某新建火電機組低壓缸零切除控制策略分析及設計

李 展，尤 默，邢智煒，秦天牧，高明帥，張瑾哲

(華北電力科學研究院有限責任公司，北京 100045)

隨著新能源快速發展，為解決新能源消納工作，迫切需要提高火電廠的調峰調頻能力。顯然“以熱定電”的模式不能滿足現實的需要，以“低壓缸零切除”技術為主的熱電解耦方案可以很好地解決此問題。文獻[1]以200 MW機組為例，提出“低壓缸零出力”技術可使熱電比提高1.107。文獻[2]以600 MW工程改造為例，驗證了通過對汽機本體、控制策略等改造，可以使“低壓缸零切除”機組進行安全運行。文獻[3]從理論上指出低壓缸切除方案利用了冷凝損失供熱，不會增加供熱系統煤耗，相比于其他熱電解耦方案更有競爭力。由于“低壓缸零切除”是近兩年才開始運用，控制策略不完善，運行經驗不足依然會對機組的長期切缸運行帶來潛在的危險。尤其是對新建機組，各運行設備控制策略未經驗證，會顯著增加切缸運行風險[4]。本文依據某新建機組“低壓缸零切除”運行調試工作，對相關設備控制策略進行設計及優化，以期為相關人員作為參考。

1 低壓缸零切除的實現方案

某新建機組為東方汽輪機有限公司設計制造的超臨界、單軸、雙缸雙排汽、中間再熱、間接空冷抽汽凝汽式汽輪機。額定主蒸汽流量1 075.8 t/h，額定出力350 MW。為了實現熱電解耦，汽輪機在出廠之時就配套設計了低壓缸零出力相關設備，如圖1所示。

圖1 低壓缸零切除裝置示意圖

2 低壓缸蒸汽流量測量

在低壓缸切除中，為了保護低壓缸本體安全，最重要的工作就是保證低壓缸在不同工況下有對應的安全流量，因此進入低壓缸蒸汽流量的測量至關重要。目前蒸汽流量的測量主要分為直接測量法與間接測量法。所謂直接測量法，即可使用孔板流量計、噴嘴流量計、渦街流量計等裝置對蒸汽流量進行測量。節流裝置測量流量計算公式:

(1)

式中Qm——蒸汽質量流量；C——流出系數；ε——膨脹系數；β——直徑比；d——節流件的開孔直徑；ΔP——差壓；ρ——密度。

所謂間接測量法是通過調節級壓力的測量，再運用弗留格爾公式進行計算：

(2)

式中G0(G1)——設計工況(變工況)下的蒸汽流量；P0,Pz(P01，Pz1)——設計工況(變工況)下級組前后的壓力；T0(T01)——設計工況(變工況)下級組前的蒸汽溫度。

考慮到中低壓缸之間的蒸汽壓力較小，且旁路管道較細，控制邏輯中使用的蒸汽流量是采用節流裝置進行測量的。

3 低壓缸零切除控制策略

3.1 中低壓缸聯通管碟閥控制策略

中低壓缸聯通管碟閥簡稱BV閥，在機組未進行抽氣供熱運行時，BV閥保持全開。當需要供熱時，為保證抽汽壓力與流量，BV閥將對閥前蒸汽壓力進行連續調節。當抽汽量逐漸增大，BV閥的開度逐漸減小，在達到最小安全流量時，即可認為此時的供熱量需求較大，需要切除低壓缸進汽。BV閥控制策略圖如圖2所示。

圖2 BV閥控制策略圖

根據本機組汽輪機的設計，當低壓缸投入運行的情況下，為避開葉片的顫振區，并帶走葉片的鼓風損失熱量，保證汽輪機的本體安全，當低壓缸投入運行時，低壓缸最小安全流量為120 t/h，當低壓缸切除后，最小安全流量為30 t/h，不同情況下的最小流量對應的BV閥的開度，稱為BV閥的臨界開度。

BV閥門的開啟、關閉速率在不同情況下有所不同，當機組在掛閘或者從臨界開度值到100%之間動作時，BV閥按照每秒5%的速率動作。當BV閥臨界開度值到全關之間，為防止熱網加熱器的疏水水位突升，在低壓缸零切除的過程中，將BV的關閉速率降低至每秒1%。當低壓缸從切除到投運的過程中，為防止熱網加熱器的壓力突降造成的疏水氣化，BV閥從0%到臨界開度時，開啟速率也為每秒1%。當汽機遮斷，OPC動作時，甩熱負荷時，BV閥將不再設置關閉速率。除此之外，在調試中發現BV閥動作的遲緩率較大(見圖3)，最大達到4 s。為了保證機組運行的安全性，需要不僅需要對硬件設備進行優化，也要從控制策略的調節參數方面進行優化，達到削弱BV閥遲緩率的目的。

圖3 BV閥遲緩率

在低壓缸投入運行的情況下，當蝶閥后壓力低報警；五段供熱抽汽壓力高報警；中排溫度高報警將閉鎖減BV閥開度。但同時在低壓缸切缸時，蝶閥后壓力低閉鎖減BV閥將失效。

為了最大限度保證機組的安全運行，當供熱為投入；BV閥前壓力信號壞點；閉鎖減信號發生；低壓缸切除后等自動將BV閥切至手動狀態。BV閥調節曲線圖如圖4所示。

圖4 BV閥調節曲線圖

3.2 中低壓缸旁路調閥控制策略

隨著供熱量的增大，當中低壓缸連通管蝶閥完全關閉后，進入低壓缸的蒸汽流量將由旁路調閥控制。進入低壓缸的蒸汽流量將由上面的儀器直接測量得到。

由于在低壓缸零切除后，旁路調節閥是蒸汽進入低壓缸的唯一通道，為了確保低壓缸的安全，旁路調節閥一定有個最小開度，簡稱旁路調閥的臨界開度。由于不同負荷下，臨界開度值不同，則臨界開度是負荷的單值函數。同時旁路調閥閥門的開啟、關閉速率像BV閥一樣，在不同情況下是不同的。當機組非低壓缸零切除運行、汽機遮斷、OPC動作、甩熱負荷時，旁路調閥的開啟速率不做限制。當汽機處于低壓缸零切除的情況下，調閥的開啟及關閉速率為每秒1%。

為了確保低壓缸最后一道保護有效，當旁路蒸汽流量信號變壞、設定值與測量偏差信號大、調閥開度與反饋偏差大都會導致調閥切為手動。如在低壓缸零切除運行的情況下，當流量小于30 t/h時，旁路調節閥閉鎖減信號觸發，同時發出報警，提醒運行人員。控制策略如圖5所示。旁路閥調節曲線圖如圖6所示。

圖5 旁路閥控制策略

圖6 旁路閥調節曲線圖

3.3 抽汽調門控制策略

為了保證低壓缸切除后，中壓缸排汽壓力保持穩定，不觸發跳機。當低壓缸切除信號觸發后，可以把BV閥的開度作為抽汽調節閥的前饋，前饋系數根據抽汽調門投入自動的個數，在調試時進行實際整定。在低壓缸從投入到退出的過程中，為了防止加熱器的壓力突升，當任一加熱器出現壓力或者疏水水位突降時，抽汽調門的開度將閉鎖抽汽調門增。當低壓缸從切除到投入的過程中，為了防止加熱器的壓力突降而導致疏水水位突升，當任一加熱器出現壓力突降而導致疏水水位突升時將閉鎖抽汽調門減。控制策略如圖7所示。抽汽調門調節曲線圖如圖8所示。

圖7 抽汽調門控制策略

圖8 抽汽調門調節曲線圖

4 結語

依據某新建350 MW機組低壓缸零切除試驗調試工作，對中低壓缸聯通管蝶閥、旁路閥、抽汽調閥控制策略進行設計、優化及整定，得出如下幾個結論。

(1)投入中低壓缸聯通管蝶閥、中低壓缸旁路閥、抽汽供熱調閥自動后，機組可以實現穩定的供熱，汽機各軸承振動、軸向位移、低壓缸末級葉片溫度，加熱器疏水水位都保持在正常范圍內。

(2)由于抽汽供熱的被調量安全裕度較大，可以適當放大蝶閥及抽汽調閥的調節死區及正常供熱工況下的閥門調節速率，同時對旁路閥設置臨界開度，防止造成設備的損壞。

(3)由于低壓缸零出力是近年才進行實際運用，需要安排專門的人負責重要參數的監視，尤其對新建機組的首次試驗，最大限度地保證設備的安全及電網的穩定。