1 000 MW超超臨界機組蒸汽旁路控制策略優化

張建江，羅志浩

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

某1 000 MW超超臨界機組配置西門子液動100%鍋爐最大出力工況（BMCR）流量的高壓蒸汽旁路（簡稱高旁）及65%BMCR流量的低壓蒸汽旁路（簡稱低旁），主蒸汽管道不設置安全門，高旁除具備調節功能外，兼具安全門功能。再熱蒸汽管道配置35%BMCR流量的氣動可調式安全門，安全門與旁路系統協調工作，從而保障機組的安全運行。

旁路系統實現全程自動控制，包括壓力控制、溫度控制、配合汽機沖轉、超壓控制、故障快開等。蒸汽旁路的配置對提高機組運行的安全性、靈活性，以及充分發揮超超臨界機組低能耗的優勢、提高經濟效益具有重要的作用。

1 高旁控制策略

1.1 高旁運行模式

高旁分別安裝在過熱器出口的4根主蒸汽管道上，蒸汽由過熱器進入高旁減溫減壓后，再進入冷再熱蒸汽管道。高旁閥兼具啟動調節閥、減溫減壓閥及安全閥的功能，該閥結構尺寸小，便于安裝及維修[1]。

高旁的控制任務為：配合鍋爐啟動并對蒸汽進行升壓控制、達到沖轉蒸汽壓力后配合汽機沖轉、并網后監視蒸汽壓力以防超壓、當汽機跳閘或甩負荷后快開泄走多余蒸汽以及控制閥后蒸汽溫度等。

在機組的整個運行過程中，高旁控制將經歷機組啟動模式（A模式）、汽機運行模式（B模式）、汽機故障或停機模式（C模式）、正常停機模式（D模式）、檢修停機模式（E模式）。

1.2 A模式

該模式分為3個階段，即A1，A2和A3。

（1）鍋爐點火即進入A1模式，在此模式下高旁處于關閉狀態，壓力控制器不起作用，蒸汽壓力自由波動。

（2）鍋爐開始起壓并達到啟動壓力后旁路進入A2模式，即預定開度模式。啟動壓力設定值為點火前蒸汽壓力值疊加相應升壓量。進入A2模式后，高旁主控制器將設定1個預定開度（5%）打開旁路閥，持續一段時間后進入A3模式，持續時間的長短取決于啟動前的主汽壓力。隨著旁路閥的逐漸打開，蒸汽流量逐漸增加，以此來減小過熱器受熱面與聯箱的溫差。在此模式下，旁路壓力控制依然不起作用，蒸汽壓力不受控制。

（3）當旁路預定開度持續時間計時結束或主汽壓力大于12 MPa，將進入A3模式。在A3模式下，蒸汽壓力由旁路控制器控制，主汽壓力逐漸提升，最終達到汽機沖轉壓力。如果主汽壓力低于2 MPa，旁路控制器輸出將被限制在50%開度以下，以提高冷態啟動的升壓速率。

確定升壓速率的依據是保留約20%BMCR流量的瞬時蒸汽來建立壓力，剩余蒸汽用來冷卻受熱面。如溫升過快，可以考慮減小升壓速率，使更多的熱量由蒸汽經旁路帶走。在啟動階段，負向速率限制為零，當鍋爐燃燒率減小或停爐時，旁路將逐漸關小，待蒸汽流量增加后，壓力設定值再隨之升高，蒸汽壓力將一直被保持直到汽機接受全部蒸汽。

1.3 B模式

當汽機接受全部蒸汽且旁路關閉后，旁路控制模式切換為B模式。此時汽機處于初壓模式，蒸汽壓力由汽機調門負責控制，高旁控制任務為限制壓力超越上限。當機組協調模式投入后，汽機處于限壓方式，蒸汽壓力由鍋爐負責調節，汽機參與輔助調節。

進入該模式后，高旁壓力設定為機組壓力設定值疊加偏差量（DP），由于故障導致壓力上升超越DP，旁路將開啟參與調節，直至壓力恢復至偏差允許范圍。本機組DP設置為1.4 MPa，該量可根據安全門定值等參數進行相應調整。

1.4 C模式

當汽機停機或跳閘時，汽機不再接收全部蒸汽，此時旁路控制系統將切換至C模式。該模式下，旁路將單獨執行蒸汽壓力的控制。C模式激活后，高旁蒸汽壓力設定值將立即降低至與當前負荷對應的機組滑壓值，此前蒸汽壓力由汽機控制器進行調節。

1.5 D模式

該模式在鍋爐熄火后激活，鍋爐再次啟動時的最高壓力上限為12 MPa。正常情況下，鍋爐熄火時的壓力要低于該值。因此鍋爐滅火后，高旁將處于關閉狀態進行保壓，設定值將高于實際壓力0.5 MPa，但不高于11 MPa，這意味著旁路在汽壓低于11 MPa時維持關閉狀態。如果由于鍋爐殘余熱量的原因造成蒸汽壓力高于11 MPa，旁路在凝汽器條件允許的情況下將開啟以限制壓力超過11 MPa。

1.6 E模式

該模式也稱為檢修停機模式，在鍋爐熄火后，由于設備故障，需要泄壓進行維修，壓力設定值將逐漸降低至約0.1 MPa，降壓速率參照鍋爐停機曲線。

2 低旁控制策略

2.1 壓力控制

凝汽器條件具備后，再熱蒸汽壓力由低旁控制。靜態模式下，低旁壓力設定為0.65 MPa，上限值不超過高壓蒸汽壓力設定的0.5倍，當高壓蒸汽壓力下降時，低壓蒸汽壓力設定值也將隨之降低。如果再熱蒸汽壓力大于汽機沖轉壓力，則在鍋爐吹掃前，再熱蒸汽壓力定值將降至汽機沖轉壓力，最大降壓速率不超過0.05 MPa/min，否則低旁將關閉以維持蒸汽壓力。

鍋爐點火后，一旦高旁開度大于3%，低旁將切至壓力控制方式，壓力設定為當前蒸汽壓力。隨著蒸發量的增加，旁路持續開大，當開度大于10%后，最小閥位限制被激活，直至汽機并網后才撤除該限制。

當達到汽機沖轉壓力，低旁已處于最大閥位限制，或連續5 min未超越沖轉壓力，低旁壓力設定將切換至實際蒸汽壓力，閥位限制被撤除。與此同時，將按照再熱蒸汽流量計算出的升壓速率，設定低旁壓力進行升壓至沖轉壓力。

再熱蒸汽升壓速率p通過式（1）計算得出：

式中：F為流經低壓旁路的再熱蒸汽流量；C為常數，0.2；K為基于再熱蒸汽壓力的系數。

當汽機沖轉且接收全部蒸汽后，低旁關閉，其設定值通過汽機負荷計算得出。負荷信號采用鍋爐蒸汽流量模型 （見圖1），負荷量由鍋爐燃燒率的二階慣性環節導出，與機前壓力取大值后再生成低旁壓力設定曲線及安全門壓力設定曲線。

2.2 噴水控制

圖1 負荷信號計算原理圖

低旁噴水控制一直是難點，由于閥后管道臨近凝汽器，且蒸汽濕度較高，該處的測溫元件無法真實反映實際溫度，因此直接用閥后蒸汽溫度作為反饋進行閉環控制顯然不可取。

該機組低旁閥后溫度控制采用純比例控制聯合噴水預估的策略，根據設備廠提供的經驗公式，以當前的蒸汽參數、閥門開度得到理論噴水閥門開度指令，結合閥后溫度的比例環節，最終將噴水調閥控制在合理開度。

3 旁路的安全門功能

機組高壓蒸汽管道未配置安全門，高旁在必要時需起到安全門的作用，避免管道超壓，造成不可控的事故。

高旁設置有快開功能，當發生超壓或汽機跳閘時，快開電磁閥動作，旁路快開，泄走多余蒸汽。超壓觸發旁路快開分2個回路，一個回路由就地壓力開關引至旁路控制模塊，當壓力開關高報警時直接動作快開電磁閥；另一個回路由旁路前壓力開關先送至DCS，經DCS邏輯判斷后并入旁路快開邏輯。當機組負荷在200 MW以上時發生汽機跳閘，也將觸發高旁快開，快開信號維持5 s，期間旁路控制指令跟蹤實際閥位，快開信號復位后，閉環控制負責對蒸汽壓力的控制，直至汽壓穩定。

在調試過程中，應注意高旁快開時，對減溫噴水閥及低旁調節的整定。事實證明，增加快開預動作及噴水量預估是必要的。

若高旁閥后溫度持續高于400℃，可能由噴水量不足或噴水管道堵塞等原因導致。過高的溫度對冷段管道及再熱汽溫都有影響，此時，再熱器安全門將調節打開，利用降低再熱器壓力的方法降低旁路出口溫度。

4 存在的問題及優化解決方案

4.1 減少再熱器安全門誤動

高旁快開時，由于噴水不及時造成閥后溫度突升，會引起再熱器安全門動作。

可增加噴水調門在高旁快開時的動態預開回路，時間間隔經實際試驗測定，預開幅度由當前蒸汽量的函數計算得出。噴水量預估采用等效焓降的方法，通過瞬時蒸汽流量及蒸汽比焓降求出需要的噴水量，再根據噴水調門的特性計算出相對應的閥門開度。

在計算噴水需求量時，由主汽壓力和主汽溫度求出主蒸汽焓hs；由冷再蒸汽壓力和預期高壓旁路后溫度求出預期旁路后蒸汽焓hr；由高旁減溫水壓力和預期高壓旁路后溫度，求出預期旁路后蒸汽焓hw。若當前主汽流量為Fls，則預期高旁噴水閥開度Cset為：

該開度計算值僅作為高旁快開時的預開值，即在發生快開瞬間通過超遲回路將噴水閥預開至合適開度，達到此開度后釋放超遲信號，由噴水閥本身的閉環調節功能負責對閥后汽溫的控制。

4.2 旁路的正確開啟

當高壓旁路由B模式切換至C模式時，正常情況下旁路在模式切換時應保持關閉的狀態。但因控制器中有防止積分飽和的選項，使得在切換至C模式時，由于設定值回路中DP的去除，控制器偏差將產生正向變化，導致比例作用溢出造成高旁在切換瞬間開啟。

在正常運行過程中旁路的開啟對機組運行是非常不利的，不但會產生很大的擾動，而且還會導致協調控制的退出，汽機控制切回初壓模式。經過反復的驗證，去除調節器中防積分飽和選項，由外加邏輯取代，可以防止發生類似事件。方法為當旁路控制器輸出大于100%后將控制偏差上限切換為0，防止旁路全開后因為正向偏差的作用造成正向積分飽和；同理當旁路控制器輸出為0%時，將控制偏差下限切換為0，以防止旁路全關后因為負向偏差的作用造成負向積分飽和。

4.3 其它問題的處理

（1）在旁路模式切換及汽機控制方式切換時需要用到旁路關閉信號，在實際過程中兩者的切換不合拍。檢查后發現所引用的旁路關閉信號不一致，有的采用模擬量信號，有的采用開關量信號。統一信號形成后，該問題解決。

（2）原設計高旁在B模式時，汽壓與設定值偏差大于+1.4 MPa時，旁路將調節開啟參與壓力控制。在實際運行過程中因為堵煤或給水等擾動有時會造成汽壓偏差大于1.4 MPa，旁路的開啟則會加劇指標參數的波動，不利于機組的控制。

將DP由1.4 MPa修改為負荷的函數，在低負荷階段放大偏差，在高負荷區域為防止超壓運行將偏差設置為1 MPa，這樣修改既有效防止了旁路的頻繁動作，又能保護機組不超壓。

5 結語

由于機組旁路控制系統采用了合理的控制策略，充分發揮了旁路的作用，機組啟停、運行時都能自動控制，且兼具安全門功能，與鍋爐、汽機配合良好，保障了機組安全、經濟運行。通過局部功能的優化，使旁路控制更可靠，更精準。

[1]李利凱，張增峰．超臨界機組旁路配置及容量選擇[J]．山西電力，2009（4）∶54-56．

[2]戎朝陽．1 000 MW機組40%容量的旁路系統特點和應用[J]．發電設備，2009（2）∶37-39．

[3]朱北恒．火電廠熱工自動化系統試驗[M]．北京：中國電力出版社，2006．