超超臨界二次再熱機組旁路控制策略設計及應用

張天海， 殳建軍， 王 駿， 高愛民， 于國強

(江蘇方天電力技術有限公司, 南京 211102)

超超臨界火電機組一般采用中間再熱式熱力系統，按一機一爐的單元配置。通常由于汽輪機和鍋爐特性差異較大，因此機爐的匹配問題成為機組生產運行過程中的難點之一。在中間再熱機組上設計旁路系統，能夠有效解決單元機組機爐運行不匹配等問題。二次再熱火電機組的系統結構與一次再熱火電機組相比有很多不同之處，機組旁路系統也更為復雜。設計配置功能完善的旁路系統以及相應的控制策略，對提高二次再熱火電機組運行的安全性和經濟性起著重要作用。

筆者根據某超超臨界二次再熱機組旁路系統特點，設計了旁路系統全程自動控制策略，并結合660 MW超超臨界二次再熱汽輪機運行特點，對該旁路控制策略進行優化，以保證機組安全穩定運行。

1 旁路系統功能及組成

汽輪機旁路系統的作用主要是為汽輪機提供一條旁路通道，適時地平衡鍋爐的產汽量和汽輪機的耗汽量，改善整機啟動條件及機組不同運行工況下帶負荷的特性。對于高參數、大容量的二次再熱火電機組，為了協調機爐運行，適應電網快速升降負荷的要求，增強機組的靈活性，應根據機組鍋爐和汽輪機等設備的設計布置及運行方式、對參數的要求等方面，設計配置功能完善的旁路系統以及相應的控制策略。

某電廠660 MW超超臨界二次再熱機組凝汽式汽輪機設計為單軸、五缸四排汽，采用全周進汽滑壓運行方式，同時采用了補汽閥技術。旁路系統設計為高、中、低三級串聯旁路，包含高壓旁路一路、中壓旁路一路、低壓旁路兩路，具體見圖1。

圖1 旁路系統示意圖

1.1 各級旁路管道和閥門

旁路閥是旁路系統中完成減壓、減溫和流量調節的主要部件，主要包括旁路壓力調節閥和旁路溫度調節閥。高壓旁路設置在鍋爐側，采用40%鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)容量的旁路系統，從鍋爐出口主蒸汽支管上接出，經過高壓旁路閥(主要控制壓力)減溫減壓后接入鍋爐側的一次冷再熱蒸汽支管(減溫器前)。高壓旁路閥的減溫水來自高壓給水。中壓旁路和低壓旁路設置在汽輪機側，中壓旁路容量按啟動工況主蒸汽流量加高壓旁路減溫水設置，從汽輪機側的一次熱再熱蒸汽管道接出，經過中壓旁路閥減溫減壓后接入汽輪機側的二次冷再熱蒸汽母管(逆止閥后)。中壓旁路閥的減溫水來自給水泵一次中間抽頭；低壓旁路總容量按中壓旁路容量加中壓旁路減溫水設置，從汽輪機側的二次熱再熱蒸汽管道接出，經過低壓旁路閥減溫減壓后接入凝汽器喉部。低壓旁路閥的減溫水來自凝結水[1]。

1.2 旁路閥的執行機構系統

為提高壓旁路閥的動作速度和定位精度，設計采用電液執行機構。各級旁路裝備2臺液動執行器的供油油站，當旁路系統液壓油壓力低于13 MPa時，備用油泵聯鎖啟動，30 s內系統油壓迅速達到工作油壓16 MPa后聯鎖停止備用泵。油站蓄能器所儲能力，能夠在其電源故障的情況下，仍能提供足夠的液壓動力，使旁路系統所有閥門完成1～2次全行程開或關。

2 旁路系統控制策略

超超臨界二次再熱機組旁路系統的控制策略，根據機組本身設備結構特點進行設計。旁路系統控制主要包括旁路蒸汽壓力控制、旁路蒸汽溫度控制和旁路超馳保護功能。

2.1 高壓旁路壓力控制

在機組各種工況下(冷態、溫態、熱態和極熱態)，汽輪機啟動時，投入旁路系統控制蒸汽參數，能夠控制蒸汽壓力穩定在汽輪機啟動壓力，保證蒸汽溫度與汽輪機汽缸金屬較快相匹配，從而縮短機組啟動時間，同時也起到回收工質的作用，提高運行的經濟性。由于高壓旁路設計為40%BMCR容量，為保證旁路系統的運行安全，機組正常運行并網帶負荷后，隨著鍋爐側燃料量的增加，高壓旁路閥開度逐漸減小直至關閉。當機組負荷超過165 MW后，高壓旁路閥始終處于全關狀態，當機組運行異常、過熱器超壓時，通過鍋爐側過熱器安全閥快開實現主蒸汽泄壓溢流，防止主蒸汽壓力超過安全值。高壓旁路控制主要分為4個模式：點火模式為A1模式、最小閥位模式為A2模式、升溫升壓模式為A3模式、滑壓跟蹤模式為B模式。

2.1.1 A1模式

鍋爐點火，有任一煤層投入，高壓旁路控制進入A1模式，此時高壓旁路閥保持全關，高壓旁路壓力設定值跟蹤實際主蒸汽壓力。此模式避免了在點火初期鍋爐蓄熱流失，使主蒸汽壓力逐漸累積升壓到一定值。

2.1.2 A2模式

A1模式下滿足以下任一條件時，轉為A2模式：(1)鍋爐點火10 min后；(2)點火時主蒸汽壓力已大于最大允許沖轉壓力(12 MPa)；(3)點火后鍋爐累計升壓超過0.1 MPa。

A2模式又稱為閥位跟蹤模式，高壓旁路壓力設定值跟蹤實際主蒸汽壓力。在A2模式初期，高壓旁路閥開度從全關位置以一定的速率開大至閥位控制下限，A2模式下高壓旁路閥開度下限根據啟機時的狀態自動設置，具體見表1。

表1 A2模式啟動參數

通過設定閥門開度下限，使高壓旁路閥始終保持一定的開度，保證鍋爐有一定的蒸汽流量，防止再熱器干燒，同時又避免了在點火初期鍋爐蓄熱過多流失，使鍋爐能夠盡快升溫升壓。冷態啟動時，高壓旁路閥開至最小閥位后，保持此開度升壓至0.5 MPa，隨著壓力上升，高壓旁路閥位緩慢開至A2模式開度上限，開始定閥位升壓[2]。

2.1.3 A3模式

A2模式下，主蒸汽壓力達到沖轉壓力設定值，發電機未并網且高壓旁路閥指令大于29%，高壓旁路控制進入A3模式。A3模式分為：(1)升溫升壓至汽輪機沖轉壓力；(2)保持沖轉壓力，汽輪機沖轉到3 000 r/min；(3)機組并網至高壓旁路閥全關。進入A3模式后通過高壓旁路壓力控制回路維持閥前壓力至汽輪機沖轉壓力，高壓旁路閥位開度上限釋放至100%，保留高壓旁路閥門開度下限，下限為主蒸汽溫度的函數，具體見圖2。

圖2 A3模式下高壓旁路閥開度下限

2.1.4 B模式

機組并網后，釋放A3模式閥位控制下限，此時隨著鍋爐側燃料量的增加，主蒸汽壓力上升，高壓旁路閥開度逐漸減小，當高壓旁路閥開度小于5%時，汽輪機已經接收了鍋爐所產生的全部蒸汽，高壓旁路控制轉為B模式。與100%BMCR容量二次再熱機組高壓旁路系統不同，40%BMCR容量旁路系統在高負荷時無超壓溢流功能，B模式下高壓旁路的壓力設定值會在實際主蒸汽壓力基礎上疊加一定的偏置量，使得旁路設定值始終大于實際壓力，保證高壓旁路可靠關閉。

2.2 中壓旁路壓力控制

鍋爐點火后中壓旁路控制進入A1模式，關閉中壓旁路閥。在高壓旁路控制進入A2模式且高壓旁路閥開度大于3%后，中壓旁路控制進入A2模式，中壓旁路壓力設定值從當前一次再熱蒸汽壓力按照0.05 MPa/min的速率變化到0.55 MPa，同時為了保證一級再熱器有一定蒸汽流量，且保證升壓泄壓速率與鍋爐熱負荷匹配，將中壓旁路閥開度上、下限分別設定為50%、10%。

隨著鍋爐熱負荷的增加，當中壓旁路閥開度大于49%且高壓旁路控制已進入A3模式時，中壓旁路控制進入A3模式，中壓旁路目標壓力設定值以0.1 MPa/min速率從0.55 MPa升壓至2.5 MPa，該模式下釋放中壓旁路閥開度上限至100%，保留閥門開度下限為10%。

在機組并網后，取消中壓旁路控制A3模式閥門開度下限。A3模式下，當高壓旁路閥開度小于3%、中壓旁路閥開度小于6%后，中壓旁路控制進入B模式。在B模式下，采用一次再熱蒸汽實際壓力疊加2 MPa作為中壓旁路壓力設定值，保證在該模式下中壓旁路閥始終關閉。

2.3 低壓旁路壓力控制

低壓旁路壓力控制策略除控制目標壓力不同外，與中壓旁路壓力控制基本一致。低壓旁路控制分為兩路，A、B兩側采用相同的控制策略，相互獨立控制，具體見表2。

表2 低壓旁路控制模式

2.4 旁路溫度控制

高、中壓旁路溫度控制(見圖3)均采用基于閥后溫度的單回路控制策略。

圖3 旁路溫度控制圖

通過調節旁路減溫水調節閥開度，控制各級旁路閥后溫度，防止一次、二次再熱器超溫或者由于旁路出口帶水而導致閥后管道及設備損壞。每級旁路噴水管路還設有1個液動截止閥，防止因調節閥泄漏，而導致旁路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。

為提高旁路溫度控制的響應速率，將旁路閥位與閥前壓力乘積作為前饋信號引入溫度控制器，控制噴水減溫調節閥隨著旁路閥打開，能夠不受溫度測量延時的影響而盡快開啟，提高旁路溫度控制效果。

由于低壓旁路閥后蒸汽一般都接近或處于飽和狀態，在閥后壓力下工質的汽化潛熱將達到 2 000 kJ/kg 以上，蒸汽進入飽和狀態后，在直到出現過冷前，減溫噴水對低壓旁路閥后溫度都將不產生影響，采用基于閥后溫度的單回路控制效果并不明顯，因此低壓旁路溫度控制采用焓值決定閥位的控制策略[3]。該控制策略設計原理主要是根據能量守恒原理，由蒸汽流過低壓旁路閥降低的熱量折算出低壓旁路需要的減溫水量，然后根據減溫水調節閥的流量-閥位特性，得出減溫水調節閥的開度。

2.5 旁路保護功能

2.5.1 旁路快關

機組正常運行過程中，各級旁路閥均全部關閉。任何工況下，機組主燃料跳閘(MFT)鍋爐熄火時，旁路閥均保持關閉狀態，鍋爐進入悶爐保壓狀態。

為防止再熱器和凝汽器超溫、超壓，該旁路系統設計了旁路快關功能，表3為旁路快關條件，快關條件滿足后觸發超馳關電磁閥指令，同時將各級旁路閥調節指令超馳置為0。

表3 旁路快關條件

2.5.2 旁路快開

當機組在低負荷段(機組負荷小于99 MW)正常運行，若發生汽輪機跳閘或者發電機跳閘，且鍋爐未觸發MFT熄火時，各級旁路閥超馳快開，同時各級旁路控制由B模式轉換為A3模式，維持各級蒸汽壓力在沖轉壓力，等待汽輪機重新啟動。表4為二次再熱機組旁路快開條件對比，C模式為汽輪機跳閘但鍋爐不跳閘模式。

表4 二次再熱機組旁路快開條件對比

3 應用及優化

3.1 旁路系統應用

旁路系統自投運以來，機組多次啟停及長時間運行情況表明，該旁路控制策略能夠滿足機組在啟動、停止和事故工況下對旁路系統的控制要求，特別在機組啟動過程中，通過熱力循環加快了蒸汽參數的提高，縮短了啟動過程時間。旁路系統全程自動控制的運用，減少了運行人員在汽輪機沖轉、并網過程中的人工操作，保證汽輪機的各項沖轉參數控制在穩定的范圍內，提高了運行的經濟性。

圖4為高壓旁路冷態啟動參數。

圖4 高壓旁路冷態啟動參數

3.2 協調控制優化

3.2.1 主蒸汽壓力控制模式切換

該二次再熱汽輪機組數字電液(DEH)控制系統采用西門子SPPA-T3000分散控制系統(DCS)，通過DEH控制系統中汽輪機自啟動順控實現汽輪機自動啟動。在汽輪機沖轉過程中，高壓旁路控制處于A3模式，控制主蒸汽壓力維持在沖轉壓力。機組并網后，隨著鍋爐側燃料量增加，主蒸汽壓力上升，高壓旁路閥逐漸關閉，當高壓旁路閥開度小于5%時，汽輪機已經接收了鍋爐所產生的全部蒸汽，此時汽輪機自啟動順控接收到高壓旁路閥關閉信號，DEH控制系統從限壓控制方式轉為初壓控制方式，通過調節汽輪機調節閥開度來控制主蒸汽壓力，汽輪機啟動歩序完成，機組處于汽輪機跟隨(TF)運行方式。

3.2.2 汽輪機切缸時旁路控制模式切換

機組并網后，維持初始負荷66 MW運行，旁路系統閥門均已全部關閉。升速、定速、低負荷及甩負荷工況下，流經汽輪機(超)高壓缸蒸汽流量過低可能引起(超)高壓缸末級葉片鼓風發熱，導致葉片的熱應力和差脹增大。根據DEH控制系統控制邏輯，如果(超)高壓缸排汽溫度過高，首先會啟動(超)高壓缸排汽溫度限制器，減小中壓調節閥的開度，減少中壓缸的進汽量，增大(超)高壓缸的進汽量；如果(超)高壓缸排汽溫度進一步上升，則關閉(超)高壓調節閥，打開(超)高壓通風閥，將(超)高壓缸抽真空，汽輪機切除(超)高壓缸運行；如果(超)高壓缸排汽溫度繼續升高，超過跳機限制值時，將發出停機信號，遮斷機組。圖5為汽輪機(超)高壓缸排汽溫度。

圖5 汽輪機(超)高壓缸排汽溫度

由于超高壓缸高壓軸封溢流至高壓缸平衡鼓后作為冷卻汽源，該管路無逆止閥，因此當超高壓缸和高壓缸任一排汽溫度達到高二值(切缸值)時，同時觸發超高壓缸、高壓缸切缸程序，關閉超高壓、高壓缸調節閥，切除超高壓缸和高壓缸。汽輪機切缸發生后，若不及時打開高壓旁路閥和中壓旁路閥，會導致主蒸汽和一次再熱蒸汽阻塞，延時10 s后觸發鍋爐再熱器保護動作，機組MFT。而旁路系統B模式下始終保持旁路閥關閉且無超壓溢流功能，因此當汽輪機切缸后，必須及時將高、中壓旁路閥開啟，防止鍋爐再熱器干燒。

為了減少在低負荷工況時機組誤跳閘的風險，根據汽輪機運行方式特點，對旁路系統控制策略進行了優化。增加4路DEH控制系統與DCS旁路控制系統的硬接線信號，將汽輪機超高壓、高壓缸切缸信號及時送至旁路控制系統，在汽輪機切缸后迅速將旁路控制模式由B模式切換至A3模式，超馳打開高中壓旁路閥，防止鍋爐再熱器干燒。旁路系統控制模式切換后， DEH控制系統側控制自動切為限壓控制方式，通過高壓旁路閥控制主蒸汽壓力，維持機組穩定運行。

當機組負荷大于66 MW，超高壓缸排汽溫度恢復至正常溫度范圍時，DEH控制系統中超高壓缸并缸順控程序自動激活，將超高壓缸調節閥和主汽閥重新打開，同時關閉超高壓通風閥，使超高壓缸投入運行。

超高壓缸并缸順控程序完成后，延時2 min自動激活高壓缸并缸順控程序，使汽輪機恢復到正常三缸運行方式。DCS旁路控制系統接收到DEH控制系統并缸完成信號后，自動將高、中壓旁路A3模式的閥位開度下限設置為0，使得旁路閥開度能夠隨著鍋爐燃料量的增加而逐漸減小至全關，旁路系統控制重新切回到B模式，機組重新恢復正常運行。

4 結語

通過對40%BMCR旁路容量超超臨界二次再熱機組旁路控制策略進行研究，提高了二次再熱機組運行經濟性，降低了機組跳閘的風險，保障了機組穩定運行，旁路系統全程自動控制的投入，減輕了運行人員的操作任務，為運行人員提供了便利。

與旁路100%BMCR容量機組相比，40%BMCR容量旁路系統在機組啟動、低負荷運行時作用更為明顯，因此筆者研究的控制策略僅適用于旁路40%BMCR容量超超臨界二次再熱機組，但仍為后續旁路100%BMCR容量超超臨界660 MW二次再熱機組旁路系統控制策略設計提供了參考。