1000 MW超超临界二次再热机组旁路温度控制逻辑设计

顾徐鹏（华东电力设计院有限公司，上海 200063）



1000 MW超超临界二次再热机组旁路温度控制逻辑设计

顾徐鹏
（华东电力设计院有限公司，上海 200063）

摘要：泰州电厂二期是国内首台二次再热燃煤机组，其旁路系统采用了100%BMCR高压旁路加中低压启动旁路的三级串联旁路系统。高旁和中旁温度采用基于阀后温度的单回路闭环控制，低旁温度控制采用的是一个基于焓值的开环控制策略。

关键词：二次再热；旁路系统；旁路温度控制。

在国内节能减排政策的不断推动下，二次再热技术近年来一下成为了各方关注和争相研究的热点。在相同蒸汽温度、压力条件下，二次再热机组的热效率比一次再热机组可提高2%左右，CO2排放降低约3.6%。在700℃等级超超临界技术成熟之前，发展二次再热技术是提高机组热效率的有效手段，是一种可行的节能降耗、清洁环保的火力发电技术。

1 工程概述

泰州电厂二期是国内首台百万千瓦超超临界机组，建成后将成为世界上容量最大的二次再热机组，对二次再热技术在国内的进一步发展有着重要的示范意义。

泰州电厂二期主机参数采用 31 MPa /600/610/610℃，相比于国外一些二次再热机组参数要高，但目前已经过一次再热机组反复检验的铁素体合金材料和奥氏体合金材料能够满足在这一参数下安全运行的要求，材料上不存在明显的技术瓶颈。然而二次再热机组热力系统相对复杂，系统的控制逻辑以及将来的运行、操作相对于传统一次再热机组都更为复杂，所以二次再热机组的控制逻辑也成为了国内突破二次再热的一项关键技术。

2 二次再热机组旁路系统

2.1 旁路系统

二次再热机组热力系统与一次再热机组有明显的不同，一次再热系统中蒸汽在高压缸做功后进入锅炉进行一次再加热；而二次再热系统中蒸汽在超高压缸和高压缸中做功后会分别在锅炉的一次再热器和二次再热器中再次加热。相比一次再热系统，二次再热系统锅炉增加一级再热系统，汽轮机则增加一级循环做功。

为了配合二次再热汽轮机组的启动及运行要求，泰州电厂二期设置了高、中、低压三级串联旁路系统，高旁采用100%BMCR容量，中、低压旁路容量均按照满足机组启动要求设计。各级旁路阀门由德国Bopp & Reuther公司负责供货，执行机构均采用液压传动，具体流程见图1。

该旁路系统可起到以下作用：

（1）机组在各种工况下（冷态、温态、热态和极热态）用高中压缸启动时，投入旁路系统，控制锅炉快速提高蒸汽温度使之与汽机汽缸金属温度较快地相匹配，从而缩短机组启动时间和减少蒸汽向空排放，减少汽机循环寿命损耗，实现机组的最佳启动。

（2）启动时，减少蒸汽中的固体小颗粒通过旁路进入汽轮机，从而防止汽轮机调速汽门、进气口及叶片的硬粒侵蚀。

（3）启动及甩负荷时，有效地冷却锅炉所有受热面，特别是可以很好地保护再热器，防止再热器干烧。

（4）机组正常运行时，高压旁路装置具有超压安全保护的功能。锅炉超压时高压旁路开启，代替锅炉安全阀功能，并按照机组主蒸汽压力进行自动调节，直到恢复正常值。从而使系统回收工质，减少噪音。

图1 泰州电厂二期旁路系统示意图

2.2 旁路喷水减温水源及阀门选型

高压旁路减温水取自高加出口的主给水管道，最大压力为44 MPa，正常工作压力为39 MPa，水温为315℃。

中压旁路减温水取自给水泵中间抽头，最大压力为25 MPa，，正常工作压力为20.5 MPa，水温为190.6℃。

低压旁路减温水取自凝结水系统减温水母管，最大压力为5.2 MPa，正常工作压力为3.8 MPa，水温为正常为33℃，最高为50℃。

3 旁路温度控制

旁路控制器包含两个主要回路，压力控制和温度控制。压力控制器通过旁路阀位控制调节阀前蒸汽压力，温度控制器通过喷水调节阀控制旁路出口温度或焓值。下面就对旁路的温度控制方案作详细介绍。

3.1 高温度控制

高旁温度控制的目的是调节高旁减温水调节阀，控制高旁阀后温度，防止再热器超温或者由于高旁出口带水而导致阀后管道及再热器损坏。高旁喷水管路设有一台液动截止阀和一台液动调节阀，设置截止阀主要是防止因调节阀泄漏，而导致高旁阀体在冷再热蒸汽和泄漏出的冷水作用下产生过大的热应力而导致阀体开裂损坏。高旁减温水截止阀在高旁调节阀开度＞2.5%且阀后蒸汽过热度＞20K时连锁打开，使高旁减温水随时可以投入运行；在高旁调节阀开度＜3%或阀后蒸汽过热度＜10K时连锁关闭，截断减温水管路防止其过喷或泄漏。

高旁减温水调节阀的控制是以高旁阀后温度为控制参数的单回路闭环调节系统，控制逻辑见图2。阀后温度设定值是旁路阀后压力的函数，这是一个预先设定好的关系曲线，得到的设定值必须有30K的过热度且不能超过390℃的温度限值。

图2 高旁减温水控制逻辑

高旁温度控制器中还引入了阀位前馈，该前馈量的计算类似于低旁的控制方法，根据温度设定值计算出阀后焓值目标，换算出需要喷多少减温水，从而直接获得喷水调节阀的开度。引入该前馈可以帮助喷水调节阀在高旁打开时，不受温度测量延时的影响而尽快开启，保护再热器。

3.2 中旁温度控制

中旁是二次再热机组比较特殊的一个系统，但结合系统流程图不难发现，中旁减温喷水的控制要求与高旁基本是一致的，需要阀后温度控制在合适的范围，既要防止二次再热器超温，又要保证有一定的过热度，防止减温水过喷影响机组运行经济性。所以，中旁温度控制逻辑可以参考高旁温度控制的方案，这里就不再赘述了。

3.3 低旁温度控制

低旁温度控制的目标是调节低旁减温水调节阀的开度，控制低旁阀后蒸汽参数在合适的范围内，使其能满足凝汽器的要求，保护凝汽器不因为旁路出口蒸汽温度过高而受到过大的热冲击，或者由于蒸汽湿度过大导致凝汽器管束的冲刷损坏。由于低旁阀后蒸汽一般都非常接近或处于饱和状态，在阀后压力下工质的汽化潜热将达到2000 kJ/kg以上，蒸汽进入饱和状态后，在直到出现过冷前，减温喷水对低旁阀后温度都将不产生影响，所以不能采用阀后温度反馈来对减温水调阀作闭环控制。

泰州电厂二期采用了以下开环控制策略：利用低旁开度和阀门特性计算出低旁的通流量，再根据低旁阀前、后的蒸汽压力和温度，计算出蒸汽的焓降，两者相乘得出蒸汽需要降低的热量，这样根据能量守恒原理就可以精确计算出低旁需要的冷却水量，然后直接根据减温水调阀的流量—阀位特性，得出减温水调阀的开度。具体计算方法如下，式中的低旁通流量计算式是由旁路阀门厂家提供的。

式中：Kv为阀门特性因数；PI为低旁进口蒸汽压力；TI为低旁进口蒸汽温度；v'为PI/2 和TI下蒸汽的比体积。

文献［4］指出，由于低旁调节阀直对凝汽器，阀后管道很短，导致阀后温度安装困难，即使可以安装，安装位置也过于接近阀门，喷入低旁的大量减温水还未完全与蒸汽混合并汽化，导致测得的阀后温度无法真实反映低旁蒸汽进入凝汽器的状态。所以许多工程都按照凝汽器可接受的最大蒸汽焓值（比如2615 kJ/kg）直接作为低旁阀控制的目标焓值代入上述计算式。

系统设计时在低旁减温水管道上安装了流量测量装置，所以上述开环控制策略中可以引入减温水流量反馈形成局部的闭环来更精确地控制减温喷水量。但从上述计算式可知，减温水流量是否满足需求还取决于厂家提供的低旁阀门特性是否准确，计算出的低旁通流量与实际值的误差有多少，若阀门流量特性不准，引入局部反馈的意义就大打折扣了。

4 结论

二次再热机组热力系统较一次再热机组更为复杂，控制也有其特殊性。本文以泰州电厂二期为例，介绍了二次再热机组旁路系统的配置，并依次详细分析了高旁、中旁和低旁温度的控制策略。按照系统运行特点，高、中旁温度可采用基于阀后温度的单回路调节，而低旁则采用基于焓值的开环控制方案，希望能对今后的系统逻辑设计提供参考。

参考文献：

［1］ 张方炜，等.超临界火力发电机组二次再热技术研究［J］.电力勘测设计，2013，（4）.

［2］ 冯伟忠.1000MW级火电机组旁路系统作用及配置［J］.中国电力，2005，38（8）.

［3］ Steve Freitas，Jason Moore.Key Elements of Successful PM Programs for Turbine Bypass Systems［J］.Combined Cycle Journal，2007.

［4］ Fisher.Turbine Bypass Condenser Dump Applications［R］.Turbine Bypass Applications，Product Bulletin， 2002.

［5］ 朱介南，等.一种新的机组旁路系统控制策略的设计与应用［J］.热力发电，2010，（9）.

［6］ 杨培成，周丽.低压旁路温度典型控制策略对比分析及优化［J］.热力发电，2010，39（7）.

中图分类号：TM621

文献标志码：A

文章编号：1671-9913（2016）02-0014-04

* 收稿日期：2016-02-17

作者简介：顾徐鹏（1985- ），男，江苏启东人，助理工程师，从事电厂热工控制系统设计工作。

Design of Bypass Temperature Control Logic in 1000 MW Ultra-supercritical Second Reheat Units

GU Xyu-peng
（East China Electric Power Design Institute Co.， Ltd.， Shanghai 200063， China）

Abstract:Taizhou Phase II is the first double reheat coal fired power plant in China. It has a 3 stage cascade bypass system which contains a 100% BMCR HP bypass， an IP bypass for startup and a LP bypass for startup also. HP and IP bypass temperature control is a single parameter close loop control based on the temperature after the bypass valve. LP temperature control is a open loop control based on the enthalpy.

Key words:double reheat； bypass system； bypass temperature control.