同時，該列高加汽側(cè)聯(lián)鎖關(guān)閉氣動逆止閥和電動隔離閥。

為了避免由于測量信號不準確而導(dǎo)致高加系統(tǒng)保護誤動，蒸汽冷卻器水位高只作報警信號，不作聯(lián)鎖邏輯。

3．2 汽側(cè)解列

圖4 高加系統(tǒng)水側(cè)解列條件Fig．4 Splitting condition of high-pressure heater water side

由于增加了兩個外置式蒸汽冷卻器，使得二次再熱機組的高加系統(tǒng)汽側(cè)解列保護邏輯比一次再熱機組的復(fù)雜，A，B側(cè)高加汽側(cè)解列條件分別見表2、表3。根據(jù)工藝流程，二級抽汽先通過#2蒸汽冷卻器后再分別送入A2，B2高加，由于#2蒸汽冷卻器布置在A列高加，所以當A列高加水側(cè)解列后，#2蒸汽冷卻器水側(cè)沒有給水流通，#2蒸汽冷卻器進汽電動閥關(guān)閉，聯(lián)鎖B2汽側(cè)解列;同理，B列水側(cè)解列后，#4蒸汽冷卻器水側(cè)沒有給水流通，#4蒸汽冷卻器進汽電動閥關(guān)閉，聯(lián)鎖A4汽側(cè)解列。

表2 A側(cè)高加汽側(cè)解列條件Tab．2 Splitting condition of high-pressure heater steam side on side A

二級抽汽通過#2蒸汽冷卻器后，由于A2和B2抽汽隔離閥前均未裝設(shè)逆止閥，B2高加水位高時，為防止B2高加水位過高而導(dǎo)致凝結(jié)水倒流入抽汽管道，從而影響A2高加的安全投運，當B2高加水位達高三值時，#2蒸汽冷卻器進汽電動閥關(guān)閉，聯(lián)鎖A2汽側(cè)解列;同理，當A4高加水位達高三值時，#4蒸汽冷卻器進汽電動門關(guān)閉，聯(lián)鎖B4汽側(cè)解列。

表3 B側(cè)高加汽側(cè)解列條件Tab．3 Splitting condition of high-pressure heater steam side on side B

4 高加系統(tǒng)控制策略優(yōu)化

某日，機組正常運行過程中，B2高加正常疏水調(diào)節(jié)閥在控制指令未變化的情況下突然全開，導(dǎo)致B3高加水位快速上升，達到高三值后B列高加解列。該過程中，B3高加正常疏水閥、危急疏水閥的開度變化，響應(yīng)控制指令及超馳指令的速度正常，無動作遲緩現(xiàn)象。

此次事故暴露的主要問題是高加系統(tǒng)正常疏水閥水位調(diào)節(jié)速度慢，沒能及時控制高加水位的快速上升，最終導(dǎo)致高加解列。泰州發(fā)電公司二次再熱機組設(shè)計了凝結(jié)水節(jié)流輔助調(diào)頻，當采用凝結(jié)水輔助調(diào)頻時，為了防止除氧器水位下降過多而影響凝結(jié)水輔助調(diào)頻的正常投運，需要增加高加系統(tǒng)至除氧器的正常疏水流量，保證除氧器水位在正常控制范圍內(nèi)。針對這些問題，結(jié)合設(shè)備的運行參數(shù)、疏水調(diào)節(jié)閥的控制特性以及運行人員的操作習(xí)慣，對高加系統(tǒng)控制策略進行以下優(yōu)化。

(1)當下級容器水位高時(高加水位＞88 mm，除氧器水位＞500 mm)，超馳關(guān)上級高加正常疏水閥，以防止上級疏水閥異常開啟導(dǎo)致下級水位過高，使得高加系統(tǒng)保護誤動。

(2)高加水位≥88 mm時立即超馳開對應(yīng)的高加危急疏水閥，取消原先的3 s延時，加快緊急情況下危急疏水閥的動作響應(yīng)速度。

(3)凝結(jié)水節(jié)流輔助調(diào)頻技術(shù)投入時，高加水位設(shè)定值在原手動設(shè)定值基礎(chǔ)上自動減小10 mm，保證機組凝結(jié)水輔助調(diào)頻技術(shù)的正常投用。

(4)當高加水位上升速度較快時，該高加正常疏水閥開度指令相應(yīng)增大，提高疏水閥的動態(tài)響應(yīng)特性。如圖5所示，此前饋作用在高加水位＞45mm時才輸出。

圖5 高加水位控制邏輯優(yōu)化Fig．5 Logic optimization of high-pressure heater water control

控制邏輯優(yōu)化后，高加系統(tǒng)重新投入運行，正常工況下，系統(tǒng)進出水溫度在正常運行范圍內(nèi)，疏水閥水位自動控制正常，水位變化平穩(wěn)。對比圖3和圖6，在機組降負荷過程時，高加水位波動比控制邏輯優(yōu)化前明顯減小，疏水調(diào)節(jié)性能更為平穩(wěn)，控制效果得到明顯改善。

圖6 邏輯優(yōu)化后高加水位運行曲線Fig．6 Water level operation curve of high-pressure heater after logic optimization

5 結(jié)束語

結(jié)合泰州發(fā)電公司1 000 MW超超臨界二次再熱機組高加系統(tǒng)的運行特性，對高加系統(tǒng)控制策略進行了優(yōu)化，保證了二次再熱汽輪機組運行的可靠性和安全性。近幾年來，國內(nèi)陸續(xù)有多臺二次再熱機組投入建設(shè)，二次再熱技術(shù)研究必定朝著深入的方向發(fā)展。為解決機組實際運行過程中遇到的問題，需對高加系統(tǒng)原有的調(diào)節(jié)和保護邏輯定期進行改進和完善，不斷提高機組的安全性和經(jīng)濟性。