改進型1 030 MW超臨界機組高加撤出的保護探討及優化

何偉校，陳 波，羅志浩，張永軍

（1.杭州鍋爐集團股份有限公司，杭州 310021；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

改進型1 030 MW超臨界機組高加撤出的保護探討及優化

何偉校1，陳 波2，羅志浩2，張永軍2

（1.杭州鍋爐集團股份有限公司，杭州 310021；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

某改進型1 030 MW機組在國內屬首次創新應用，制造廠家認為當高加系統撤出后，由于通流的增加可能導致過負荷從而影響機組安全運行，原機組保護邏輯中規定了當高加撤出后若機組負荷大于1 030MW延時1 min，或大于1106 MW延時10 s后觸發機組主保護。上述定值并未經過實際工程考驗，為了提高機組運行的可靠性和安全性，在對保護邏輯進行確認和優化的基礎上，安排了800MW工況下的高加跳閘試驗。試驗后對相關數據進行了分析核算，進一步完善了相關控制邏輯和定值，確定了該機組高加撤出保護的實施方案。同時也對各型機組在高加跳閘工況下的危險點進行了分析總結。

超臨界；1030MW；高加；邏輯優化

0 引言

對于超臨界機組而言，高壓加熱器（簡稱高加）撤出后由于汽輪機高加各級抽汽被排擠，使得進汽量增大和抽汽量減小，從而導致抽汽口后的各級葉片的實際蒸汽流量增大，使葉片（特別是末級葉片）的工作應力增大。同時蒸汽流量增大使得各級的焓降也增加，從而使其工作應力增加。動態工況下可能超過末級葉片材料的許用應力，發生葉片扭曲變形和斷裂的嚴重安全事故。

某改進型1 030 MW機組在國內屬首次創新應用，該機組通過各種手段以提高機組運行的經濟性，機組整體的安全裕量經過了優化和嚴格控制。因此制造廠家提出當高加撤出后，汽輪機超出額定出力后的工況為存在危險的工況，并給出了加熱器快卸保護的邏輯定義：當高加撤出后若機組負荷大于1 030 MW延時1 min，或大于1 106 MW延時10 s后觸發機組主保護。

然而在實際生產過程中，若發生高加系統的跳閘，高加的各級抽汽將使得機組負荷快速增加，同時鍋爐側的控制也需要面對給水溫度快速下降的問題。因此需要進行一次實際、安全可控的高加跳閘過程試驗，獲取相關數據以指導控制邏輯的優化和保護邏輯的實現。

1 工況風險點分析及邏輯優化

表1 汽輪機熱平衡計算

圖1 THA工況下機組的熱平衡系統

1.1 汽輪機負荷的快速增加

各級抽汽量從加熱給水被排擠到汽輪機末級做功的增加量，可以認為是高加跳閘過程中汽輪機負荷快速增加的原因。機組的熱平衡計算原理如圖1所示，從圖中可以看出各級抽汽被排擠后的做功增加路徑。

假設各級高加抽汽瞬間被排擠，同時被排擠的蒸汽均直接做功至汽輪機末級，且鍋爐的蓄熱足以支持再熱器冷端（簡稱冷再）蒸汽量增加后對再熱蒸汽的加熱要求，根據表1中所示的機組熱平衡計算圖數據可做出如下計算推論：

（1）在80%THA（熱耗率驗收工況）下，1—3號抽汽做功總增加量為572 288 409 kJ/h，即約159 MW。

（2）在THA工況下，1—3號抽汽做功總增加量為813 632 492 kJ/h，即約226 MW。

因此如果不采取任何措施，當機組在1 030 MW負荷運行時發生高加跳閘工況，機組負荷可能會超出廠家給出的1 106 MW高限定值。需要注意的是，上述計算結果僅僅表明了在理想工況下可能出現瞬態極大值，若考慮到高加撤出的整個過程并不是瞬間完成的，那么動態過程中高加撤出所帶來的負荷增加的幅值將小于上述推論值。同時，負荷增加的持續時間則需要結合試驗結果分析。

1.2 給水溫度的快速下降

根據圖1，1 000 MW工況下由于高加的投撤，給水溫度相差100℃。因此高加撤出后給水溫度的大幅快速下降將對機組鍋爐側控制帶來直接影響，主要體現在給水控制上。表2中所示為高加投入（THA）和撤出（THO）工況下鍋爐滿負荷運行時吸熱量的對比數據，并計算出在高加投撤的2種工況下的鍋爐參數及吸熱變化情況，高加撤出后比投入時水冷壁吸熱量降低了約1.95%，鍋爐總吸熱量提高了約3.65%，鍋爐總給水量降低了約14.1%。

因此對于采用煤水比控制策略的機組需要按照給水溫度下降的速率來切換給水流量指令線，并增加爐側的風量、煤量以滿足對流吸熱的要求。對于采用焓值控制策略的機組，一方面需按照給水溫度下降的速率來切換給水流量指令線，并增加爐側的風量、煤量以滿足對流吸熱的要求，同時應根據實際速率來切換水冷壁吸熱的目標焓值，防止過程中給水下降過快或過慢。

另從表2中可以看出：高加撤出后汽輪機末級通流量增加了約10%。因此試驗過程中應關注機組軸向位移等涉及到通流量增加后受影響的重要參數。

表2 THA和THO工況對比數據匯總及計算

圖2 試驗過程中重要參數曲線

圖3 試驗過程中給水控制參數曲線

2 試驗過程及數據分析

根據上述分析，在試驗前對控制邏輯進行了優化，并選擇了800 MW負荷作為試驗工況。邏輯中的改動包括：

（1）高加撤出后汽輪機主控快關調門3.5%，同時鍋爐主控按照比例減少40 MW的出力，10 min后將這兩部分前饋以一定速率收回。

（2）給水焓值控制的計算中，省煤器出口的目標焓值1 min后以一定速率切換至高加撤出后的參數。

（3）鍋爐指令對應的煤水線1 min后以一定速率切換至高加撤出后的參數。

試驗中的過程曲線如圖2—3中所示，反映了如下問題：

（1）在高加跳閘信號觸發的瞬間，汽輪機調門關小3.5%，給水流量下降了293 t/h，煤量下降了18 t/h，機組負荷下降了10 MW，其中由于給水指令下降的流量約為50 t/h。從高加跳閘信號觸發開始，經過21 s后機組負荷才開始增加，給水流量才開始回升。這表明該系統高加聯程閥切換至旁路需要20 s左右，因此汽輪機調門無需在高加跳閘信號觸發后立即動作，以防止高加撤出初期由于負荷下降，CCS（協調控制系統）回路調節調門開大。

（2）機組負荷在高加撤出后15 s左右到達低點，下降約15 MW，在出系后60 s左右負荷快速上升結束，接近到達高點，上升約35 MW。而全過程中主蒸汽壓力最終上升約1.5 MPa，均在可控范圍內。

（3）給水系統切至水路后，省煤器入口水溫開始下降，經過170 s后省煤器出口溫度開始下降，再經過330 s左右省煤器出口溫度下降至穩定位置。這表明機組省煤器熱容較大，因此給水焓控目標值應從高加撤出后3 min開始切換，并按照一定速率5 min左右切換完成，同時可用省煤器入口水溫信號來表征高加撤出。

（4）由于排擠抽汽增加的機組負荷最終約為40 MW左右，持續200 s時間。這表明在滿負荷時若發生高加跳閘所可能帶來的機組負荷增加量應為60 MW左右，此時可采用降低目標負荷的方法防止負荷的超調。

3 邏輯優化

結合試驗和上述數據分析結果，最終對機組進行了如下控制優化：

（1）將原邏輯“高加撤出60 s后機組負荷仍大于1 030 MW或高加撤出10 s后機組負荷大于1 106 MW，ETS（危急遮斷保護系統）汽輪機保護動作”修改為“高加撤出360 s后機組負荷仍大于1 030 MW或高加撤出60 s后機組負荷大于1 106 MW，ETS保護動作”。

（2）高加跳閘后汽機主控的前饋減少5%～10%，對應鍋爐主控指令減少60～100 MW。汽輪機主控快減回路前饋的作用時間可設置為高加跳閘信號觸發后3～5 s。

（3）采用“省煤器入口給水溫度＜220℃且省煤器入口給水溫度品質不壞”作為高加撤出后觸發機組實際煤水控制線的修正和焓控調整的信號。

（4）增加負荷目標限制邏輯：機組負荷大于950 MW時發生高加跳閘時，將負荷目標設置為950 MW，一段時間后運行人員可根據需要進行負荷目標調整。

4 其他保護的相應調整

就汽輪機本體而言，廠家一般都保證了高加撤出后機組的滿負荷出力工況，即THO工況。因此高加撤出后危及機組安全運行的工況主要是指高加跳閘后的切換工況。

針對不同類型機組的高加跳閘工況，其危險點和預控方向是有所區別的，所涉及到的主保護可以歸納為：汽輪機過負荷保護，中間點溫度保護，主機低汽溫保護和汽包水位保護。本文前面所述的邏輯優化主要是針對汽輪機過負荷保護，高加跳閘所涉及的其他保護也應進行相應調整。

4.1 中間點溫度保護

針對有中間點溫度保護的超臨界機組，對于采用焓控的該類機組，如果未能及時切換省煤器出口目標焓值，將導致給水進一步降低，從而使得中間點溫度高。對于采用煤水比控制的機組，應及時調整動態工況下的過熱度設定值，如仍然維持在高位，則同樣可能引發給水減少過調，從而觸發中間點溫度高保護。相比較而言，由于焓控機組直接采用了目標焓升和實際焓升的比例修正，因此過調幅度更大，工況更危險。

4.2 主機低汽溫保護

由于高加撤出后給水溫度的大幅快速降低，主汽溫度也會呈現降低趨勢，此時應及時調整煤水控制線，以適應新的燃燒工況。對于采用焓控的超臨界機組而言，若省煤器出口目標焓值切換過快，將會導致給水反向調節，使得主汽溫度進一步惡化。

4.3 汽包水位保護

針對亞臨界汽包爐，由于給水溫度的快速下降，汽包進入大量冷水。同時為了防止汽輪機過負荷快速關閉調門，使得汽壓上升。兩者都會產生負向的虛假水位。克服此波虛假水位是保證高加跳閘工況下汽包爐安全運行的關鍵。

[1]蘇燁，羅志浩，張鵬，等.超臨界機組高加出系工況控制策略的完善及調整[J].浙江電力，2009，28（4）∶31-34.

[2]鄭體寬.熱力發電廠[M].北京：中國電力出版社，1995.

[3]耿曉波，俞輝.淺析高加解列中的若干問題[J].汽輪機技術，2004，40（5）∶395-396.

收稿日期：何偉校（1969），男，工程師，主要從事電站鍋爐及其輔助系統設計方面的工作。

（本文編輯：陸 瑩）

Discussion and Optimization of Protection Logic of High Pressure Heater Withdrawal of Improved 1 030 MW Supercritical Units

HE Weixiao1，CHEN Bo2，LUO Zhihao2，ZHANG Yongjun2
（1.Hangzhou Boiler Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310021，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

The improved 1 030 MW units are innovatively put into operation for the first time in China.The manufacturer believes that with the withdrawal of high pressure heater system the increased flow may lead to excessive load which affects the operation safety of the units.The original units protection logic makes the following provisions∶when the high pressure heater is withdrawn，if the units load is greater than 1 030 MW and lasts 1 minute or more than 1 106 MW and lasts 10 seconds，main protection of the units is triggered.The protection setting value above has not been tested by practical engineering.In order to improve the reliability and safety of units operation，tripping test of high pressure heater in 800 MW operating condition is arranged on the basis of the confirmed and optimized protection logic.After the test the relevant data are analyzed and calculated to further improve control logic and setting value and determines the implementation scheme for high pressure heater protection withdrawal.In the meantime，the paper analyzes and summarizes hazardous points in high pressure heater tripping of all types of units.

supercritical；1 030 MW；high pressure heater；logic optimization

TM866

B

1007-1881（2015）07-0037-04

2014-12-22