抽汽背壓式給水泵汽輪機(jī)系統(tǒng)電功率超限原因分析與對策

王 林，楊 博，高景輝，付志龍，單 威，王包昊，牛 佩，劉 輝，普建國，王紅雨，何 勝

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054 2.華能秦煤瑞金發(fā)電有限責(zé)任公司，江西 贛州 341108）

為提高朗肯循環(huán)的熱效率，現(xiàn)代火電機(jī)組汽輪機(jī)設(shè)計了復(fù)雜的抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)[1-5]。從汽缸中抽取部分做過功的蒸汽，送入給水加熱器中，用來提高鍋爐給水溫度，降低受熱面的傳熱溫差，從而減少給水加熱過程中的不可逆損失[6-9]。隨著火力發(fā)電技術(shù)向著更高蒸汽參數(shù)方向發(fā)展[10-12]，機(jī)組汽輪機(jī)（簡稱大機(jī)）抽汽的過熱度越來越高，進(jìn)入高壓加熱器中的抽汽與給水的傳熱溫差也越來越大，這導(dǎo)致?lián)Q熱過程中的不可逆損失增加，抵消了提高蒸汽參數(shù)對機(jī)組效率的部分貢獻(xiàn)。

針對上述情況，某電廠提出并應(yīng)用了一種抽汽背壓式給水泵汽輪機(jī)（back pressure extraction steam turbine，BEST）發(fā)電系統(tǒng)[13-15]，機(jī)組汽輪機(jī)的抽汽在進(jìn)入高壓加熱器之前，需要先進(jìn)入BEST給水泵汽輪機(jī)（小機(jī)）中做功，待溫度和壓力降低后，再以小機(jī)抽汽的形式輸入高壓加熱器（高加），這樣便可以降低高加蒸汽側(cè)與給水側(cè)的傳熱溫差，有效減少換熱過程中的不可逆損失。同時，為降低BEST小機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失，進(jìn)一步提高小機(jī)效率，引入變流器控制的小發(fā)電機(jī)對小機(jī)驅(qū)動給水泵后剩余的軸功率進(jìn)行消納轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的電能供應(yīng)廠內(nèi)設(shè)備，降低廠用電率。變流器控制模式下，小機(jī)調(diào)節(jié)閥在運行過程中保持全開狀態(tài)，將節(jié)流損失降到最低，提高了機(jī)組整體的經(jīng)濟(jì)性[16-19]。

實際運行中發(fā)現(xiàn)，BEST小機(jī)剩余功率偏大，導(dǎo)致小發(fā)電機(jī)的電負(fù)荷超限，引起給水流量大幅波動，致使鍋爐主燃料跳閘（main fuel trip，MFT）保護(hù)動作引發(fā)跳機(jī)。經(jīng)優(yōu)化回?zé)岢槠到y(tǒng)投運方案，建立合理的小機(jī)背壓后，變流器負(fù)荷超限問題獲得妥善解決，有力保證了機(jī)組后續(xù)啟動試運工作。相關(guān)調(diào)試調(diào)整經(jīng)驗可供后續(xù)同類型設(shè)備參考。

1 機(jī)組概況

某地區(qū)計劃建設(shè)2臺超超臨界1 000 MW等級二次再熱機(jī)組，工程選用型式為超超臨界、單軸、二次中間再熱、五缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組汽輪機(jī)整體布局如圖1所示。機(jī)組汽輪機(jī)具體性能參數(shù)見表1。

圖1 機(jī)組汽輪機(jī)整體構(gòu)造Fig.1 Overall structure drawing of the unit steam turbine

表1 汽輪機(jī)主要設(shè)計參數(shù)（額定工況）Tab.1 Main design parameters of the steam turbine

2 BEST發(fā)電系統(tǒng)簡介

BEST系統(tǒng)主要由抽汽背壓式汽輪機(jī)、給水泵組、小發(fā)電機(jī)、變流器等4部分組成。其整體布置如圖2所示。機(jī)組給水泵為100%容量，單臺布置，其前置泵與主泵同軸，由BEST小機(jī)驅(qū)動。

圖2 BEST發(fā)電系統(tǒng)整體布置Fig.2 Overall layout of the BEST power generation system

本文BEST小機(jī)為單缸、反動式、單流、抽汽背壓式結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子由優(yōu)質(zhì)鉻鉬釩鋼鍛造而成，轉(zhuǎn)子上共有22級葉片，無調(diào)節(jié)級。小機(jī)采用變參數(shù)、變功率、變轉(zhuǎn)速運行方式，整體構(gòu)造如圖3所示。

圖3 BEST小機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure drawing of the BEST small turbine

BEST小機(jī)有2個主蒸汽閥和2個調(diào)節(jié)汽閥，分2組布置在汽缸的兩側(cè)。1個主蒸汽閥和1個調(diào)節(jié)汽閥為1組，共用1個閥殼。每一組閥門都由獨立的彈簧支架支撐在基礎(chǔ)上；而調(diào)節(jié)閥出口處在與外缸法蘭連接的同時，通過插管結(jié)構(gòu)與內(nèi)缸相連。從大機(jī)超高壓缸排出的蒸汽分2路分別進(jìn)入小機(jī)兩邊的主蒸汽閥，再進(jìn)入調(diào)節(jié)汽閥。從調(diào)節(jié)汽閥出口直接進(jìn)入內(nèi)缸中做功。BEST小機(jī)轉(zhuǎn)子由前、后2只徑向軸承支撐，前、后徑向軸承均采用可傾瓦結(jié)構(gòu)，可有效地保持軸承油膜的穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)子的中心位置。推力軸承能承受汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的全部推力，它與前徑向軸承組成聯(lián)合軸承，布置在前軸承座內(nèi)?？紤]到BEST小機(jī)結(jié)構(gòu)的緊湊、轉(zhuǎn)子的剛度以及疏水的便利性等因素，將2號、4號和6號抽汽口向上布置，3號、5號抽汽口和排汽口（去7號低壓加熱器（低加））向下布置。

BEST小機(jī)系統(tǒng)調(diào)速采用變流器與進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥聯(lián)合調(diào)節(jié)方式，由變流器調(diào)節(jié)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速。在負(fù)荷大范圍波動時，BEST小機(jī)的進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥具備自動參與調(diào)節(jié)的功能。小機(jī)設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 BEST小機(jī)設(shè)計參數(shù)Tab.2 Main design parameters of the BEST small turbine

配套的小發(fā)電機(jī)為變頻高轉(zhuǎn)速類型，存在最大出力限制，因此在異常工況下，小發(fā)電機(jī)出力超出限制時，通過調(diào)整小機(jī)調(diào)節(jié)閥開度降低BEST小機(jī)剩余功率。

3 機(jī)組跳閘過程與原因分析

3.1 跳機(jī)過程

機(jī)組正常并網(wǎng)后，逐步升負(fù)荷至400 MW，燃料量177 t/h，給水流量1 159 t/h，汽水分離器出口蒸汽過熱度76 ℃，機(jī)組以“機(jī)跟爐”方式穩(wěn)定運行，鍋爐“給水流量低”等主保護(hù)全部投入。

檢查各主輔機(jī)設(shè)備運行正常，燃料量及給水量為手動控制，機(jī)組當(dāng)前負(fù)荷平穩(wěn)，滿足切換至協(xié)調(diào)控制方式（coordinated control system，CCS）的條件。首先將給水泵自動投入，1 min后鍋爐給水流量低保護(hù)動作，機(jī)組解列。

通過查閱運行參數(shù)曲線發(fā)現(xiàn)，在機(jī)組跳閘之前，鍋爐已完成干濕態(tài)轉(zhuǎn)換及給水切主路操作，該階段機(jī)組給水流量完全由給水泵轉(zhuǎn)速控制。給水流量出現(xiàn)了3次波動，情況如圖4所示。

圖4 給水流量變化趨勢Fig.4 Variation trend of feedwater flow

07:46:15，機(jī)組負(fù)荷401 MW，鍋爐給水流量1 180 t/h，給水泵轉(zhuǎn)速3 004 r/min，BEST小機(jī)為變流器控制方式，給水泵轉(zhuǎn)速此時為手動狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)速的指令和反饋值均未變化，但鍋爐給水流量突然降低，最低值1 055 t/h；至07:46:35，給水流量恢復(fù)至1 200 t/h左右。

07:47:00—07:47:22，在給水泵轉(zhuǎn)速3 004 r/min無變化的情況下，鍋爐給水流量再次發(fā)生波動，波動范圍1 009～1 358 t/h 。

07:47:41—07:47:57，給水泵轉(zhuǎn)速手動控制，轉(zhuǎn)速3 004 r/min不變的情況下，鍋爐給水流量第3次波動，波動幅度為961～1 342 t/h。

07:47:58，值班人員投入給水泵轉(zhuǎn)速自動控制，自動設(shè)定值1 210 t/h。

07:48:05，給水流量迅速下降；07:48:12—07:48:15，給水流量顯示最大723 t/h，最小669 t/h，均低于鍋爐MFT保護(hù)定值811 t/h且持續(xù)3 s，觸發(fā)鍋爐MFT“給水流量低”保護(hù)動作，機(jī)組跳閘。

3.2 原因分析

經(jīng)檢查，BEST小機(jī)轉(zhuǎn)速控制邏輯中有“過載限制”保護(hù)：即在變流器主控模式下，當(dāng)“變流器功率上限”與“小發(fā)電機(jī)的實際負(fù)荷”的差值小于4.8 MW時，就認(rèn)為小發(fā)電機(jī)可能會負(fù)荷超限，“過載限制”保護(hù)觸發(fā)，BEST小機(jī)電液控制（micro electrohydraulic，MEH）系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速PID上限將會自動降低，實際表現(xiàn)為小機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥關(guān)小，這引起了給水流量的波動。小發(fā)電機(jī)的實際負(fù)荷越接近變流器的功率上限，則小機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥關(guān)小的程度也越大，給水流量的波動也會更劇烈。變流器的負(fù)荷上限即是“小發(fā)電機(jī)的最大功率”。在小機(jī)背壓達(dá)到額定值0.8 MPa的情況下，小發(fā)電機(jī)最大功率與BEST小機(jī)轉(zhuǎn)速的變化趨勢如圖5所示。從圖5可知，正常情況下，BEST小機(jī)的剩余功率（即小發(fā)電機(jī)的實發(fā)功率）不會超過該轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)能夠發(fā)出的最大功率。

圖5 BEST小機(jī)功率與轉(zhuǎn)速特性曲線Fig.5 Power and speed characteristic curve of the BEST

變流器的超限保護(hù)是由小發(fā)電機(jī)自身特性決定的。在某一確定轉(zhuǎn)速下，小發(fā)電機(jī)能夠發(fā)出的最大功率為一定值；超過該定值，小發(fā)電機(jī)將會過載，設(shè)備運行安全失去保障。

機(jī)組跳閘前，小機(jī)轉(zhuǎn)速3 004 r/min。由圖5可知，該轉(zhuǎn)速下小發(fā)電機(jī)允許最大功率為12.0 MW，小發(fā)電機(jī)實際發(fā)電功率最大為13.4 MW，觸發(fā)了負(fù)荷超限保護(hù)，導(dǎo)致了小機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥大幅關(guān)小，進(jìn)而引發(fā)給水流量瞬時降低，鍋爐MFT保護(hù)動作。

對于BEST小機(jī)而言，若其進(jìn)口蒸汽的初參數(shù)不變，那么排汽參數(shù)越低，蒸汽的焓降就越大，蒸汽做功的能力也就越強(qiáng)，最終BEST小機(jī)的剩余功率也越多。小機(jī)剩余功率由小發(fā)電機(jī)全部消納，小發(fā)電機(jī)的實發(fā)功率也會變大。

實際運行過程中，BEST雙機(jī)回?zé)岢槠到y(tǒng)相關(guān)參數(shù)與設(shè)計值偏差較大，小機(jī)背壓僅有0.1 MPa（額定工況下為0.8 MPa），異常偏低，這導(dǎo)致了BEST小機(jī)剩余功率過多，小發(fā)電機(jī)實發(fā)負(fù)荷超限。因此，建立BEST小機(jī)的合理背壓，是解決變流器負(fù)荷超限問題的關(guān)鍵。

4 解決方案

4.1 BEST雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)構(gòu)成

本文采用帶BEST小機(jī)的雙機(jī)回?zé)岢槠到y(tǒng)，回?zé)岢槠到y(tǒng)采取12級設(shè)計，包括5級單列的高加、1臺除氧器、6臺低加。BEST的汽源為超高壓缸的排汽（即一次低溫再熱蒸汽），其抽汽設(shè)計為5抽1排方案。BEST小機(jī)的5級抽汽定義為機(jī)組的第2—6級抽汽，分別供給2、3、4、5號高壓加熱器和除氧器。BEST小機(jī)的排汽定義為機(jī)組的第7級抽汽，排至7號低壓加熱器。中壓缸的抽汽供應(yīng)8號低加，低壓缸的抽汽供應(yīng)9號—12號低加。回?zé)岢槠到y(tǒng)的具體布置如圖6所示。

圖6 BEST雙機(jī)回?zé)岢槠到y(tǒng)整體布置Fig.6 Overall arrangement of the BEST double-turbine regenerative steam extraction system

BEST小機(jī)正常運行時的汽源來自一次再熱低溫蒸汽。另外，BEST小機(jī)設(shè)置了2路啟動汽源，分別為臨機(jī)供熱母管蒸汽（參數(shù)約為2.0 MPa，320 ℃）和輔助蒸汽（參數(shù)約為0.8～1.0 MPa，320～350 ℃）。

小機(jī)排汽可去往7號低加、8號低加及凝汽器。當(dāng)系統(tǒng)采用電動機(jī)-給水泵模式啟動時，小機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，打開小機(jī)排汽至凝汽器旁路閥，以保持BEST小機(jī)內(nèi)部真空，避免鼓風(fēng)發(fā)熱。

當(dāng)合格的一次再熱冷段蒸汽切換為小機(jī)汽源后，開啟BEST小機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥，排汽仍然去往凝汽器，電動機(jī)-給水泵模式下進(jìn)行暖機(jī)。暖機(jī)完成后，增大進(jìn)汽量，BEST小機(jī)逐步增大出力，變流器控制電機(jī)從電動機(jī)狀態(tài)自動切換至發(fā)電機(jī)狀態(tài)，MEH系統(tǒng)將BEST小機(jī)轉(zhuǎn)速控制切換至變流器主控模式。BEST小機(jī)排汽由凝汽器逐步切換至7號低加，7號低加投入運行。按由低到高的順序依次投入BEST小機(jī)的各級抽汽，即依次為除氧器、5號高加、4號高加、3號高加、2號高加。

當(dāng)主汽輪機(jī)完成啟動并達(dá)到一定負(fù)荷時，逐漸開大BEST小機(jī)主汽調(diào)節(jié)閥，將BEST小機(jī)主調(diào)節(jié)閥以一定升速率（暫定200 r/min）開至最大狀態(tài)，BEST小機(jī)滑壓運行，整個BEST系統(tǒng)切換到正常運行狀態(tài)。

4.2 BEST雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)投運方案優(yōu)化改進(jìn)

啟動調(diào)試初期，為實現(xiàn)機(jī)組“全負(fù)荷脫硝”目標(biāo)，需要盡早提高鍋爐給水溫度，因此制定了高加優(yōu)先投運方案。認(rèn)為BEST小機(jī)背壓是系統(tǒng)自然平衡的結(jié)果，不需要主動干預(yù)。結(jié)果導(dǎo)致BEST小機(jī)抽汽量大，背壓無法建立，剩余功率超出設(shè)計值。后期針對回?zé)嵯到y(tǒng)投運方案進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，以建立小機(jī)合理背壓。

為了避免BEST小機(jī)剩余功率異常過大，應(yīng)盡量提高BEST小機(jī)背壓，降低蒸汽焓降，使BEST雙機(jī)回?zé)岢槠到y(tǒng)參數(shù)盡量達(dá)到設(shè)計值。經(jīng)討論優(yōu)化后，重新制定了高加低加的投運方案。機(jī)組重新啟動后，對新方案的實際效果進(jìn)行了檢驗。

優(yōu)化后的回?zé)岢槠到y(tǒng)投運方案為：

1）BEST小機(jī)定速2 440 r/min，鍋爐上水時，投入輔汽至除氧器加熱。鍋爐點火升溫升壓后，隨機(jī)投入1號高加汽側(cè)，控制1號高加溫升不超限。

2）機(jī)組定速3 000 r/min時，隨機(jī)投入10號、9號、8號低加汽側(cè)。關(guān)閉10號低加危急疏水閥，待10號低加水位正常后，及時啟動低加疏水泵，將其疏水至凝結(jié)水。

3）機(jī)組并網(wǎng)前，BEST小機(jī)在變流器主控模式下，將小機(jī)汽源倒至一次再熱低溫蒸汽，小機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥逐漸全開，電機(jī)-變流器由電機(jī)模式轉(zhuǎn)為發(fā)電模式。BEST小機(jī)汽源切換后，微開2號—5號高加抽汽電動閥門對抽汽管道暖管疏水。

4）機(jī)組并網(wǎng)帶初負(fù)荷時，將BEST小機(jī)排汽由凝汽器一路倒換至7號低加，關(guān)閉小機(jī)排汽旁路閥。并且盡早關(guān)閉7號低加危急疏水閥，否則7號低加汽側(cè)無法建立壓力，影響B(tài)EST小機(jī)背壓和7號低加至8號低加的正常疏水。

5）機(jī)組并網(wǎng)后，及時將軸封溢流倒換至11號低加。軸封溢流蒸汽在機(jī)組帶初負(fù)荷階段可以提高凝結(jié)水溫約18 ℃。

6）機(jī)組負(fù)荷150 MW左右，逐漸開大6級抽汽電動閥門，注意控制BEST小機(jī)排汽壓力穩(wěn)定，緩慢將除氧器汽源由輔汽倒換成6級抽汽供汽。

7）機(jī)組負(fù)荷200 MW左右，將8號低加疏水倒至9號低加。緩慢開啟5號高加抽汽電動閥門，注意控制BEST小機(jī)排汽壓力穩(wěn)定。

8）機(jī)組負(fù)荷250 MW左右，將9號低加疏水倒至10號低加。將5號高加疏水倒至除氧器。

9）機(jī)組負(fù)荷300 MW左右，依次投入4號、3號、2號高加運行，同時將其疏水倒至正常疏水。最后根據(jù)1號高加的溫升情況，投入1號高加抽汽電動閥門自動控制。

各加熱器投運時的機(jī)組參數(shù)見表3。

表3 各加熱器投運時投運參數(shù)Tab.3 Operating parameters of various heaters when put into operation

優(yōu)化改進(jìn)后機(jī)組再次啟動，回?zé)岢槠到y(tǒng)投運次序合理，BEST小機(jī)背壓穩(wěn)步上升，小發(fā)電機(jī)再未出現(xiàn)負(fù)荷超限情況。機(jī)組負(fù)荷升至500 MW時，BEST小機(jī)抽汽系統(tǒng)參數(shù)如圖7所示。在機(jī)組后續(xù)升負(fù)荷及滿負(fù)荷試運行期間，BEST小機(jī)背壓均在設(shè)計值附近，給水泵汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)運行穩(wěn)定，性能可靠。

圖7 BEST雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)穩(wěn)定運行參數(shù)Fig.7 Stable operation parameters of the BEST double-turbine regenerative system

結(jié)合機(jī)組低負(fù)荷段水溫偏低，投入高加后汽側(cè)凝結(jié)速率快、易導(dǎo)致小機(jī)抽汽量大的客觀情況，建議與廠家溝通后，適當(dāng)減小變流器功率超限保護(hù)動作的定值，并增加“小發(fā)電機(jī)實發(fā)功率高”重報警光字牌。原邏輯“當(dāng)變流器功率上限與小發(fā)電機(jī)的實際負(fù)荷的差值小于4.8 MW動作小機(jī)調(diào)節(jié)閥”，經(jīng)試驗后可進(jìn)一步改小定值，以減少小機(jī)調(diào)節(jié)閥的參與概率，避免給水流量在該轉(zhuǎn)速段的波動。

5 結(jié) 語

本文以國內(nèi)首臺帶變流器-小發(fā)電機(jī)的BEST小機(jī)為研究對象，分析了給水流量劇烈波動導(dǎo)致機(jī)組跳閘的原因，通過優(yōu)化抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)投運方案，逐步建立起小機(jī)合理背壓，保證了BEST小機(jī)剩余功率始終在設(shè)計值范圍內(nèi)，徹底解決了小發(fā)電機(jī)電負(fù)荷超限問題，保障了機(jī)組的安全穩(wěn)定運行。相關(guān)調(diào)試調(diào)整經(jīng)驗可供后續(xù)同類型設(shè)備參考。