二次再熱機組雙機回熱系統運行控制策略

房吉國 楊國強 王開晶

摘? 要：雙機回熱系統最重要的設備之一為回熱式驅動小汽機，該小汽機具有驅動給水泵和回熱抽汽多種功能。小汽機在滿足給水泵耗功的同時，還要滿足回熱系統的需要。不僅要考慮升降負荷時小汽機的運行，還要考慮其他特殊工況下如何滿足給水和回熱抽汽的要求。小汽機的啟動和控制運行是一個多變量協同控制過程，如何正確處理這些變量之間的關系及控制方法是實現小汽機正常啟動運行的前提。文章根據以往的運行經驗及雙機回熱小汽輪機的運行特性，進行了雙機回熱各工況的運行控制策略設計，方便后期運行實際操作。

關鍵詞：1000 MW;雙機回熱;小汽輪機;變工況;運行控制

中圖分類號：TM621? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）01-0031-04

Abstract：One of the most important devices of the double-turbine reheating system is the reheating drive small steam turbine. The small steam machine has various functions of driving feed water pump and recovering heat steam extraction. The small steam turbine satisfies the needs of the reheating system while supplying the pump with power. It is necessary to consider not only the operation of the small steam turbine during lifting and lifting load，but also how to meet the requirements of water supply and return heat pumping under other special conditions. The starting and controlling operation of small steam turbine is a multi-variable collaborative control process. How to correctly handle the relationship between these variables and the controlling method is the premise of realizing the normal starting operation of small steam turbine. The article based on the experience of operation and the characteristics of the two-turbine return steam turbine，the operation control strategy of the two-turbine return heat is designed to facilitate the operation of the later operation.

Keywords：1000 MW;double-turbine regeneration system;small steam turbine;variable working conditions;operation control

0? 引? 言

燃煤發電機組蒸汽參數的提高，可以獲得更高的循環效率，進一步降低機組的煤耗，減少溫室氣體和其他污染物排放。隨著蒸汽參數的提高，回熱抽汽過熱度增大，回熱加熱器內汽側和水側換熱不可逆損失增加，削弱了提高蒸汽參數帶來的收益。蒸汽參數越高，這一矛盾越突出。對于這一問題，常規的解決辦法是，通過在再熱后的部分回熱抽汽增設外置式蒸汽冷卻器，降低回熱抽汽的過熱度，但是前置蒸冷器雖然可降低抽汽過熱度，但其綜合換熱系數很小，只有通過增大其換熱面積才可以保證換熱效果。因此其提升給水溫度有限，體積龐大，一方面給主廠房的布置帶來了困難，另一方面由于其價格不菲，提高了整個工程的造價成本[1]。另一種辦法是采用雙機回熱系統，此方法理論上能夠大幅降低再熱后所有回熱抽汽的換熱過熱度，可以大幅提高回熱抽汽能級利用效率[2，3]。百萬二次再熱機組，參數越高，優勢越明顯。采用雙機回熱系統后，小汽機的啟動和控制運行是一個多變量協同控制過程，正確處理這些變量之間的關系及控制方法是實現小汽機正常啟動運行的前提，本文將對雙機回熱系統運行控制策略進行設計。

1? 雙機回熱系統介紹

雙機回熱小汽輪機系統如圖1所示，采用抽汽背壓式汽輪機，該汽輪機工作汽源來自超高壓缸冷段再熱蒸汽（超高壓止逆閥后）。采用超高壓缸冷端再熱蒸汽，具有工作汽源參數較高，機組效率較高的優勢[4]，同時配備小發電機，經過不同工況計算均能夠滿足給水泵功率要求[5]，不需另設高壓汽源，小汽輪機僅設一個工作汽源，機組調試時由輔助汽源供汽。

小汽機的抽汽替代大汽輪機高壓缸、中壓缸的回熱抽汽。來自一次再熱冷段的蒸汽經過小汽機部分級次做功后，依次進入高壓加熱器和除氧器換熱，排汽進入低壓加熱器或凝汽器（排氣裝置）。

2? 小汽輪機啟、停動運行控制策略

2.1? 控制調節系統

小汽輪機由MEH控制系統控制，控制方式可分為三種：手動方式、轉速自動控制、閥位開環控制。小汽輪機在啟動過程中，通過測速板采集小機的轉速，控制系統按小汽輪機啟動曲線升速，輸出控制信號到伺服閥，通過伺服閥來改變調節閥的開度，控制進入給水泵汽輪機的蒸汽流量，改變汽輪機的轉速。

2.2? 小機啟動控制

大機沖轉定速3000 r/min后，超高壓缸冷段再熱蒸汽參數滿足沖車要求，可啟動回熱小汽機并通過調節閥控制進汽流量，給水泵旁路投入運行，并通過調速裝置調節給水泵轉速，使給水泵低速、低負荷運行。小機啟動沖轉時，小機排汽進入凝汽器，小機并網時，逐步開啟低加入口的閥門，關小去凝汽器閥門，逐步將小機排汽切換至低加，雙機回熱系統啟動過程如圖2所示。

回熱小汽機轉速升至3000 r/min，穩定后小汽輪機并網帶初負荷，繼續開大小汽機調節閥，增大進汽流量至閥門全開帶滿負荷。任何工況下不得超過小發電機最大功率，不得低于小發電機最小功率，理論上回熱小汽機出力和給水泵間的功率差就是小發電機出力，小機所帶加熱器投入順序，壓力由低到高依次投入。

同時，給水泵耦合器由自動控制切換到協調控制方式，DCS給出目標轉速，根據給水流量要求控制給水泵相應轉速，當汽動給水泵出口壓力升高至電動給水泵出口壓力，汽動給水泵與電動給水泵并列運行，并逐漸減小電動給水泵出力，調節電動給水泵出口調節閥，維持電動給水泵出口壓力滿足要求，減小流量，同時增加小汽機驅動給水泵出力，直至電動給水泵流量減小到一定程度，停止電動給水泵，完全由小汽機驅動給水泵滿足鍋爐給水的需要。不同負荷下通過小發電機的電負荷來協調給水泵的出力。

2.3? 小機運行調節策略

機組運行時，回熱抽汽量由回熱加熱器自平衡決定，給水泵出力由某工況下給水流量及給水壓頭決定，各工況下回熱小汽機進汽量不可能同時滿足給水泵出力和回熱抽汽量。部分負荷時小機進汽壓力滑低，進汽量減少，給水泵的效率下降，給水流量和壓頭均減小，整個給水泵組出力減小。全負荷及變負荷工況下，小汽機調門不參與調節，機組負荷隨進、排汽參數變化，通過小機帶的電負荷來匹配軸功率，各工況下電機功率并不相同，在小電機最高與最低負荷之間。小汽機調門僅在機組啟動及小電機功率超限等特殊工況下參與調節。

鍋爐給水泵由聯軸器及調速裝置齒輪箱等設備與小汽輪機相連，調速裝置接收鍋爐給水流量或轉速信號，信號來自CCS輸出信號，且與DCS系統聯網，通過控制調整調速裝置輸出轉速來滿足鍋爐給水要求。給水通過調速裝置，其流量按機爐控制系統要求的“煤水比”對給水泵的轉速進行控制。

2.4? 小機停機控制策略

汽輪機的停機分為正常停機與緊急停機。正常停機用于小修、大修等計劃停機;緊急停機用于機組發生事故，危及人身、設備安全及突然發生不可抗拒的自然災害時的停機。

2.4.1? 小機隨機組正常停機

正常停機過程，小機隨大機一起滑參數停機，按如下步驟進行：

（1）當主機負荷下降至低于40%額定值時，打開所有的氣動疏水閥，小汽輪機調節閥參與調節;

（2）隨著主機負荷下降，CCS自動降低給水泵轉速，當大機負荷以穩定速率降低時，給水泵通過調速裝置轉速隨給水調節而自動降速。當大機負荷降至40%～30%時，啟動電動給水泵，當汽泵轉速下降到10%額定轉速時，或發電機功率超過額定功率時，小汽輪機開始降負荷，當小汽機負荷下降到5%額定負荷時，按下操作控制臺上“停機”按鈕。發電機解列，主汽閥，調節閥、抽汽止逆門全部關閉;

（3）機組脫扣。1）主汽閥與調節閥迅速關閉，相應指示燈亮;2）當機組轉速惰走到0 r/min時，盤車裝置自動投入并帶動主軸轉動，機組進入盤車狀態;3）盤車裝置要連續運行至汽缸溫度達150 ℃以下方可停止。

2.4.2? 小機緊急停機

緊急停機即非正常停機，如果出現在下列情況下，則汽輪機必須立即打閘停機，緊急停機可通集控室控制臺上的手動停機按鈕。

（1）機組發生強烈振動，振幅達停機值以上，或機組振動值急劇增加;

（2）汽輪機內有清晰的金屬摩擦聲和撞擊聲;

（3）汽輪機發生水擊;

（4）軸承鎢金溫度急劇上升至跳機值或任一軸承回油溫度升至跳機值;

（5）軸封或擋油環嚴重摩擦、冒火花;

（6）啟動備用油泵無效，潤滑油母管壓力低至停機值;

（7）油箱油位低至停機值，補油無效;

（8）油系統著火;

（9）軸向位移超限，而軸向位移保護裝置未動作;

（10）汽輪機轉速升至跳閘轉速值，而機組未遮斷。

2.5? 背壓控制方式

小汽機的背壓越低，替代回熱系統的范圍越大，回熱抽汽量也越多，小汽輪機的出力也越大;而背壓越高，替代回熱系統的范圍越小，對應的回熱抽汽量也越少，小汽輪機的出力也越小。回熱式驅動小汽機的背壓不能太低，排汽濕度將嚴重超限，不利于末級葉片運行。回熱式驅動小汽機背壓不能太高，當背壓達到一定壓力時，出力滿足不了給水泵耗功，且可能超過低加的工作允許壓力，這個背壓值便是回熱小汽機背壓的上限值。不同負荷時小汽輪機背壓整定由調壓控制系統實現。當背壓超過允許范圍時，先通過去末級低加的調節閥來維持小汽輪機背壓，維持不了再調整前一級低加的調節閥，若背壓仍然不能回減，則需要調節小汽輪機的進汽調節閥。

3? 特殊運行工況控制策略

3.1? 高加切除工況

雙機回熱系統中，進入回熱小汽機的蒸汽全部進入回熱系統，THA工況下，回熱小汽機所帶高壓回熱抽汽量占主流流量比例較大（主流量指通過前一級的蒸汽流量），高加切除運行對主汽輪機和小汽機的軸向推力影響較大，1000 MW二次再熱雙機回熱機組高加切除方式可采用三種，分別為高加全部切除、高加三三分組切除和高加兩兩分組切除。

對三種運行模式下主汽輪機和回熱式驅動小汽機的軸向推力進行了校核，根據初步核算結果[6]，只有在高加兩兩分組切除時，主機和回熱小汽機的軸向推力的比壓值較全部切除工況顯著下降。在高加兩兩分組切除模式下，從軸向推力的設計角度來說，機組可帶滿負荷運行。機組在高加切除的事故運行時保證小機安全穩定運行，推薦采用兩兩分組的設計方案。

3.2? 低加切除工況

雙機回熱小機帶的前一級低加切除，排汽進入后一級低壓加熱器，富余的排汽量通過管道接入凝汽器。僅從汽輪機本體結構方面考慮，該方案可行。但低加切除對其他輔助設備是否有影響，還需要進一步評判混合式低壓加熱器是否可以切除。

末級低加切除后，前一級混合式加熱器入口水溫度低、吸熱增加。此時，回熱小汽機排汽不需要排至旁路減溫減壓裝置。當同時切除多臺低壓加熱器時，需要根據切除的加熱器個數限制機組負荷。一般來說，當同時切除兩臺低加時，機組負荷須降低至90%;當同時切除三臺低加時，機組負荷須降低至80%;依次類推。另外，回熱式小汽輪機排汽系統設置接入凝汽器的旁路，并配置減溫減壓裝置，起到穩定背壓的作用。在加熱器切除工程中，如果背壓超出限制值，投入旁路穩定背壓即可。

3.3? 甩負荷工況

雙機回熱系統，甩負荷工況可分為大機甩負荷及小汽輪機甩負荷。

大機甩負荷工況時，當發電機從電網解列信號發出后，所有調節同常規百萬機組一樣，控制汽輪機轉速，當汽輪機轉速降至102%額定轉速時，超高壓、高壓和中壓調節閥打開維持汽輪機空轉或帶廠用電。甩負荷時汽機功率急速下降，但鍋爐熱慣性大，鍋爐蒸發量下降較慢，電動給水泵功率達不到鍋爐上水量要求，甩負荷過程中給水泵仍由回熱小汽機驅動。

當大機甩負荷時，旁路系統投入運行，小汽輪機進汽采用超高壓旁路后冷段再熱汽源。大機甩負荷時小汽輪機所帶回熱抽汽不切除，小汽輪機維持正常運行。如果鍋爐上水量較小，小發電機功率較大，小汽機調節閥參與調節，滿足除氧器壓力不超限，小發電機功率不超限。

當小機甩電負荷時，小汽輪機的轉速會上升，為了維持3000 r/min，小汽輪機調節閥會參與調節，關小閥門。為避免小汽輪機轉速飛升過大，需預關小汽輪機調門到一定位置，再進行轉速PID調節。此時，調節閥滿足給水系統需要，回熱系統重新維持自平衡。給水泵調速裝置輸入端允許超速15%，而小汽輪機超速范圍為10%，調速裝置在甩負荷工況下是安全、可控的。

4? 結? 論

在成熟機組的啟動、運行控制技術基礎上，對小汽機的控制調節系統、背壓控制系統、啟動和停機、運行調節進行了研究。制定了切高加運行、甩負荷、RB等特殊運行工況下的控制方法，保證雙機回熱系統安全穩定運行。

（1）小汽機節流配汽，工作汽源為超高壓排汽單一汽源，進汽量取決于給水泵功率、發電機功率和回熱抽汽量。正常變工況運行時，小機閥門保持全開狀態以保證小機寬負荷高效運行;

（2）給水泵變工況時，小汽機閥門不參與調節，通過調速裝置接收來自給水的信號調節給水泵轉速、功率，此時，小發電機功率相應變化，協調給水泵出力;

（3）機組啟動時，由于小機啟動時間比大機短，為了減少蒸汽浪費，小機可在大機啟動后采用一次再熱冷段蒸汽作為啟動汽源啟動，因此，建議機組配置30%電動給水泵，先由電動給水泵給鍋爐上水，在大機沖轉后啟動回熱式驅動小汽機;

（4）小汽機正常運行時排汽到低加，在低加抽汽管路上設置調節閥，不同負荷時通過調節閥控制小汽機排汽背壓。末級低加的調節閥是主要調節手段，前一級低加的調節閥為輔助調節手段，必要時需要調節小汽輪機至大機凝汽器的調節閥;

（5）由于雙機回熱系統配置復雜，設備繁多，啟動運行控制是一個多變量協同控制過程。在未來的工程驗證中還要詳細研究，確保機組安全運行。

參考文獻：

[1] 王亞軍，朱佳琪，李林，等.二次再熱機組回熱系統設計和研究 [J].電力勘測設計，2016（3）：16-24.

[2] 喬加飛，張磊，劉穎華，等.二次再熱機組雙機回熱系統熱力性能分析 [J].熱力發電，2017，46（8）：59-63.

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[5] 王雅倩，付亦葳，張澤雄，等. BEST 系統變工況特性及控制方式研究 [J].熱能動力工程，2018，34（5）：42-48.

[6] 龐浩城，王鶴峰.汽輪機軸向推力計算分析 [J].機械工程師，2013（8）：62-63.

作者簡介：房吉國（1969.07-），男，漢族，山東即墨人，

本科，金屬技術監督專責，研究方向：金屬材料監督;楊國強（1989.10-），男，漢族，內蒙古呼和浩特人，節能專責，本科，研究方向：汽機節能;王開晶（1979.06-），男，漢族，山東滕州人，汽機運行高級主管，研究方向：汽機運行。