350 MW機組汽輪機中壓缸排汽供熱改造分析

戴建剛

(江蘇利電能源集團, 江蘇江陰 214444)

近年來，隨著全社會用電負荷緊張狀況的逐步緩解和節能減排壓力的增加，一些大型發電廠紛紛鋪設供熱管網向臨近的工業園區抽汽供熱。與新建小型熱電廠相比，大容量發電機組由于運行效率較高，可節約大量燃料[1]。某電廠周圍化工企業需要1.1 MPa的蒸汽，為此該電廠進行中壓缸排汽(簡稱中排)改造，將350 MW機組從純凝機組改為抽凝機組。中排改造后供熱系統的運行直接影響到機組尤其是汽輪機的安全運行，為此該電廠進行了中排抽汽供汽控制方案的設計，并對機組負荷變化或者供熱設備故障時的應對控制邏輯不斷完善，實現了改造后設備的安全穩定運行。

筆者對此次改造工程的熱力系統及相應的控制邏輯作了全面介紹。

1 改造工程概況

該電廠二期3號、4號機組為2臺350 MW燃煤發電機組，在20世紀90年代中期相繼建成投產。汽輪機是美國西屋公司制造的TC2F-38.6型亞臨界一次中間再熱、單軸、雙排汽凝汽式汽輪機。2016年上半年，為進一步挖掘機組的節能潛力，適應外部經濟市場的需求，實現節能降耗，提高機組的經濟性，對3號、4號機組汽輪機通流部分進行改造，改為抽凝機組，重新設計中低壓缸連通管,更換原中低壓缸連通管,并在中低壓連通管的中壓排汽口增設三通管道，在三通管道上增設一根直徑為530 mm、壁厚為12 mm的抽汽母管引出中排作為供熱汽源，在中低壓連通管中壓排汽口豎直管道上加裝連通管抽汽壓力調整蝶閥(CV，液動)來實現抽汽參數的調整。抽汽壓力控制為1.20 MPa，最大設計抽汽質量流量為150 t/h。

重新設計、制造中排豎直段、低壓缸進汽豎直段，在連通管中壓排汽口豎直段加裝CV，該閥全關時有最小流通孔，保證低壓缸最低安全流量，防止因鼓風摩擦產生的熱量不能被及時帶走而導致低壓缸脹差增大[2]。

熱力系統見圖1：從中低壓連通管中壓排汽口端加裝抽汽三通管道，引出一根供熱母管，作為供熱熱源，在母管往后的抽汽管道上加裝安全閥、抽汽逆止閥(氣動)、快關調節閥(EV，液動)、隔離閥(電動)。

圖1 中排改造系統圖

改造后，中排一部分經過CV進入低壓缸，另一部分通過CV前三通管道，經過EV，將蒸汽供給用戶。

純凝工況：CV全開，抽汽逆止閥和EV、隔離閥全關。抽凝工況：抽汽逆止閥和EV打開，用CV控制中排壓力，用EV控制到用戶的供汽母管壓力[3]。

熱力控制配合中排改造，增加了3個CV前中排壓力測點和3個中排溫度測點，EV后增加了3個壓力測點和2個流量測點。

2 控制方案

2.1 投入中排調整抽汽的條件

純凝工況運行：CV全開，EV全關。

抽凝工況運行：如果要投入中排抽汽工況運行，必須先判斷是否具備中排投入條件。這是為了防止在中壓缸流量小、中壓缸進出口壓差變小的情況下，中排溫度過高，容易造成低壓缸變形。電廠中排改造中，將熱再壓力作為特征點來確定中排抽汽是否允許投入：當熱再壓力小于規定值(3.215 MPa)時，不允許中排抽汽投入；當熱再壓力大于規定值時，才允許中排抽汽投入。允許投入中排抽汽的熱再壓力3.215 MPa是在再熱汽溫度510 ℃、額定中排抽汽壓力1.20 MPa、中排不抽汽、中排溫度接近報警值378 ℃條件下計算所得。中排抽汽投入時，必須先投入CV控制，保證低壓缸壓力不低于保護值，然后再投入EV控制供熱蒸汽壓力。

2.2 中排壓力保護

為保證中排改造后汽輪機的安全運行，對中排壓力高和壓力低各設置報警和動作兩檔保護。

2.2.1 中排壓力高

為防止中排溫度高、低壓缸變形，報警值設定為1.23 MPa，中排壓力達到該數值時，發出報警信號，同時通過開大CV來降低中排壓力。中排壓力高動作值設定為1.25 MPa，中排壓力達到該數值，并且CV已經全開時，機組自動降負荷(速率為5 %/min)，直至中排壓力低于報警值1.23 MPa。機組自動降負荷是在機組數字電液調節(DEH)中觸發Runback(甩部分負荷)直接減機主控指令實現。

2.2.2 中排壓力低

為了防止中壓缸壓差大，中壓缸末級葉片過載，保證中壓缸末級葉片的安全可靠，在投入中排抽汽時中排壓力不能太低。中排壓力達到報警值時，發出報警信號，通過關小CV來提高中排壓力。CV全關仍無法提高中排壓力，達到中排解列值時，延遲30 s后中排抽汽自動解列。EV關閉，CV打開，CV打開速率以負荷變化率不超過5 %/min為限制條件。中排壓力低報警值和解列值是中壓熱再壓力的函數，曲線見圖2。

圖2 中壓熱再壓力與中排抽汽壓力關系圖

如果用戶需要的蒸汽壓力低于中排解列值，在保證中排壓力大于解列值的同時，通過調整EV節流來滿足。

2.3 中排溫度高保護

中排溫度達到中排溫度高報警值(378 ℃)時，發出報警信號，同時運行畫面提示運行人員增加主蒸汽流量或降低中排抽汽壓力以降低中排抽汽溫度，如果條件允許可以降低再熱汽溫度，中排抽汽溫度也會隨之下降。

中排抽汽溫度達到中排溫度高高跳機值(388 ℃)時，打開CV，降低中壓缸排汽壓力，如果溫度繼續持續升高，延時1 min后汽輪機跳機。

2.4 低壓缸進口壓力低保護

中排抽汽供熱工況下，為防止低壓缸末級葉片因排汽流量太小進入鼓風狀況，不同進汽量下有最大的抽汽量限制，低壓缸流量無法直接測量，因此將低壓缸進汽壓力(CV后壓力)作為特征點，保證低壓缸最小冷卻流量。低壓缸進口壓力最小值設定為70 kPa。同時檢測低壓缸排汽溫度超過80 ℃時噴水，超過120 ℃時跳機。

在投入中排抽汽工況，低壓缸進口壓力低于70 kPa時，EV不得再開大，此時分布式控制系統(DCS)畫面上有提示：機組必須加負荷后，才能再增加抽汽量。

3 遇到問題及處理方案

3.1 中排壓力高保護邏輯的完善

為防止中排溫度高、低壓缸變形，對中排壓力高動作保護設計的邏輯為：中排壓力達到1.25 MPa，并且CV已經全開時，機組自動降負荷(速率為5 %/min)，直至中排壓力低于報警值1.23 MPa，機組自動降負荷在機組DEH中通過觸發Runback直接減機主控指令實現。考慮到DEH直接減指令會造成汽輪機主控指令和DEH流量指令不一致，對機組控制會產生很大的擾動。因此增加了1條邏輯：中排壓力達到1.25 MPa，并且CV已經全開，DEH直接減負荷的同時將DEH退出Remote(遠方控制)，切到OA(操作員自動控制)。

3.2 CV卡澀時機組協調控制邏輯的完善

中排改造后的實際運行過程中，CV曾出現過卡澀。為防止CV卡澀導致中排壓力過高，增加了1條邏輯：在出現CV指令和反饋偏差超過3%(延時5 s)并且中排壓力高于1.23 MPa時，機組退出協調方式，切到汽輪機跟隨控制(TF)方式。原設計邏輯為中排壓力達到1.25 MPa時通過開大CV來降低中排壓力，由于CV卡澀會導致中排壓力還會上升，此時必須將爐主控切到手動，閉鎖增加鍋爐的煤量，所以機組需退出協調方式，切到TF方式，能從源頭上遏制中排壓力的上升。

3.3 EV油路的完善

機組發生電超速、汽輪機跳閘、發電機跳閘時，中排供熱必須強制退出，EV迅速關閉，CV先關閉7.5 s，然后CV的快開電磁閥得電，閥門快開。對外供熱管道上雖然布置了抽汽逆止閥和EV兩道閥門防止蒸汽倒流使汽輪機超速，但如果發生不能迅速關閉的情況下，汽輪機很有可能超速釀成事故[4]。

對EV原油路設計僅設計1路動力油，機組發生電超速、汽輪機跳閘、發電機跳閘時靠EV快關電磁閥得電激勵，關閉EV。在考慮EV設置防超速的重要性后，認為EV應該和汽輪機主汽閥、高調閥同等看待。對EV油動機進行改型，增加油動機安全油壓保護，安全油管路取自汽輪機超速保護控制(OPC)油管支路。該路安全油壓在汽輪機或發電機跳閘或超速時會泄掉壓力，EV油動機油缸隨之迅速泄壓，實現閥門快關。這樣設計的目的是在發生電超速、汽輪機或發電機跳閘時，如果EV快關電磁閥故障，EV也會因OPC油母管泄壓而關閉，確保機組事故時供熱母管中的蒸汽不會倒流而使汽輪機超速。

4 改造后中排帶載能力試驗

為了摸索3號、4號機組中排帶載能力及投入中排供熱的邊界條件，改造后進行了相關試驗。試驗前將機組一抽、冷熱再混合器供熱、熱再至低壓供熱等其他所有供熱退出。機組負荷為310 MW，主蒸汽壓力為16.8 MPa，熱再壓力為3.6 MPa，主蒸汽質量流量為1 110 t/h左右，主蒸汽溫度為534 ℃，再熱汽溫度為512 ℃，中排壓力為1.2 MPa，中排溫度為361 ℃，CV開度為27%，CV自動控制壓力設定值為1.2 MPa，EV開度為12%，中排供熱質量流量為20 t/h。機組方式在TF方式，總煤量為142 t/h。

4.1 試驗一

保持主蒸汽質量流量不變，逐漸打開EV，增加中排供熱質量流量至150 t/h,同時將其他機組低壓供熱流量減少，滿足3號機組帶150 t/h要求。試驗結果表明：在此工況下EV全開，控制用戶低壓母管壓力為1.1 MPa時，中排質量流量最大為146 t/h，機組負荷降至293 MW，熱再壓力升至3.71 MPa，中排溫度降至最低357.2 ℃(熱再壓力、溫度的變化主要是由于原熱再至低壓供熱質量流量由50 t/h降至0 t/h導致)，CV開度關至21%左右，低壓缸進汽壓力由820 kPa降至700 kPa。

4.2 試驗二

保持EV全開，逐漸降低主蒸汽質量流量。主蒸汽質量流量由1 110 t/h降至最低890 t/h

時，再熱汽溫度為509 ℃，此時對應機組負荷降至230 MW，熱再壓力降至3.12 MPa(抽凝工況)，中排溫度升至最高377 ℃，CV開度關至最小15.5%左右，低壓缸進汽壓力由700 kPa降至540 kPa，中排供熱質量流量為130 t/h。

5 結語

該電廠3號、4號機組經過中排供熱改造后，在純凝工況下主蒸汽質量流量為900 t/h以上時可以投入中排抽汽，在保持用戶低壓母管壓力1.1 MPa，EV全開時，中排供熱蒸汽質量流量為125～145 t/h，汽輪機中排溫度不超限，汽輪機其他參數如振動、軸向位移、總脹、脹差、推力瓦溫度等無明顯變化，汽輪機能保持安全運行。中排供熱投入后，中排供熱量的大小對中排溫度的影響較小。

350 MW機組中排改造后，因為汽輪機本體設備中低壓缸通流部分有所改動，中排供熱量和機組負荷變化劇烈時會影響到機組的協調控制，所以改造后熱工控制邏輯的設計對發電設備的安全運行顯得尤為重要。電廠的熱工控制邏輯在實際運行中不斷完善，基本考慮了實際運行工況，保證了發電設備的安全運行。