抽汽背壓式給水泵汽輪機系統電功率超限原因分析與對策

王 林，楊 博，高景輝，付志龍，單 威，王包昊，牛 佩，劉 輝，普建國，王紅雨，何 勝

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054 2.華能秦煤瑞金發電有限責任公司，江西 贛州 341108）

為提高朗肯循環的熱效率，現代火電機組汽輪機設計了復雜的抽汽回熱系統[1-5]。從汽缸中抽取部分做過功的蒸汽，送入給水加熱器中，用來提高鍋爐給水溫度，降低受熱面的傳熱溫差，從而減少給水加熱過程中的不可逆損失[6-9]。隨著火力發電技術向著更高蒸汽參數方向發展[10-12]，機組汽輪機（簡稱大機）抽汽的過熱度越來越高，進入高壓加熱器中的抽汽與給水的傳熱溫差也越來越大，這導致換熱過程中的不可逆損失增加，抵消了提高蒸汽參數對機組效率的部分貢獻。

針對上述情況，某電廠提出并應用了一種抽汽背壓式給水泵汽輪機（back pressure extraction steam turbine，BEST）發電系統[13-15]，機組汽輪機的抽汽在進入高壓加熱器之前，需要先進入BEST給水泵汽輪機（小機）中做功，待溫度和壓力降低后，再以小機抽汽的形式輸入高壓加熱器（高加），這樣便可以降低高加蒸汽側與給水側的傳熱溫差，有效減少換熱過程中的不可逆損失。同時，為降低BEST小機進汽調節閥的節流損失，進一步提高小機效率，引入變流器控制的小發電機對小機驅動給水泵后剩余的軸功率進行消納轉換，產生的電能供應廠內設備，降低廠用電率。變流器控制模式下，小機調節閥在運行過程中保持全開狀態，將節流損失降到最低，提高了機組整體的經濟性[16-19]。

實際運行中發現，BEST小機剩余功率偏大，導致小發電機的電負荷超限，引起給水流量大幅波動，致使鍋爐主燃料跳閘（main fuel trip，MFT）保護動作引發跳機。經優化回熱抽汽系統投運方案，建立合理的小機背壓后，變流器負荷超限問題獲得妥善解決，有力保證了機組后續啟動試運工作。相關調試調整經驗可供后續同類型設備參考。

1 機組概況

某地區計劃建設2臺超超臨界1 000 MW等級二次再熱機組，工程選用型式為超超臨界、單軸、二次中間再熱、五缸四排汽、凝汽式汽輪機。機組汽輪機整體布局如圖1所示。機組汽輪機具體性能參數見表1。

圖1 機組汽輪機整體構造Fig.1 Overall structure drawing of the unit steam turbine

表1 汽輪機主要設計參數（額定工況）Tab.1 Main design parameters of the steam turbine

2 BEST發電系統簡介

BEST系統主要由抽汽背壓式汽輪機、給水泵組、小發電機、變流器等4部分組成。其整體布置如圖2所示。機組給水泵為100%容量，單臺布置，其前置泵與主泵同軸，由BEST小機驅動。

圖2 BEST發電系統整體布置Fig.2 Overall layout of the BEST power generation system

本文BEST小機為單缸、反動式、單流、抽汽背壓式結構；轉子由優質鉻鉬釩鋼鍛造而成，轉子上共有22級葉片，無調節級。小機采用變參數、變功率、變轉速運行方式，整體構造如圖3所示。

圖3 BEST小機結構Fig.3 Structure drawing of the BEST small turbine

BEST小機有2個主蒸汽閥和2個調節汽閥，分2組布置在汽缸的兩側。1個主蒸汽閥和1個調節汽閥為1組，共用1個閥殼。每一組閥門都由獨立的彈簧支架支撐在基礎上；而調節閥出口處在與外缸法蘭連接的同時，通過插管結構與內缸相連。從大機超高壓缸排出的蒸汽分2路分別進入小機兩邊的主蒸汽閥，再進入調節汽閥。從調節汽閥出口直接進入內缸中做功。BEST小機轉子由前、后2只徑向軸承支撐，前、后徑向軸承均采用可傾瓦結構，可有效地保持軸承油膜的穩定性及轉子的中心位置。推力軸承能承受汽輪機轉子的全部推力，它與前徑向軸承組成聯合軸承，布置在前軸承座內。考慮到BEST小機結構的緊湊、轉子的剛度以及疏水的便利性等因素，將2號、4號和6號抽汽口向上布置，3號、5號抽汽口和排汽口（去7號低壓加熱器（低加））向下布置。

BEST小機系統調速采用變流器與進汽調節閥聯合調節方式，由變流器調節系統轉速。在負荷大范圍波動時，BEST小機的進汽調節閥具備自動參與調節的功能。小機設計參數見表2。

表2 BEST小機設計參數Tab.2 Main design parameters of the BEST small turbine

配套的小發電機為變頻高轉速類型，存在最大出力限制，因此在異常工況下，小發電機出力超出限制時，通過調整小機調節閥開度降低BEST小機剩余功率。

3 機組跳閘過程與原因分析

3.1 跳機過程

機組正常并網后，逐步升負荷至400 MW，燃料量177 t/h，給水流量1 159 t/h，汽水分離器出口蒸汽過熱度76 ℃，機組以“機跟爐”方式穩定運行，鍋爐“給水流量低”等主保護全部投入。

檢查各主輔機設備運行正常，燃料量及給水量為手動控制，機組當前負荷平穩，滿足切換至協調控制方式（coordinated control system，CCS）的條件。首先將給水泵自動投入，1 min后鍋爐給水流量低保護動作，機組解列。

通過查閱運行參數曲線發現，在機組跳閘之前，鍋爐已完成干濕態轉換及給水切主路操作，該階段機組給水流量完全由給水泵轉速控制。給水流量出現了3次波動，情況如圖4所示。

圖4 給水流量變化趨勢Fig.4 Variation trend of feedwater flow

07:46:15，機組負荷401 MW，鍋爐給水流量1 180 t/h，給水泵轉速3 004 r/min，BEST小機為變流器控制方式，給水泵轉速此時為手動狀態，此時轉速的指令和反饋值均未變化，但鍋爐給水流量突然降低，最低值1 055 t/h；至07:46:35，給水流量恢復至1 200 t/h左右。

07:47:00—07:47:22，在給水泵轉速3 004 r/min無變化的情況下，鍋爐給水流量再次發生波動，波動范圍1 009～1 358 t/h 。

07:47:41—07:47:57，給水泵轉速手動控制，轉速3 004 r/min不變的情況下，鍋爐給水流量第3次波動，波動幅度為961～1 342 t/h。

07:47:58，值班人員投入給水泵轉速自動控制，自動設定值1 210 t/h。

07:48:05，給水流量迅速下降；07:48:12—07:48:15，給水流量顯示最大723 t/h，最小669 t/h，均低于鍋爐MFT保護定值811 t/h且持續3 s，觸發鍋爐MFT“給水流量低”保護動作，機組跳閘。

3.2 原因分析

經檢查，BEST小機轉速控制邏輯中有“過載限制”保護：即在變流器主控模式下，當“變流器功率上限”與“小發電機的實際負荷”的差值小于4.8 MW時，就認為小發電機可能會負荷超限，“過載限制”保護觸發，BEST小機電液控制（micro electrohydraulic，MEH）系統的轉速PID上限將會自動降低，實際表現為小機進汽調節閥關小，這引起了給水流量的波動。小發電機的實際負荷越接近變流器的功率上限，則小機進汽調節閥關小的程度也越大，給水流量的波動也會更劇烈。變流器的負荷上限即是“小發電機的最大功率”。在小機背壓達到額定值0.8 MPa的情況下，小發電機最大功率與BEST小機轉速的變化趨勢如圖5所示。從圖5可知，正常情況下，BEST小機的剩余功率（即小發電機的實發功率）不會超過該轉速下發電機能夠發出的最大功率。

圖5 BEST小機功率與轉速特性曲線Fig.5 Power and speed characteristic curve of the BEST

變流器的超限保護是由小發電機自身特性決定的。在某一確定轉速下，小發電機能夠發出的最大功率為一定值；超過該定值，小發電機將會過載，設備運行安全失去保障。

機組跳閘前，小機轉速3 004 r/min。由圖5可知，該轉速下小發電機允許最大功率為12.0 MW，小發電機實際發電功率最大為13.4 MW，觸發了負荷超限保護，導致了小機進汽調節閥大幅關小，進而引發給水流量瞬時降低，鍋爐MFT保護動作。

對于BEST小機而言，若其進口蒸汽的初參數不變，那么排汽參數越低，蒸汽的焓降就越大，蒸汽做功的能力也就越強，最終BEST小機的剩余功率也越多。小機剩余功率由小發電機全部消納，小發電機的實發功率也會變大。

實際運行過程中，BEST雙機回熱抽汽系統相關參數與設計值偏差較大，小機背壓僅有0.1 MPa（額定工況下為0.8 MPa），異常偏低，這導致了BEST小機剩余功率過多，小發電機實發負荷超限。因此，建立BEST小機的合理背壓，是解決變流器負荷超限問題的關鍵。

4 解決方案

4.1 BEST雙機回熱系統構成

本文采用帶BEST小機的雙機回熱抽汽系統，回熱抽汽系統采取12級設計，包括5級單列的高加、1臺除氧器、6臺低加。BEST的汽源為超高壓缸的排汽（即一次低溫再熱蒸汽），其抽汽設計為5抽1排方案。BEST小機的5級抽汽定義為機組的第2—6級抽汽，分別供給2、3、4、5號高壓加熱器和除氧器。BEST小機的排汽定義為機組的第7級抽汽，排至7號低壓加熱器。中壓缸的抽汽供應8號低加，低壓缸的抽汽供應9號—12號低加。回熱抽汽系統的具體布置如圖6所示。

圖6 BEST雙機回熱抽汽系統整體布置Fig.6 Overall arrangement of the BEST double-turbine regenerative steam extraction system

BEST小機正常運行時的汽源來自一次再熱低溫蒸汽。另外，BEST小機設置了2路啟動汽源，分別為臨機供熱母管蒸汽（參數約為2.0 MPa，320 ℃）和輔助蒸汽（參數約為0.8～1.0 MPa，320～350 ℃）。

小機排汽可去往7號低加、8號低加及凝汽器。當系統采用電動機-給水泵模式啟動時，小機進汽調節閥關閉，打開小機排汽至凝汽器旁路閥，以保持BEST小機內部真空，避免鼓風發熱。

當合格的一次再熱冷段蒸汽切換為小機汽源后，開啟BEST小機進汽調節閥，排汽仍然去往凝汽器，電動機-給水泵模式下進行暖機。暖機完成后，增大進汽量，BEST小機逐步增大出力，變流器控制電機從電動機狀態自動切換至發電機狀態，MEH系統將BEST小機轉速控制切換至變流器主控模式。BEST小機排汽由凝汽器逐步切換至7號低加，7號低加投入運行。按由低到高的順序依次投入BEST小機的各級抽汽，即依次為除氧器、5號高加、4號高加、3號高加、2號高加。

當主汽輪機完成啟動并達到一定負荷時，逐漸開大BEST小機主汽調節閥，將BEST小機主調節閥以一定升速率（暫定200 r/min）開至最大狀態，BEST小機滑壓運行，整個BEST系統切換到正常運行狀態。

4.2 BEST雙機回熱系統投運方案優化改進

啟動調試初期，為實現機組“全負荷脫硝”目標，需要盡早提高鍋爐給水溫度，因此制定了高加優先投運方案。認為BEST小機背壓是系統自然平衡的結果，不需要主動干預。結果導致BEST小機抽汽量大，背壓無法建立，剩余功率超出設計值。后期針對回熱系統投運方案進行了改進優化，以建立小機合理背壓。

為了避免BEST小機剩余功率異常過大，應盡量提高BEST小機背壓，降低蒸汽焓降，使BEST雙機回熱抽汽系統參數盡量達到設計值。經討論優化后，重新制定了高加低加的投運方案。機組重新啟動后，對新方案的實際效果進行了檢驗。

優化后的回熱抽汽系統投運方案為：

1）BEST小機定速2 440 r/min，鍋爐上水時，投入輔汽至除氧器加熱。鍋爐點火升溫升壓后，隨機投入1號高加汽側，控制1號高加溫升不超限。

2）機組定速3 000 r/min時，隨機投入10號、9號、8號低加汽側。關閉10號低加危急疏水閥，待10號低加水位正常后，及時啟動低加疏水泵，將其疏水至凝結水。

3）機組并網前，BEST小機在變流器主控模式下，將小機汽源倒至一次再熱低溫蒸汽，小機進汽調節閥逐漸全開，電機-變流器由電機模式轉為發電模式。BEST小機汽源切換后，微開2號—5號高加抽汽電動閥門對抽汽管道暖管疏水。

4）機組并網帶初負荷時，將BEST小機排汽由凝汽器一路倒換至7號低加，關閉小機排汽旁路閥。并且盡早關閉7號低加危急疏水閥，否則7號低加汽側無法建立壓力，影響BEST小機背壓和7號低加至8號低加的正常疏水。

5）機組并網后，及時將軸封溢流倒換至11號低加。軸封溢流蒸汽在機組帶初負荷階段可以提高凝結水溫約18 ℃。

6）機組負荷150 MW左右，逐漸開大6級抽汽電動閥門，注意控制BEST小機排汽壓力穩定，緩慢將除氧器汽源由輔汽倒換成6級抽汽供汽。

7）機組負荷200 MW左右，將8號低加疏水倒至9號低加。緩慢開啟5號高加抽汽電動閥門，注意控制BEST小機排汽壓力穩定。

8）機組負荷250 MW左右，將9號低加疏水倒至10號低加。將5號高加疏水倒至除氧器。

9）機組負荷300 MW左右，依次投入4號、3號、2號高加運行，同時將其疏水倒至正常疏水。最后根據1號高加的溫升情況，投入1號高加抽汽電動閥門自動控制。

各加熱器投運時的機組參數見表3。

表3 各加熱器投運時投運參數Tab.3 Operating parameters of various heaters when put into operation

優化改進后機組再次啟動，回熱抽汽系統投運次序合理，BEST小機背壓穩步上升，小發電機再未出現負荷超限情況。機組負荷升至500 MW時，BEST小機抽汽系統參數如圖7所示。在機組后續升負荷及滿負荷試運行期間，BEST小機背壓均在設計值附近，給水泵汽輪機發電系統運行穩定，性能可靠。

圖7 BEST雙機回熱系統穩定運行參數Fig.7 Stable operation parameters of the BEST double-turbine regenerative system

結合機組低負荷段水溫偏低，投入高加后汽側凝結速率快、易導致小機抽汽量大的客觀情況，建議與廠家溝通后，適當減小變流器功率超限保護動作的定值，并增加“小發電機實發功率高”重報警光字牌。原邏輯“當變流器功率上限與小發電機的實際負荷的差值小于4.8 MW動作小機調節閥”，經試驗后可進一步改小定值，以減少小機調節閥的參與概率，避免給水流量在該轉速段的波動。

5 結 語

本文以國內首臺帶變流器-小發電機的BEST小機為研究對象，分析了給水流量劇烈波動導致機組跳閘的原因，通過優化抽汽回熱系統投運方案，逐步建立起小機合理背壓，保證了BEST小機剩余功率始終在設計值范圍內，徹底解決了小發電機電負荷超限問題，保障了機組的安全穩定運行。相關調試調整經驗可供后續同類型設備參考。