超超临界二次再热机组高压加热器系统控制策略研究

张天海，于国强，殳建军，汤可怡，竺永久

(1．江苏方天电力技术有限公司，南京 211102;2．国家能源集团泰州发电有限公司，江苏 泰州 225327)

0 引言

新一代洁净煤发电技术发展的重要方向是大幅提高能源转换效率，提高机组性价比。进一步提高发电机组的运行参数是超超临界机组未来发展的方向之一，但材料的性能是制约蒸汽参数大幅度提高的主要技术瓶颈。二次再热技术是提高机组热效率的一种有效方法。所谓二次再热，是指将传统一次再热汽轮机中压缸排汽经过二次再热器加热以后，继续进入汽轮机膨胀做功。31．0 MPa/566℃/566℃/566℃的二次再热技术相比传统的24．1MPa/566℃/566℃的一次再热技术，其热效率可提高大约5%［1］。

国家能源集团泰州发电有限公司(以下简称泰州发电公司)#3机组是世界首台1 000 MW超超临界二次再热发电机组，与传统一次再热机组相比，其高压加热器(以下简称高加)系统在结构及运行工艺上均有所改进，原有的控制方式已经不能满足实际生产运行的要求。因此，有必要结合改进后的高加系统设计结构和运行工艺，寻求合适的控制策略，在保证高加系统安全可靠运行的前提下，进一步提高系统的回热效率。

1 高加系统概况

高加是一种表面式加热器，它利用汽轮机抽汽来加热锅炉给水，以提高锅炉给水温度、减少凝汽器中的热损耗，从而提高电厂的热效率并保证机组的出力［2］。由于被加热水来自给水泵出口，水侧管路压力很高，故称之为“高压”加热器。泰州发电公司二次再热机组高加由上海电气集团(上海动力设备有限公司)制造。每台机组配置2×4台50%容量的卧式高加，双列布置。每台加热器均按双流程设计为全焊接结构。每台加热器(包括除氧器)均设有启动排气和连续排气。所有高加的汽侧启动排气和连续排气均接至除氧器。

高加为卧式U形管，半球形水室有椭圆形自密封人孔，#1，#3，#4高加的传热区段有过热蒸汽冷却段、凝结段和疏水冷却段3个传热区段，而#2高加的传热区段只有凝结段和疏水冷却段两个传热区段。

对于典型的超超临界二次再热机组的热力系统，除增加一套二次再热系统外，机组还需采用外置式蒸汽冷却器。外置式蒸汽冷却器有独立的加热器外壳，其位置布置灵活，给水温度的提高不是通过提高最高一级抽汽压力来实现而是利用抽汽过热度加热回热系统给水，提高锅炉给水温度，从而获得更高的经济性。

泰州发电公司#3机组设有10级非调整抽汽，其中1～4级抽汽分别向#1～#4高加供汽，抽汽参数见表1。

机组运行过程中，当抽汽过热度较大时，2，4级抽汽首先分别进入#2和#4外置式蒸汽冷却器，充分利用抽汽过热度来提高给水温度。抽汽放热接近饱和蒸汽状态后分别进入#2和#4高加。#2，#4外置式蒸汽冷却器分别串联在每列#1高加后。每列4级高加及外置式蒸汽冷却器采用给水大旁路系统，当每列中任一台高加或外置式蒸汽冷却器故障时，该列高加同时从系统中退出，给水能快速切换到该列给水旁路。高加系统布置如图1、图2所示。

此外，泰州发电公司#3机组还设置了邻机加热装置，1，3级抽汽母管中各接入一路来自一期老机组的抽汽管路。机组启动时，利用相邻运行机组的抽汽加热机组的给水，以完成热态冲洗和机组启动过程。这种设计方式有利于缩短启机时间，降低锅炉损耗，减少堵管造成的超温爆管。

图1 高加系统布置示意Fig．1 Arrangement of the high-pressure heater system

图2 高加系统简图Fig．2 Schematic of the high-pressure heater system

2 高加水位测量与控制

高加是火电厂内在最高压力下运行的设备，运行过程中，机组负荷突变、给水泵故障、旁路切换等引起的压力和温度的剧变都会给高加带来损害，给机组运行带来很大的安全隐患。高加水位过高容易使凝结水倒流回汽轮机缸内，造成汽轮机进水，对汽轮机转子、叶片造成损害，直接影响机组整体运行的安全性。因此，除了在设计、制造和安装时必须保证质量外，实际运行过程中必须加强对高加水位的测量和监视，保证高加水位能控制在正常范围内，确保高加系统长期安全运行。

2．1 高加水位测量

泰州发电公司#3机组高加水位测量采用导波雷达液位计。与差压法测量相比，导波雷达测量装置安装调试更加方便，可以消除负荷和真空度变化等因素对水位的影响，提高水位测量的精度。每台高加布置3套导波雷达水位测量装置，3组模拟量测量信号分别传送到分散控制系统(DCS)，经高低限报警器处理后得到高(低)一值、高二值、高三值开关量信号，用以实现高加水位报警和联锁保护;同时，对3组模拟量进行三取中及坏点质量判断等处理，用于高加水位显示与调节。

2．2 高加水位常规控制

系统正常运行时，每列高加的疏水均采用逐级自流方式，即靠上下两级高加汽侧的压力差，将疏水自动导入压力较低的下一级加热器，#4高加出口的疏水则自流到除氧器;各级高加还设有危急疏水管路，危急疏水直接排入凝汽器疏水立管，经扩容释压后排入凝汽器［3］。当机组运行异常，发生高加水侧解列时，控制逻辑超驰关闭正常疏水调节阀;当高加水位达到高二值或发生高加汽侧解列时，控制逻辑则超驰打开危急疏水调节阀，以防止水位进一步上升。

常规的高加水位自动控制系统是一个简单的单回路比例－积分－微分(PID)控制系统，水位设定值由运行人员手动设置，设定值和实际测量值的偏差送入PID模块进行运算，输出4～20 mA的电流信号，控制疏水门开度，实现高加水位的自动调节。如图3所示，实际生产运行过程中，受疏水阀门特性、机组运行状况等多因素影响，采用这种简单的控制策略控制效果较差，疏水阀门频繁动作，导致高加水位在设定值附近波动，有必要对控制策略进行优化。

图3 高加水位运行曲线Fig．3 Water level operation curve of high-pressure heater

3 高加保护解列策略

高加水位保护是大型汽轮发电机组的一项重要保护，由于运行过程中影响高加水位的因素较多，高加系统容易出现水位过高或过低等异常现象，给机组的安全运行带来隐患。为保证机组的安全性，高加系统必须能够快速准确地进行保护解列动作。根据现场高加系统结构布置的特殊性，设计了高加系统保护解列控制策略，当以下任一情况发生时，高加系统解列(分水侧解列和汽侧解列两种情况，如图4所示):(1)汽轮机跳闸;(2)发电机解列;(3)A(B)列任一高加水位达高三值(＞138 mm);(4)手动解列;(5)A(B)列液动三通阀全关。

3．1 水侧解列

高加系统任何一列发生水侧解列后，联锁关闭该列高加液动三通阀，水侧切换至旁路管道运行;同时，该列高加汽侧联锁关闭气动逆止阀和电动隔离阀。

为了避免由于测量信号不准确而导致高加系统保护误动，蒸汽冷却器水位高只作报警信号，不作联锁逻辑。

3．2 汽侧解列

图4 高加系统水侧解列条件Fig．4 Splitting condition of high-pressure heater water side

由于增加了两个外置式蒸汽冷却器，使得二次再热机组的高加系统汽侧解列保护逻辑比一次再热机组的复杂，A，B侧高加汽侧解列条件分别见表2、表3。根据工艺流程，二级抽汽先通过#2蒸汽冷却器后再分别送入A2，B2高加，由于#2蒸汽冷却器布置在A列高加，所以当A列高加水侧解列后，#2蒸汽冷却器水侧没有给水流通，#2蒸汽冷却器进汽电动阀关闭，联锁B2汽侧解列;同理，B列水侧解列后，#4蒸汽冷却器水侧没有给水流通，#4蒸汽冷却器进汽电动阀关闭，联锁A4汽侧解列。

表2 A侧高加汽侧解列条件Tab．2 Splitting condition of high-pressure heater steam side on side A

二级抽汽通过#2蒸汽冷却器后，由于A2和B2抽汽隔离阀前均未装设逆止阀，B2高加水位高时，为防止B2高加水位过高而导致凝结水倒流入抽汽管道，从而影响A2高加的安全投运，当B2高加水位达高三值时，#2蒸汽冷却器进汽电动阀关闭，联锁A2汽侧解列;同理，当A4高加水位达高三值时，#4蒸汽冷却器进汽电动门关闭，联锁B4汽侧解列。

表3 B侧高加汽侧解列条件Tab．3 Splitting condition of high-pressure heater steam side on side B

4 高加系统控制策略优化

某日，机组正常运行过程中，B2高加正常疏水调节阀在控制指令未变化的情况下突然全开，导致B3高加水位快速上升，达到高三值后B列高加解列。该过程中，B3高加正常疏水阀、危急疏水阀的开度变化，响应控制指令及超驰指令的速度正常，无动作迟缓现象。

此次事故暴露的主要问题是高加系统正常疏水阀水位调节速度慢，没能及时控制高加水位的快速上升，最终导致高加解列。泰州发电公司二次再热机组设计了凝结水节流辅助调频，当采用凝结水辅助调频时，为了防止除氧器水位下降过多而影响凝结水辅助调频的正常投运，需要增加高加系统至除氧器的正常疏水流量，保证除氧器水位在正常控制范围内。针对这些问题，结合设备的运行参数、疏水调节阀的控制特性以及运行人员的操作习惯，对高加系统控制策略进行以下优化。

(1)当下级容器水位高时(高加水位＞88 mm，除氧器水位＞500 mm)，超驰关上级高加正常疏水阀，以防止上级疏水阀异常开启导致下级水位过高，使得高加系统保护误动。

(2)高加水位≥88 mm时立即超驰开对应的高加危急疏水阀，取消原先的3 s延时，加快紧急情况下危急疏水阀的动作响应速度。

(3)凝结水节流辅助调频技术投入时，高加水位设定值在原手动设定值基础上自动减小10 mm，保证机组凝结水辅助调频技术的正常投用。

(4)当高加水位上升速度较快时，该高加正常疏水阀开度指令相应增大，提高疏水阀的动态响应特性。如图5所示，此前馈作用在高加水位＞45mm时才输出。

图5 高加水位控制逻辑优化Fig．5 Logic optimization of high-pressure heater water control

控制逻辑优化后，高加系统重新投入运行，正常工况下，系统进出水温度在正常运行范围内，疏水阀水位自动控制正常，水位变化平稳。对比图3和图6，在机组降负荷过程时，高加水位波动比控制逻辑优化前明显减小，疏水调节性能更为平稳，控制效果得到明显改善。

图6 逻辑优化后高加水位运行曲线Fig．6 Water level operation curve of high-pressure heater after logic optimization

5 结束语

结合泰州发电公司1 000 MW超超临界二次再热机组高加系统的运行特性，对高加系统控制策略进行了优化，保证了二次再热汽轮机组运行的可靠性和安全性。近几年来，国内陆续有多台二次再热机组投入建设，二次再热技术研究必定朝着深入的方向发展。为解决机组实际运行过程中遇到的问题，需对高加系统原有的调节和保护逻辑定期进行改进和完善，不断提高机组的安全性和经济性。