超臨界雙抽背壓式汽輪機(jī)甩50%負(fù)荷試驗(yàn)及分析

朱良君，傅旭峰，王 勇，馬 聰，龍顏長

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.華電國際電力股份有限公司天津開發(fā)區(qū)分公司，天津 300450)

汽輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷是指發(fā)電機(jī)出口斷路器突然跳閘，發(fā)電機(jī)負(fù)荷突然降低為零后汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)特性[1]，甩負(fù)荷后要求汽輪機(jī)最高飛升轉(zhuǎn)速不得引起機(jī)械危急遮斷器跳閘[2]，并且甩負(fù)荷后機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DEH)能使機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速穩(wěn)定在空轉(zhuǎn)狀態(tài)，只有滿足上述2個條件的情況下甩負(fù)荷試驗(yàn)才算成功[3-4]，大型火電廠汽輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)一般先進(jìn)行50%甩負(fù)荷試驗(yàn)，成功后方可進(jìn)行100%甩負(fù)荷試驗(yàn)[5]。

甩負(fù)荷試驗(yàn)由于負(fù)荷發(fā)生快速變化，在極端變工況下運(yùn)行，各參數(shù)變化速率較快[6]，運(yùn)行操作量大，對各配套輔機(jī)及相關(guān)系統(tǒng)的甩負(fù)荷工況適應(yīng)性要求較高，同時也極大地考驗(yàn)了汽輪發(fā)電機(jī)組在協(xié)調(diào)控制下動態(tài)跟蹤能力及系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)品質(zhì)[7-8]。在甩負(fù)荷試驗(yàn)中高低壓旁路的控制是一個重點(diǎn)，甩負(fù)荷的進(jìn)行需要配合高低壓旁路快開進(jìn)行[9-10]。

天津某工業(yè)園區(qū)配套熱電工程的超臨界雙抽背壓式汽輪機(jī)具有停機(jī)不停爐工況供熱功能，在進(jìn)行甩50%負(fù)荷時發(fā)電機(jī)出口斷路器斷開，發(fā)電機(jī)組跳閘，汽輪機(jī)組維持空負(fù)荷運(yùn)行，觸發(fā)停機(jī)不停爐工況，高旁快開動作，兩級抽汽供熱負(fù)荷維持供熱。對外供熱實(shí)現(xiàn)甩電負(fù)荷不甩熱負(fù)荷，并在10 min后迅速并網(wǎng)，隨后快速升負(fù)荷恢復(fù)至50%負(fù)荷。經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏?zhǔn)備工序，完善的邏輯控制，最終順利完成1號汽輪機(jī)組50%甩負(fù)荷試驗(yàn)。

1 熱力系統(tǒng)及主機(jī)概況

天津某工業(yè)園區(qū)配套熱電工程機(jī)組汽輪機(jī)采用東方電氣股份有限公司CB170-24.2/5.0/1.8/0.15型汽輪機(jī)，該型汽輪機(jī)組為超臨界參數(shù)、一次中間再熱、單軸、雙缸、兩級調(diào)節(jié)抽汽、下排汽、背壓式汽輪機(jī)，主要參數(shù)如下：主汽門前額定壓力24.2 MPa，主汽門前額定溫度566 ℃，再熱主汽閥前額定溫度453 ℃，再熱主汽閥前額定壓力5.0 MPa，背壓0.15 MPa。在額定抽汽工況下，中壓供熱蒸汽參數(shù)為467 t/h、5.0 MPa，低壓供熱蒸汽參數(shù)200 t/h、1.8 MPa。

主蒸汽和主給水系統(tǒng)為單元制熱力系統(tǒng)，主給水系統(tǒng)配置2×50%汽動給水泵+1×50%電動給水泵；采用6級抽汽回?zé)?，分別為3高1低2除氧；機(jī)組汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)為高、低壓兩級串聯(lián)電動旁路系統(tǒng)，高壓旁路系統(tǒng)容量為87%BMCR工況容量，低壓旁路系統(tǒng)容量為96%BMCR工況容量，旁路系統(tǒng)具備保護(hù)功能。

汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)見圖1。鍋爐為超臨界參數(shù)/單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、緊身封閉、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、循環(huán)流化床直流鍋爐，在BRL工況下，過熱蒸汽流量為1112 t/h(25.4 MPa(a)/571 ℃)，再熱蒸汽流量為1008 t/h(5.00 MPa(a)/456 ℃)。發(fā)電機(jī)為東方電氣集團(tuán)股份有限公司汽輪發(fā)電機(jī)，型號QF-170-2-15.75，定子線圈接法為YYY，靜止勵磁方式。

圖1 汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)

機(jī)組采用機(jī)、爐、電、熱集中控制方式，通過DCS操作員站完成對機(jī)組正常運(yùn)行工況的監(jiān)視操作和緊急情況事故處理及安全停機(jī)停爐。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)(DEH)采用東方自控公司設(shè)備，由高壓抗燃油控制油系統(tǒng)和DEH數(shù)字控制系統(tǒng)組成，具備自動掛閘、轉(zhuǎn)速控制、閥位控制、超速保護(hù)、在線試驗(yàn)、ETS遮斷保護(hù)、抽汽壓力控制等功能。

2 甩負(fù)荷試驗(yàn)準(zhǔn)備工作及邏輯優(yōu)化

2.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作

a.主機(jī)閥門行程及活動性試驗(yàn)，主汽閥、調(diào)節(jié)閥嚴(yán)密性試驗(yàn)均合格，潤滑油泵自啟動聯(lián)鎖保護(hù)試驗(yàn)、汽輪機(jī)側(cè)停機(jī)保護(hù)、聯(lián)鎖經(jīng)過確認(rèn)，并且動作可靠。

b.汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)動作可靠，危急保安器注油試驗(yàn)、超速試驗(yàn)合格，遙控及手動停機(jī)裝置動作正?？煽?，OPC保護(hù)動作及調(diào)試性能合格、電超速、機(jī)械超速試驗(yàn)合格。

c.汽輪機(jī)抽汽管道所有抽汽逆止門、抽汽電動門、高排逆止門聯(lián)動正常，閥門關(guān)閉時間符合要求，無卡澀現(xiàn)象。

d.廠用電快速切換系統(tǒng)調(diào)試完成，并已正常投運(yùn)，為確保安全，在試驗(yàn)前將廠用電切換至啟備變供電。

e.汽動給水泵A、B汽源、除氧器加熱、軸封系統(tǒng)汽源均切換至輔汽供汽。

2.2 試驗(yàn)過程主要邏輯聯(lián)鎖

高壓旁路：投入自動控制，甩負(fù)荷瞬間強(qiáng)開6 s，開至15%，隨后自動跟蹤冷段再熱蒸汽壓力4.5 MPa，高壓旁路減溫水調(diào)節(jié)閥溫度目標(biāo)值設(shè)定為340 ℃。

低壓旁路：低壓旁路視再熱蒸汽壓力手動調(diào)節(jié)，當(dāng)再熱蒸汽壓力超限時適當(dāng)開啟低壓旁路，低壓旁路減溫水調(diào)節(jié)閥A、B溫度設(shè)定為 60 ℃；高排逆止門為自由狀態(tài)；高排通風(fēng)閥(VV閥)聯(lián)鎖打開；各段抽汽及對外供熱逆止門聯(lián)鎖關(guān)閉；六段抽汽啟動閥門聯(lián)鎖打開至100%；鍋爐過熱器PCV閥及再熱器PCV閥投入自動控制。

2.3 DEH動態(tài)控制

本機(jī)組在DEH動態(tài)控制過程中，為進(jìn)一步防止甩負(fù)荷工況下轉(zhuǎn)速飛升觸發(fā)跳機(jī)超速，機(jī)組配置了甩負(fù)荷預(yù)測功能(LDA)，此時轉(zhuǎn)速尚未達(dá)到103%動作轉(zhuǎn)速，并且在OPC觸發(fā)后，機(jī)組自動由負(fù)荷控制轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速控制，進(jìn)一步以轉(zhuǎn)速為目標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在甩負(fù)荷工況下觸發(fā)的控制邏輯與OPC超速邏輯是相同的，當(dāng)機(jī)組發(fā)電機(jī)主斷路器突然斷開，將直接觸發(fā)OPC超速動作，關(guān)閉所有高、中壓調(diào)節(jié)閥和各抽汽逆止閥，聯(lián)開高排通風(fēng)閥，機(jī)組甩負(fù)荷后延時2 s后，且轉(zhuǎn)速低于3060 r/min，OPC第1次動作邏輯復(fù)位，高調(diào)閥CV、中調(diào)閥ICV按1∶1.2比例綜合閥位大小開啟控制轉(zhuǎn)速，并維持3000 r/min。

3 甩負(fù)荷試驗(yàn)難點(diǎn)分析

3.1 主蒸汽壓力控制

由于本機(jī)組為供熱機(jī)組，配置的凝汽器容量有限，不足以消納全部負(fù)荷，甩負(fù)荷過程中繼續(xù)對外供熱，通過熱網(wǎng)消納瞬間的熱負(fù)荷。高壓旁路控制高壓旁路閥后即再熱器壓力，主蒸汽壓力調(diào)節(jié)受到一定限制，當(dāng)再熱蒸汽不能及時泄壓時，將會引起高壓旁路開度不足，主蒸汽壓力存在超壓風(fēng)險，此時可以通過低壓旁路或者鍋爐泄壓PCV閥進(jìn)行泄壓。

3.2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制

由于本機(jī)組的特殊性，在甩負(fù)荷后，再熱蒸汽壓力仍維持較高水平(4 MPa左右)，并且可能會隨著外界熱負(fù)荷波動產(chǎn)生較大壓力波動，對汽輪機(jī)DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制將會產(chǎn)生一定影響。同時，在維持轉(zhuǎn)速3000 r/min，重新并網(wǎng)過程中，由于再熱蒸汽壓力較高，高排逆止門無法打開，高壓缸蒸汽只能通過高排通風(fēng)閥流至凝汽器，而高排通風(fēng)閥容量有限，容易造成高排溫度超限。

3.3 汽輪機(jī)軸承振動控制

甩負(fù)荷后主蒸汽、再熱蒸汽參數(shù)高，壓力大，DEH邏輯判斷壓力大小會切換至順序閥位控制，汽輪機(jī)進(jìn)汽不均勻，蒸汽量少，高壓缸、中壓缸軸向推力較大，對汽輪機(jī)軸系有較大影響，容易產(chǎn)生較大振動，對甩負(fù)荷后汽輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行有較大影響。

4 甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 試驗(yàn)過程

2022年6月17日15:35試驗(yàn)開始，15:37手動斷開發(fā)電機(jī)出口斷路器，高壓、中壓調(diào)門迅速關(guān)閉；1.2 s后轉(zhuǎn)速上升至最大值3045 r/min,；最低降至2905 r/min，20 s后轉(zhuǎn)速二次飛升至3024 r/min，106 s后轉(zhuǎn)速逐漸穩(wěn)定在3000 r/min，轉(zhuǎn)速動態(tài)超調(diào)量為1.5%，機(jī)組50%甩負(fù)荷試驗(yàn)成功。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

機(jī)組甩負(fù)荷過程中主要參數(shù)變化如圖2所示，甩負(fù)荷前主蒸汽壓力15.9 MPa，再熱蒸汽壓力4.46 MPa，給煤量80 t/h，中壓供熱流量273 t/h，低壓供熱流量143 t/h；甩負(fù)荷后觸發(fā)機(jī)組停機(jī)不停爐工況供熱，高壓旁路快開維持熱段再熱蒸汽壓力，并對外供熱。試驗(yàn)結(jié)果顯示：甩負(fù)荷后最高升至19.8 MPa，再熱蒸汽壓力最高降低至2.96 MPa，中壓供熱流量240 t/h，低壓供熱流量133 t/h，各參數(shù)未超限，對下游熱用戶未產(chǎn)生較大的影響。

在觸發(fā)甩負(fù)荷后，OPC動作，高調(diào)閥、中調(diào)閥聯(lián)關(guān)，各段抽汽逆止閥聯(lián)關(guān)，高排通風(fēng)閥聯(lián)開，機(jī)組六段抽汽對空排打開，汽輪機(jī)維持3000 r/min空轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定。

甩負(fù)荷試驗(yàn)前后機(jī)組軸瓦溫度、脹差、軸向位移等參數(shù)變化正常，各軸承振動雖有大幅度增加，但尚在保護(hù)范圍內(nèi)。圖3顯示了甩負(fù)荷過程中各軸承振動情況，可以看出，甩負(fù)荷后機(jī)組各軸承振動均有明顯升高，其中1號軸承最高升至198 μm，10 min后重新并網(wǎng)帶負(fù)荷，機(jī)組振動逐漸下降恢復(fù)至初始值。

并網(wǎng)后隨著進(jìn)汽量增加，各軸承振動逐漸恢復(fù)至正常值，機(jī)組各軸向振動參數(shù)逐漸恢復(fù)正常運(yùn)行水平。逐漸降低高壓旁路，適當(dāng)降低再熱蒸汽壓力至3.0 MPa后，手動關(guān)閉高旁通風(fēng)閥，嚴(yán)密監(jiān)視高排止回閥狀態(tài)為自由狀態(tài)，并且高排壓力足以頂開逆止門，保證機(jī)組高壓排汽通暢。隨后逐漸收小高旁至全關(guān)狀態(tài)，機(jī)組恢復(fù)帶負(fù)荷運(yùn)行。

圖2 機(jī)組甩負(fù)荷過程中主要參數(shù)曲線變化

圖3 機(jī)組甩負(fù)荷后各軸承振動參數(shù)變化

4.3 試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題

高排通風(fēng)閥自動關(guān)閉造成轉(zhuǎn)速波動，機(jī)組高排通風(fēng)閥自動開邏輯分為OPC動作、汽輪機(jī)跳閘聯(lián)開、手動開3種，其中OPC動作指令為連續(xù)20 s脈沖，即高排通風(fēng)閥強(qiáng)開20 s，隨后自動關(guān)閉。在機(jī)組甩負(fù)荷后，高排通風(fēng)閥聯(lián)開20 s后自動關(guān)閉，因再熱蒸汽壓力過高導(dǎo)致高壓缸排汽無法頂開高排逆止門，高壓缸排汽無處泄壓，高排溫度上升。隨后手動打開后，轉(zhuǎn)速升至3024 r/min，并最終穩(wěn)定在3000 r/min。試驗(yàn)后針對此條邏輯進(jìn)行優(yōu)化，取消OPC動作發(fā)20 s脈沖，改為OPC動作高排通風(fēng)閥常開。

六段抽汽對空排汽閥在甩負(fù)荷后未能聯(lián)開。試驗(yàn)前對六段抽汽對空排調(diào)節(jié)閥邏輯進(jìn)行了檢查，確定OPC動作聯(lián)開，但在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)甩負(fù)荷后未能聯(lián)開，DCS發(fā)出全開100%指令信號，但閥門沒有打開，隨后手動將對空排汽閥逐漸從20%、50%、100%打開，初步判斷為閥門卡澀，建議定期對該閥門進(jìn)行部分行程試驗(yàn)，保障在事故工況下能夠立即動作。

甩負(fù)荷后機(jī)組維持空負(fù)荷運(yùn)行，轉(zhuǎn)速保持在3000 r/min，由于進(jìn)汽參數(shù)較高，蒸汽18 MPa，再熱蒸汽4.5 MPa，機(jī)組進(jìn)汽參數(shù)高、調(diào)門開度小，同時高調(diào)門為順序閥模式，造成機(jī)組高壓缸、中壓缸各軸承振動較大。建議甩負(fù)荷后視系統(tǒng)恢復(fù)情況盡快并網(wǎng)，增加汽輪機(jī)進(jìn)汽量，保障機(jī)組軸向推力平衡，降低軸向振動，保障汽輪機(jī)組安全運(yùn)行。

5 結(jié)語

本次試驗(yàn)結(jié)果表明，超臨界雙抽背壓式汽輪機(jī)在進(jìn)行甩50%負(fù)荷時發(fā)電機(jī)出口斷路器斷開，發(fā)電機(jī)組跳閘，汽輪機(jī)組能夠在高再熱蒸汽壓力下維持空負(fù)荷運(yùn)行，并觸發(fā)停機(jī)不停爐工況供熱工況，高壓旁路快開動作，兩級抽汽供熱負(fù)荷維持供熱，對外供熱實(shí)現(xiàn)甩電負(fù)荷不甩熱負(fù)荷。同時能夠在短時間內(nèi)迅速恢復(fù)并網(wǎng)，并重新帶負(fù)荷至50%電負(fù)荷。整改試驗(yàn)過程中，供熱負(fù)荷與壓力擾動較小，對熱網(wǎng)系統(tǒng)影響微弱，極大地保障了對外供熱穩(wěn)定性。

50%甩負(fù)荷試驗(yàn)有效驗(yàn)證了該機(jī)組的控制系統(tǒng)機(jī)組負(fù)荷瞬時失去后能有效地抑制轉(zhuǎn)速飛升，檢驗(yàn)出汽輪機(jī)DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)過程的響應(yīng)速度及動態(tài)性能，很好地滿足了設(shè)計(jì)要求，并為同類型的機(jī)組進(jìn)行甩負(fù)荷工況操作提供了良好的技術(shù)支撐。