二次再熱汽輪機(超)高壓排汽溫度控制策略

張天海, 湯可怡, 高愛民, 殳建軍, 劉娜娜

(江蘇方天電力技術有限公司, 南京 211102)

高參數、大容量超超臨界燃煤發電技術作為一項先進、高效、潔凈的發電技術，在我國得到廣泛推廣和應用。隨著超超臨界機組的發展，參數進一步提高，當主蒸汽溫度達到650～720 ℃、主蒸汽壓力超過30 MPa時，采用二次再熱技術，機組效率將進一步提高，可以獲得更加優良的經濟效益。近幾年，國內已有十幾臺二次再熱機組陸續順利投運，各機組運行指標均達到設計要求，實現了二次再熱機組高效靈活運行，這標志著我國超超臨界機組正式開啟了二次再熱的新篇章[1-4]。

目前，在我國已投產和建設中的二次再熱機組主要包括單軸1 000 MW機組、單軸660 MW機組和高低位布置的雙軸1 350 MW機組[5-7]。二次再熱機組汽輪機數字電液控制系統(DEH)主要以采用西門子T-3000控制系統為主，按照汽輪機控制功能模塊劃分，DEH主要具備以下功能：轉速控制、負荷控制、主蒸汽壓力控制、甩負荷功能、(超)高壓排汽溫度控制、溫度裕度計算、閥位控制以及自動啟動控制等[8]。

結合多臺二次再熱機組的調試情況和運行經驗，受汽輪機啟動參數、方式以及機組運行工況等因素影響，二次再熱機組汽輪機易出現(超)高壓排汽溫度高現象，從而導致機組切缸運行甚至跳閘。為了避免二次再熱機組汽輪機因(超)高壓排汽溫度高給機組正常運行帶來風險，筆者通過對DEH中(超)高壓排汽溫度控制邏輯進行分析，并結合二次再熱機組設備及運行特點，對(超)高壓排汽溫度控制邏輯進行協調優化研究，減小機組非計劃停運的概率，為二次再熱機組的安全可靠運行提供保障。

1 二次再熱機組汽輪機結構特點

二次再熱機組汽輪機主要為二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、凝汽式汽輪機[9]，其外形結構見圖1。

1 000 MW二次再熱機組汽輪機由1個單流超高壓缸、1個雙流高壓缸、1個雙流中壓缸和2個雙流低壓缸串聯布置組成，汽輪機轉子的整個軸系由7根轉子(5缸)和9個軸承組成。汽輪機取消調節級，采用全周進汽滑壓運行方式，超高壓缸進口設有2個超高壓主汽閥、2個超高壓調節汽閥，超高壓排汽經過一次再熱器再熱后，通過高壓缸進口的2個高壓主汽閥和2個高壓調節汽閥進入高壓缸，高壓排汽經過二次再熱器再熱后，通過中壓缸進口的2個中壓主汽閥和2個中壓調節汽閥進入中壓缸，中壓排汽通過連通管進入2個低壓缸繼續做功后分別排入2個凝汽器(見圖2)。

與1 000 MW二次再熱機組汽輪機相比，660 MW二次再熱機組汽輪機的結構布置的區別在于高壓缸設計采用1個單流高壓缸，同時采用了補汽閥技術，將超高壓第五級后蒸汽通過汽輪機兩側補汽閥進入超高壓缸[10]。

超超臨界二次再熱機組汽輪機結構參數見表1。

表1 二次再熱汽輪機結構參數

2 (超)高壓排汽溫度影響因素

二次再熱機組(超)高壓排汽溫度高，主要有以下原因：

(1) 機組啟動沖轉及帶初負荷階段，蒸汽流量偏低，(超)高壓轉子鼓風摩擦產生的熱量不能被足夠的蒸汽帶走，導致(超)高壓排汽溫度升高[11]。由于鼓風摩擦損失與汽輪機轉速的三次方呈正比，高轉速下(超)高壓排汽溫度會快速上升。

(2) 機組切除高壓加熱器或低壓加熱器帶負荷運行時，由于改變了汽輪機本體與回熱系統的通流特性，也會導致(超)高壓排汽溫度升高。根據汽輪機的工作原理，級組前后壓力與流量關系可用弗留格爾公式描述：

(1)

式中：qm為額定工況級組內蒸汽質量流量，kg/s；qm1為變工況級組內蒸汽質量流量，kg/s；p0為額定工況級組前壓力，kPa；p01為變工況級組前壓力，kPa；p2為額定工況級組后壓力，kPa；p21為變工況級組后壓力，kPa；T0為額定工況級組前蒸汽熱力學溫度，K；T01為變工況級組前蒸汽熱力學溫度，K。

由于溫度開方后變化更小，因此可忽略蒸汽溫度變化對流量的影響。當高壓加熱器或低壓加熱器切除后，蒸汽返回汽輪機做功，汽輪機內蒸汽流量增大，導致各抽汽點壓力和再熱器壓力上升。同樣負荷下再熱器壓力高于設計值，使得蒸汽在(超)高壓缸內的焓降減小，排汽溫度升高。二次再熱機組調試過程中，發生過因高、低壓加熱器解列導致(超)高壓排汽溫度升高引起機組跳閘事故。

3 (超)高壓排汽溫度控制策略

在汽輪機啟動、停機和甩負荷等任何不穩定運行過程中，蒸汽流量過低可能會使高壓缸葉片鼓風摩擦產生熱量；為了限制葉片的熱應力和差脹，需要將高壓葉片排汽區域蒸汽溫度控制在允許的范圍內。由于高壓排汽的蒸汽溫度測點一般布置在高壓葉片末級區域，通常一次再熱機組汽輪機DEH中采用高壓缸蒸汽溫度(12級后)替代高壓排汽溫度作為控制對象，用于汽輪機運行過程中的控制和保護[12-14]。二次再熱機組汽輪機在設備上增加了1個超高壓缸，因此DEH中也相應增加了超高壓排汽溫度控制策略。

3.1 1 000 MW汽輪機(超)高壓排汽溫度控制

根據汽輪機不同的啟動狀態，二次再熱機組汽輪機采用三缸(超高壓缸、高壓缸、中壓缸)啟動和兩缸(高壓缸、中壓缸)啟動兩種方式[15-16]。汽輪機在冷態、溫態及熱態啟動時，一般采用三缸啟動方式。三缸啟動方式可以實現三缸同時進汽，能夠保證汽輪機各缸受熱均勻，有利于整個轉動軸系的熱應力平衡，但是往往在機組啟動初期，受汽輪機進汽流量分配影響，超高壓缸進汽流量較小，葉片鼓風摩擦產生的熱量無法被足夠的蒸汽帶走，從而導致超高壓排汽溫度上升。為了防止超高壓排汽溫度異常而影響機組的正常運行，汽輪機DEH中設計了一系列復雜的控制策略，用于抑制超高壓排汽溫度的持續上升，保證機組設備的運行安全。

3.1.1 超高壓排汽溫度控制器

當超高壓排汽溫度上升超過一定程度時，會激活超高壓排汽溫度控制器，該控制器通過比例-積分PI閉環控制輸出控制指令，減小中壓調節汽閥開度，增大超高壓調節汽閥開度，重新調整各缸進汽流量分配，從而實現降低超高壓排汽溫度的功能。

3.1.2 超高壓缸切缸保護

超高壓排汽溫度控制器激活后，如果超高壓排汽溫度進一步上升，DEH觸發超高壓缸切缸邏輯，關閉超高壓缸調節汽閥，超高壓排汽通風閥打開，將超高壓缸抽真空，由高中壓缸調節汽閥控制汽輪機的進汽量。

3.1.3 汽輪機遮斷保護

汽輪機切缸后，若超高壓排汽溫度繼續上升，高于汽輪機保護定值后，就會觸發汽輪機保護停機。1 000 MW二次再熱機組汽輪機超高壓排汽溫度限值見圖3。

3.2 1 000 MW汽輪機高壓排汽溫度控制

高壓排汽溫度控制策略也設置了高壓排汽溫度控制器、切缸保護和汽輪機遮斷保護等。如果高壓排汽溫度過高，首先減小中壓調節汽閥開度，減少中壓缸的進汽量，增大高壓缸的進汽量；如果高壓排汽溫度進一步上升，則先關閉超高壓調節汽閥，打開超高壓排汽通風閥，將超高壓缸抽真空，保持中壓調節汽閥開度不變、開大高壓調節汽閥；如果高壓排汽溫度繼續上升，則關閉高壓調節汽閥，打開高壓排汽通風閥，由中壓調節汽閥控制汽輪機的進汽量；當高壓排汽溫度高于汽輪機保護定值后，就會觸發汽輪機保護停機[17]。1 000 MW二次再熱機組汽輪機高壓排汽溫度限值見圖4。

3.3 660 MW汽輪機(超)高壓排汽溫度控制

由于660 MW二次再熱機組汽輪機設計采用1個單流高壓缸，在汽輪機本體設計中超高壓缸平衡盤后引出一路蒸汽用來冷卻高壓缸平衡盤，因此其(超)高壓排汽溫度控制與1 000 MW二次再熱機組汽輪機略有差異。當超高壓缸和高壓缸任一排汽溫度達到切缸值時，同時觸發超高壓缸、高壓缸切缸程序，關閉超高壓、高壓缸的調節汽閥，切除超高壓缸和高壓缸。660 MW二次再熱機組汽輪機(超)高壓排汽溫度限值見圖5。

4 (超)高壓排汽溫度控制策略優化

二次再熱機組一般采用高、中、低三級串聯旁路系統，根據旁路容量大小，設計不同的旁路系統控制策略，以實現機組點火、沖轉、并網、升負荷、停機、停爐等過程中旁路系統全程自動控制。當機組并網后，隨著鍋爐側燃料量的增加，各級旁路閥門逐漸關閉，并轉入旁路跟隨溢流模式，使旁路閥門均保持全關狀態。正常情況下，隨著機組負荷的上升，汽輪機蒸汽流量不斷增加，汽缸葉片鼓風效應基本消除，(超)高壓排汽溫度基本維持在設計參數范圍內。但若機組長時間維持在較低負荷或者出現供熱蒸汽流量突變以及高、低壓加熱器系統切除等異常工況，仍會出現(超)高壓排汽溫度異常上升現象。由于在鍋爐側主保護(MFT)中設計包含鍋爐再熱器保護(見圖6)，用于防止蒸汽阻塞導致再熱器干燒。因此，若(超)高壓排汽溫度高導致汽輪機發生切缸，在各級旁路閥門關閉的情況下，將會觸發蒸汽阻塞保護信號，導致鍋爐MFT動作，機組跳閘。

某660 MW超超臨界二次再熱機組在運行過程中高壓排汽溫度維持在455 ℃左右。08:40:00時2號高壓加熱器事故檢修，將高壓加熱器隔離后，高壓排汽溫度緩慢升高。09:11:00時高壓排汽溫度升高至460 ℃，高壓排汽溫度控制器動作，中壓調節汽閥開度逐漸減小，高壓排汽的溫度和壓力升高。高壓排汽溫度升至495 ℃，觸發高壓缸切缸邏輯，汽輪機超高壓缸、高壓缸閥門關閉，且旁路閥門全關閉，導致鍋爐再熱器保護喪失，鍋爐MFT動作，汽輪機跳閘。

圖7為高壓加熱器切除后高壓排汽溫度變化趨勢圖。

作為火電發電廠重要設備之一，汽輪機系統的控制除了保證自身各設備的安全經濟運行外，也需要與鍋爐系統及其他設備保持協調控制，保證整個機組運行的安全性和穩定性。

4.1 (超)高排溫度控制器優化

西門子T-3000 DEH中，當(超)高壓排汽溫度上升到一定程度后，會激活(超)高壓排汽溫度控制器，通過一個閉環PI回路減小中壓調節汽閥開度，進而減小中壓缸蒸汽流量，增大(超)高壓缸蒸汽流量，達到降低(超)高壓排汽溫度的目的。在機組沖轉及帶初負荷階段，由汽輪機旁路控制主、再熱蒸汽壓力穩定，這種控制策略是可行的，可有效降低(超)高壓排汽溫度。但是在機組正常帶負荷運行階段，旁路閥門全關，(超)高壓排汽溫度控制器動作后，中壓調節汽閥開度減小，節流損失增大，同樣蒸汽流量下再熱器壓力升高，(超)高壓缸做功能力下降，導致蒸汽焓降減小，排汽溫度進一步升高，極易引起切缸及機組跳閘。

因此，可以針對西門子T-3000 DEH(超)高壓排汽溫度控制邏輯不合理處進行優化，負荷率大于10%后，自動退出(超)高壓排汽溫度控制器，防止溫度控制器動作引起(超)高壓排汽溫度進一步升高進而導致機組切缸。

4.2 與旁路系統協調控制

二次再熱機組旁路系統控制一般設計在單元機組分布式控制系統(DCS)側，在機組啟動過程中，旁路系統控制與汽輪機沖轉過程相互協調，以保證鍋爐和汽輪機間的能量平衡，提高機組啟動效率。由于DCS與DEH分屬兩個獨立的分散控制系統，兩者間相互傳輸信號較少，即使對于具有超壓溢流功能的100%容量旁路系統，旁路閥門全關后，當汽輪機排汽溫度高觸發切缸時，旁路閥門超壓后開啟的時間無法躲避再熱器保護觸發條件，仍然存在機組跳閘的風險。因此，為了減少并網后汽輪機切缸、機組跳閘的概率，從與旁路系統協調控制的角度考慮，汽輪機發生切缸后，可以將切缸信號從DEH傳輸到DCS旁路系統控制邏輯中，通過改變旁路系統控制模式(壓力跟隨溢流模式轉為汽輪機沖轉模式，汽輪機沖轉模式下設定旁路閥門開度下限)，快速打開旁路閥門，確保蒸汽流通。

4.3 DEH切缸邏輯優化

考慮到設備成本以及功能需求，二次再熱機組也會設計40%容量的旁路系統。對于這種啟動旁路，在機組高負荷超過一定蒸汽流量時，旁路系統不具備超壓溢流功能，這種情況下第4.2節中提出的優化策略則無法適用。由于(超)高壓排汽溫度上升主要出現在汽輪機啟動初期汽缸進汽流量較小的工況下，當機組負荷上升，蒸汽流量超過一定量時，汽輪機汽缸有足夠的進汽流量將鼓風摩擦產生的熱量帶走，因此可以考慮在保證設備安全(跳閘動作邏輯不變)的情況下，在汽輪機切缸動作觸發條件中加入“機組已并網”或者“實際功率大于30%額定功率”等信號，適當放開對(超)高壓排汽溫度的限制，屏蔽汽輪機切缸邏輯，在機組出現短暫異常工況時，防止切缸動作導致運行工況更加惡劣，維持機組安全運行。

根據DEH邏輯設計，汽輪機切缸運行后，當(超)高壓排汽溫度恢復至正常范圍后，可以通過順控邏輯自動進行并缸。結合多臺二次再熱機組調試經驗，在機組并網帶負荷階段，需要進行并缸的恢復操作復雜，同時長時間切缸運行也會導致汽輪機軸系振動加大，不利于機組的穩定運行。因此，在保證機組設備安全的前提下，對汽輪機切缸邏輯進行優化，能夠減小由于(超)高壓排汽溫度異常上升觸發汽輪機切缸的概率，避免異常情況下運行工況的惡化，降低機組跳閘的風險。

5 結語

二次再熱火電機組結構和工藝流程復雜，因此對機組的系統控制水平要求更高。受汽輪機啟動參數、方式以及機組運行工況等因素影響，二次再熱機組汽輪機易出現(超)高壓排汽溫度高的異常現象，影響機組安全運行。筆者針對二次再熱機組結構特點以及DEH原有控制策略，結合機組旁路系統容量，協調優化了汽輪機切缸邏輯，減小了由于汽輪機(超)高壓排汽溫度高導致機組跳閘的概率。該優化控制策略有利于機組安全穩定運行，也為后續同類型二次再熱機組調試運行提供設計參考。