350 MW超臨界機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)過程分析

安 欣，李續(xù)軍，張亞夫，劉國弼

（西安熱工研究院有限公司， 西安 710032）

國內(nèi)現(xiàn)階段投入商業(yè)運(yùn)行的國產(chǎn)化300 MW級(jí)火電機(jī)組絕大部分為亞臨界參數(shù)機(jī)組，哈爾濱汽輪機(jī)廠（哈汽廠）生產(chǎn)的首臺(tái)350 MW超臨界機(jī)組已在華能東方電廠和江西瑞金電廠順利投產(chǎn)。由于該機(jī)型為哈汽廠自主設(shè)計(jì)制造，所以機(jī)組的運(yùn)行特性還有待實(shí)際檢驗(yàn)。

本文對華能東方電廠350 MW超臨界機(jī)組50%及100%額定負(fù)荷下的甩負(fù)荷試驗(yàn)過程進(jìn)行分析計(jì)算，并就機(jī)組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行提出建議。

1 國產(chǎn)超臨界350 MW汽輪發(fā)電機(jī)組簡介

華能東方電廠1、2號(hào)汽輪機(jī)組型號(hào)為CLN 350-24.2/566/566，為一次中間再熱﹑單軸﹑兩缸兩排汽的汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁機(jī)采用無刷勵(lì)磁，冷卻方式為水-氫-氫。鍋爐采用哈爾濱鍋爐有限公司制造的超臨界壓力、變壓運(yùn)行燃煤直流爐，鍋爐最大連續(xù)出力（BMCR）1 100 t/h，鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷（不投油）35%BMCR。

機(jī)組設(shè)計(jì)8級(jí)不調(diào)整回?zé)岢槠瑸槌Ｒ?guī)的3高4低1除氧器布置方式，分散控制系統(tǒng)DCS選用新華控制工程公司XDPS-400E控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用哈爾濱汽輪機(jī)廠自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)的數(shù)字電液式控制系統(tǒng)，具備103%和110%電超速保護(hù)功能。旁路系統(tǒng)采用上海威域達(dá)公司制造的35%BMCR容量的高、低壓二級(jí)串聯(lián)電動(dòng)旁路，高低旁路快開﹑快關(guān)時(shí)間均為5 s，正常開關(guān)時(shí)間為10～15 s。爐側(cè)過熱器出口設(shè)計(jì)4個(gè)容量為20%BMCR的安全閥以及2個(gè)容量為10%BMCR的壓力控制（PCV）閥，再熱器出口設(shè)計(jì)5個(gè)容量為20%BMCR的安全閥。

甩負(fù)荷試驗(yàn)是考核汽輪機(jī)運(yùn)行特性尤其是調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性最直接的方法。甩負(fù)荷試驗(yàn)為機(jī)組帶一定的負(fù)荷（通常為50%或100%），甩去機(jī)組負(fù)荷后測取轉(zhuǎn)速變化和振蕩過程，計(jì)算相關(guān)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。甩負(fù)荷試驗(yàn)要求機(jī)組在轉(zhuǎn)速波動(dòng)過程中，汽機(jī)超速保護(hù)不動(dòng)作，同時(shí)甩50%額定負(fù)荷過程中轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)超調(diào)量不超過5%額定轉(zhuǎn)速。按照火電機(jī)組啟動(dòng)驗(yàn)收規(guī)程要求，在新機(jī)組整套啟動(dòng)帶負(fù)荷調(diào)試階段應(yīng)完成汽輪機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

2.1 甩負(fù)荷預(yù)測器及復(fù)位轉(zhuǎn)速的設(shè)定

甩負(fù)荷預(yù)測器（LDA）的功能為發(fā)電機(jī)實(shí)發(fā)功率大于30%額定負(fù)荷時(shí)，一旦接到發(fā)電機(jī)解列信號(hào)，不等轉(zhuǎn)速升至超速保護(hù)（OPC）動(dòng)作值即迅速全關(guān)調(diào)門，從而抑制最高飛升轉(zhuǎn)速。復(fù)位轉(zhuǎn)速為超速過程中轉(zhuǎn)速降至設(shè)定值時(shí)OPC電磁閥恢復(fù)動(dòng)作前狀態(tài)所對應(yīng)的設(shè)定值。

機(jī)組采用的兩級(jí)旁路，在OPC動(dòng)作時(shí)再熱器可以通過低旁泄壓，盡量延長低旁的開啟時(shí)間，將OPC復(fù)位轉(zhuǎn)速設(shè)為3 000 r/min。在LDA保持時(shí)間設(shè)置上，參考哈汽引進(jìn)型亞臨界300 MW機(jī)組的甩負(fù)荷經(jīng)驗(yàn)，2臺(tái)機(jī)組在甩50%負(fù)荷時(shí)預(yù)設(shè)為2 s。

2.2 主汽門與調(diào)門關(guān)閉時(shí)間

靜態(tài)情況下，對1號(hào)機(jī)組汽門關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行測量，見表1。

表1 1號(hào)機(jī)組自動(dòng)主汽門及調(diào)門的關(guān)閉時(shí)間

2.3 汽門嚴(yán)密性和超速試驗(yàn)

調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)仿真試驗(yàn)，靜態(tài)試驗(yàn)、仿真試驗(yàn)以及轉(zhuǎn)速不等率設(shè)定為4.5%均符合設(shè)計(jì)要求。還進(jìn)行了主汽門、調(diào)門嚴(yán)密性試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

1號(hào)機(jī)超速試驗(yàn)動(dòng)作值見表3。2臺(tái)機(jī)組的機(jī)械超速動(dòng)作值均偏低且低于電超速動(dòng)作值，在征求哈汽廠家意見后，認(rèn)為機(jī)械超速動(dòng)作值可以滿足運(yùn)行要求且暫不調(diào)整。

2.4 熱工保護(hù)

表2 嚴(yán)密性試驗(yàn)表

表3 1號(hào)機(jī)組超速試驗(yàn)動(dòng)作轉(zhuǎn)速 r/min

甩負(fù)荷前進(jìn)行了高低加保護(hù)、ETS通道、鍋爐PCV閥、熱工以及電氣保護(hù)試驗(yàn)，對鍋爐過熱安全門及再熱安全門分別進(jìn)行了校驗(yàn)，確認(rèn)符合甩負(fù)荷的條件。

3 50%甩負(fù)荷試驗(yàn)

3.1 甩負(fù)荷前后的運(yùn)行方式

甩負(fù)荷前，軸封、除氧器切至輔汽，啟動(dòng)電動(dòng)給水泵，電泵帶負(fù)荷，負(fù)荷175 MW，甩負(fù)荷前爐側(cè)運(yùn)行3臺(tái)磨并提前投入油槍和等離子點(diǎn)火裝置，檢查閉鎖低旁的凝汽器真空，排汽溫度以及減溫水壓力、溫度正常。甩負(fù)荷后通風(fēng)（VV）閥聯(lián)開，迅速減給水至爐側(cè)最小上水量，鍋爐燃燒穩(wěn)定，保證汽機(jī)維持 3 000 r/min，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況決定停機(jī)或并網(wǎng)加負(fù)荷。汽機(jī)側(cè)電動(dòng)給水泵MFT跳泵保護(hù)切除，機(jī)爐電大聯(lián)鎖中鍋爐MFT聯(lián)跳汽機(jī)保護(hù)切除。

3.2 甩負(fù)荷后OPC動(dòng)作過程

甩負(fù)荷試驗(yàn)過程中，OPC動(dòng)作3次，動(dòng)作后轉(zhuǎn)速峰值見表4。

表4 OPC動(dòng)作轉(zhuǎn)速 r/min

3.3 試驗(yàn)過程

1號(hào)機(jī)組甩負(fù)荷前功率為174.80 MW，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，發(fā)電機(jī)開關(guān)斷開0.03 s后LDA動(dòng)作，2 s后，轉(zhuǎn)速飛升至第一飛升轉(zhuǎn)速3 056 r/min，升速率為每分鐘28 r/min，然后開始下降，轉(zhuǎn)速升至第一峰值后經(jīng)16 s降至3 000 r/min，速度變化率為每分鐘3.5 r/min。OPC指令復(fù)位，在中調(diào)門開啟中，經(jīng)過1 s轉(zhuǎn)速最低降至第一最低轉(zhuǎn)速2 992 r/min，調(diào)門開啟3 s后轉(zhuǎn)速飛升至3 090 r/min，轉(zhuǎn)速變化率為每分鐘32 r/min，調(diào)門全關(guān)前中調(diào)門開至40%，全關(guān)1 s后轉(zhuǎn)速升至第二飛升轉(zhuǎn)速3 123 r/min，升至第二飛升轉(zhuǎn)速15 s后，手動(dòng)開低旁，7 s后轉(zhuǎn)速降至3 000 r/min，OPC復(fù)位，速度變化率為每分鐘5.6 r/min，調(diào)門打開，復(fù)位后2 s，轉(zhuǎn)速最低降至第二最低轉(zhuǎn)速2 991 r/min，經(jīng)過5 s后轉(zhuǎn)速升至3 090 r/min，速度變化率為每分鐘19.8 r/min，此時(shí)低旁全開，調(diào)門全關(guān)1 s后轉(zhuǎn)速升至第三飛升轉(zhuǎn)速3 108 r/min，經(jīng)過18 s，轉(zhuǎn)速降至3 000 r/min，速度變化率為每分鐘6 r/min，此時(shí)再熱壓力低至0.4 MPa，調(diào)節(jié)系統(tǒng)已經(jīng)可以控穩(wěn)轉(zhuǎn)速，OPC不再動(dòng)作。試驗(yàn)過程中轉(zhuǎn)速、壓力及調(diào)門開度的變化趨勢見圖1。

圖1 1號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)速、壓力及調(diào)門開度變化曲線

4 100%甩負(fù)荷試驗(yàn)

由于電網(wǎng)以及數(shù)據(jù)采集原因，僅對2號(hào)機(jī)組100%甩負(fù)荷試驗(yàn)情況進(jìn)行分析。

4.1 甩負(fù)荷前后的運(yùn)行方式

甩負(fù)荷前，軸封、除氧器切至輔汽，電動(dòng)給水泵熱備用，汽動(dòng)給水泵帶負(fù)荷，負(fù)荷349 MW，甩負(fù)荷前爐側(cè)運(yùn)行5臺(tái)磨并且提前投入油槍和等離子點(diǎn)火裝置，檢查閉鎖低旁的凝汽器真空，排汽溫度以及減溫水壓力溫度正常。甩負(fù)荷后VV閥聯(lián)開，迅速減給水至爐側(cè)最小上水量，保證汽機(jī)維持3 000 r/min。汽機(jī)側(cè)電動(dòng)給水泵MFT跳泵保護(hù)切除，機(jī)爐電大聯(lián)鎖中鍋爐MFT聯(lián)跳、汽機(jī)保護(hù)切除。

4.2 試驗(yàn)過程

2號(hào)機(jī)組甩負(fù)荷前機(jī)組功率349.24 MW，轉(zhuǎn)速3 001 r/min，發(fā)電機(jī)開關(guān)斷開瞬間LDA動(dòng)作，2.7 s后，轉(zhuǎn)速飛升至第一飛升轉(zhuǎn)速3 148 r/min，升速率為每分鐘54 r/min，然后開始下降，轉(zhuǎn)速升至第一峰值后經(jīng)41 s降至3 000 r/min，速度變化率為每分鐘3.6 r/min。轉(zhuǎn)速降至3 000 r/min時(shí)OPC指令復(fù)位，在中調(diào)門開啟中，經(jīng)過1.3 s轉(zhuǎn)速最低降至第一最低轉(zhuǎn)速2 995 r/min，0.9 s后調(diào)門開啟，經(jīng)4 s后轉(zhuǎn)速飛升至第二飛升轉(zhuǎn)速3 105 r/min，轉(zhuǎn)速變化率為每分鐘22.4 r/min，升至第二飛升轉(zhuǎn)速5 s后，手動(dòng)開低旁，20 s后轉(zhuǎn)速降至3 000 r/min，OPC復(fù)位，速度變化率為每分鐘4.2 r/min，復(fù)位后2.6 s，轉(zhuǎn)速最低降至第二最低轉(zhuǎn)速2 992 r/min，此時(shí)再熱壓力低至0 MPa，經(jīng)過8 s后轉(zhuǎn)速升至3 019 r/min，速度變化率為每分鐘3.3 r/min，調(diào)節(jié)系統(tǒng)已經(jīng)可以控穩(wěn)轉(zhuǎn)速，OPC不再動(dòng)作，經(jīng)過13.3 s轉(zhuǎn)速降至3 000 r/min，速度變化率為每分鐘1.4 r/min。

根據(jù)機(jī)組試驗(yàn)記錄對各項(xiàng)甩負(fù)荷參數(shù)給出計(jì)算結(jié)果，見表5。

表5 甩負(fù)荷參數(shù)計(jì)算結(jié)果

5 甩負(fù)荷試驗(yàn)過程分析

5.1 旁路系統(tǒng)對甩負(fù)荷的影響

國產(chǎn)化超臨界350 MW機(jī)組在旁路系統(tǒng)均未設(shè)計(jì)旁路熱備用管，在甩負(fù)荷前通過手動(dòng)方式提前暖管，甩負(fù)荷后低旁應(yīng)迅速聯(lián)開。在甩負(fù)荷試驗(yàn)過程中，低旁沒有第一時(shí)間開啟，在OPC動(dòng)作2次之后，手動(dòng)開啟旁路，由于旁路不具備快開功能而開啟過慢，影響再熱器泄壓，導(dǎo)致OPC動(dòng)作3次。從甩負(fù)荷過程中再熱壓力、轉(zhuǎn)速及中調(diào)門開度變化曲線也可以看出，中調(diào)門不能控制轉(zhuǎn)速且低旁沒有第一時(shí)間開啟，是OPC動(dòng)作3次的直接原因。

甩負(fù)荷試驗(yàn)是考核機(jī)組在事故突發(fā)情況下調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性能否保證機(jī)組的安全性，而實(shí)際試驗(yàn)中機(jī)組旁路系統(tǒng)不能熱備用，這就增大了實(shí)際工況下突然甩負(fù)荷時(shí)機(jī)組的危險(xiǎn)性。曾經(jīng)有機(jī)組因?yàn)榕月废到y(tǒng)沒有熱備用管道，在事故狀態(tài)下聯(lián)鎖快開導(dǎo)致旁路管道振裂。為了能夠真實(shí)考核機(jī)組在事故狀態(tài)下的安全可靠性，同類型的機(jī)組在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮旁路系統(tǒng)增加熱備用管道。

5.2 啟動(dòng)方式的選擇及對甩負(fù)荷的影響

DEH啟動(dòng)方式中既有高壓缸啟動(dòng)方式，又有高中壓缸啟動(dòng)方式，配置兩級(jí)旁路的東方電廠機(jī)組雖然采用了不帶旁路而僅在爐側(cè)設(shè)計(jì)5%BMCR啟動(dòng)疏水旁路的高壓缸啟動(dòng)方式，但其并不適合該方式。首先，從經(jīng)濟(jì)性上考慮，高壓缸啟動(dòng)方式在沖轉(zhuǎn)過程所需的時(shí)間比高中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)的時(shí)間長。其次，采用高壓缸啟動(dòng)方式，在汽機(jī)掛閘狀態(tài)下，旁路一直處于切除狀態(tài)，因此旁路不能與高中壓缸并聯(lián)運(yùn)行，其超壓溢流功能得不到充分發(fā)揮。最后，由于在汽機(jī)掛閘狀態(tài)低旁無法投入自動(dòng)且無法使用，因此在事故工況下（甩負(fù)荷）或者沖轉(zhuǎn)前再熱器會(huì)保持干燒，影響再熱器的壽命。正是基于以上各點(diǎn)，建議后續(xù)投產(chǎn)的超臨界350 MW機(jī)組，如果設(shè)計(jì)有兩級(jí)旁路，應(yīng)采用高中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)方式。

機(jī)組雖然設(shè)計(jì)了兩級(jí)旁路，但是仍采用高壓缸啟動(dòng)方式，中調(diào)門不參與轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，在甩負(fù)荷過程中再熱器泄壓過慢是造成轉(zhuǎn)速二次飛升即最大飛升轉(zhuǎn)速的直接原因。考慮到高壓缸啟動(dòng)方式下再熱壓力與轉(zhuǎn)速二次飛升的關(guān)系，復(fù)位轉(zhuǎn)速還可以在保證低壓保安油壓的前提下適當(dāng)下放，延長再熱器泄壓時(shí)間。此外由于系統(tǒng)配置了兩級(jí)旁路，因此可以考慮在今后的啟動(dòng)過程中采用高中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)方式，這樣不但保證旁路投入自動(dòng)在第一時(shí)間聯(lián)開，而且能夠在掛閘狀態(tài)下充分發(fā)揮兩級(jí)旁路的功能。

5.3 甩負(fù)荷試驗(yàn)方法的選擇

測功法作為一種新的甩負(fù)荷試驗(yàn)方法，雖然上世紀(jì)90年代末才被引入我國，但是由于其安全簡捷，已經(jīng)在國內(nèi)一些機(jī)組上得到應(yīng)用。測功法在最高飛升轉(zhuǎn)速的計(jì)算過程中，需要用到轉(zhuǎn)子的真實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，而常規(guī)法能夠考核整個(gè)甩負(fù)荷過程的動(dòng)態(tài)特性，并對轉(zhuǎn)動(dòng)慣量給出真實(shí)的計(jì)算值。東方電廠機(jī)組由于是該類型首批機(jī)組，無論從獲得轉(zhuǎn)子真實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量角度或者從考核機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性方面，均要求采用常規(guī)法進(jìn)行試驗(yàn)。

今后投產(chǎn)的同類型機(jī)組進(jìn)行甩50%負(fù)荷試驗(yàn)，可采用常規(guī)法檢驗(yàn)機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，對于甩100%負(fù)荷試驗(yàn)，則可采用常規(guī)法所計(jì)算得到的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或者本文所計(jì)算的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選擇測功法進(jìn)行。

6 結(jié)論

通過機(jī)組50%及100%甩負(fù)荷試驗(yàn)和對甩負(fù)荷試驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算，初步掌握了350 MW超臨界機(jī)組甩負(fù)荷工況下的運(yùn)行特性和DEH控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性。試驗(yàn)結(jié)果證明，汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠很好地控制機(jī)組轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)品質(zhì)良好；LDA延時(shí)設(shè)置為2 s，復(fù)位轉(zhuǎn)速設(shè)定為3 000 r/min，經(jīng)過甩負(fù)荷試驗(yàn)證明上述參數(shù)均可以完成甩負(fù)荷試驗(yàn)的要求，而且有效抑制了一次轉(zhuǎn)速飛升的峰值。不足之處是在高壓缸啟動(dòng)方式下，中調(diào)門無法參與控制轉(zhuǎn)速且旁路無法投自動(dòng)，手動(dòng)開啟低旁時(shí)間過慢導(dǎo)致OPC動(dòng)作3次。

建議在今后技改項(xiàng)目中增加旁路熱備用管道，以保障機(jī)組運(yùn)行的安全性。

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