超超临界二次再热机组旁路控制策略设计及应用

张天海， 殳建军， 王 骏， 高爱民， 于国强

(江苏方天电力技术有限公司, 南京 211102)

超超临界火电机组一般采用中间再热式热力系统，按一机一炉的单元配置。通常由于汽轮机和锅炉特性差异较大，因此机炉的匹配问题成为机组生产运行过程中的难点之一。在中间再热机组上设计旁路系统，能够有效解决单元机组机炉运行不匹配等问题。二次再热火电机组的系统结构与一次再热火电机组相比有很多不同之处，机组旁路系统也更为复杂。设计配置功能完善的旁路系统以及相应的控制策略，对提高二次再热火电机组运行的安全性和经济性起着重要作用。

笔者根据某超超临界二次再热机组旁路系统特点，设计了旁路系统全程自动控制策略，并结合660 MW超超临界二次再热汽轮机运行特点，对该旁路控制策略进行优化，以保证机组安全稳定运行。

1 旁路系统功能及组成

汽轮机旁路系统的作用主要是为汽轮机提供一条旁路通道，适时地平衡锅炉的产汽量和汽轮机的耗汽量，改善整机启动条件及机组不同运行工况下带负荷的特性。对于高参数、大容量的二次再热火电机组，为了协调机炉运行，适应电网快速升降负荷的要求，增强机组的灵活性，应根据机组锅炉和汽轮机等设备的设计布置及运行方式、对参数的要求等方面，设计配置功能完善的旁路系统以及相应的控制策略。

某电厂660 MW超超临界二次再热机组凝汽式汽轮机设计为单轴、五缸四排汽，采用全周进汽滑压运行方式，同时采用了补汽阀技术。旁路系统设计为高、中、低三级串联旁路，包含高压旁路一路、中压旁路一路、低压旁路两路，具体见图1。

图1 旁路系统示意图

1.1 各级旁路管道和阀门

旁路阀是旁路系统中完成减压、减温和流量调节的主要部件，主要包括旁路压力调节阀和旁路温度调节阀。高压旁路设置在锅炉侧，采用40%锅炉最大连续蒸发量(BMCR)容量的旁路系统，从锅炉出口主蒸汽支管上接出，经过高压旁路阀(主要控制压力)减温减压后接入锅炉侧的一次冷再热蒸汽支管(减温器前)。高压旁路阀的减温水来自高压给水。中压旁路和低压旁路设置在汽轮机侧，中压旁路容量按启动工况主蒸汽流量加高压旁路减温水设置，从汽轮机侧的一次热再热蒸汽管道接出，经过中压旁路阀减温减压后接入汽轮机侧的二次冷再热蒸汽母管(逆止阀后)。中压旁路阀的减温水来自给水泵一次中间抽头；低压旁路总容量按中压旁路容量加中压旁路减温水设置，从汽轮机侧的二次热再热蒸汽管道接出，经过低压旁路阀减温减压后接入凝汽器喉部。低压旁路阀的减温水来自凝结水[1]。

1.2 旁路阀的执行机构系统

为提高压旁路阀的动作速度和定位精度，设计采用电液执行机构。各级旁路装备2台液动执行器的供油油站，当旁路系统液压油压力低于13 MPa时，备用油泵联锁启动，30 s内系统油压迅速达到工作油压16 MPa后联锁停止备用泵。油站蓄能器所储能力，能够在其电源故障的情况下，仍能提供足够的液压动力，使旁路系统所有阀门完成1～2次全行程开或关。

2 旁路系统控制策略

超超临界二次再热机组旁路系统的控制策略，根据机组本身设备结构特点进行设计。旁路系统控制主要包括旁路蒸汽压力控制、旁路蒸汽温度控制和旁路超驰保护功能。

2.1 高压旁路压力控制

在机组各种工况下(冷态、温态、热态和极热态)，汽轮机启动时，投入旁路系统控制蒸汽参数，能够控制蒸汽压力稳定在汽轮机启动压力，保证蒸汽温度与汽轮机汽缸金属较快相匹配，从而缩短机组启动时间，同时也起到回收工质的作用，提高运行的经济性。由于高压旁路设计为40%BMCR容量，为保证旁路系统的运行安全，机组正常运行并网带负荷后，随着锅炉侧燃料量的增加，高压旁路阀开度逐渐减小直至关闭。当机组负荷超过165 MW后，高压旁路阀始终处于全关状态，当机组运行异常、过热器超压时，通过锅炉侧过热器安全阀快开实现主蒸汽泄压溢流，防止主蒸汽压力超过安全值。高压旁路控制主要分为4个模式：点火模式为A1模式、最小阀位模式为A2模式、升温升压模式为A3模式、滑压跟踪模式为B模式。

2.1.1 A1模式

锅炉点火，有任一煤层投入，高压旁路控制进入A1模式，此时高压旁路阀保持全关，高压旁路压力设定值跟踪实际主蒸汽压力。此模式避免了在点火初期锅炉蓄热流失，使主蒸汽压力逐渐累积升压到一定值。

2.1.2 A2模式

A1模式下满足以下任一条件时，转为A2模式：(1)锅炉点火10 min后；(2)点火时主蒸汽压力已大于最大允许冲转压力(12 MPa)；(3)点火后锅炉累计升压超过0.1 MPa。

A2模式又称为阀位跟踪模式，高压旁路压力设定值跟踪实际主蒸汽压力。在A2模式初期，高压旁路阀开度从全关位置以一定的速率开大至阀位控制下限，A2模式下高压旁路阀开度下限根据启机时的状态自动设置，具体见表1。

表1 A2模式启动参数

通过设定阀门开度下限，使高压旁路阀始终保持一定的开度，保证锅炉有一定的蒸汽流量，防止再热器干烧，同时又避免了在点火初期锅炉蓄热过多流失，使锅炉能够尽快升温升压。冷态启动时，高压旁路阀开至最小阀位后，保持此开度升压至0.5 MPa，随着压力上升，高压旁路阀位缓慢开至A2模式开度上限，开始定阀位升压[2]。

2.1.3 A3模式

A2模式下，主蒸汽压力达到冲转压力设定值，发电机未并网且高压旁路阀指令大于29%，高压旁路控制进入A3模式。A3模式分为：(1)升温升压至汽轮机冲转压力；(2)保持冲转压力，汽轮机冲转到3 000 r/min；(3)机组并网至高压旁路阀全关。进入A3模式后通过高压旁路压力控制回路维持阀前压力至汽轮机冲转压力，高压旁路阀位开度上限释放至100%，保留高压旁路阀门开度下限，下限为主蒸汽温度的函数，具体见图2。

图2 A3模式下高压旁路阀开度下限

2.1.4 B模式

机组并网后，释放A3模式阀位控制下限，此时随着锅炉侧燃料量的增加，主蒸汽压力上升，高压旁路阀开度逐渐减小，当高压旁路阀开度小于5%时，汽轮机已经接收了锅炉所产生的全部蒸汽，高压旁路控制转为B模式。与100%BMCR容量二次再热机组高压旁路系统不同，40%BMCR容量旁路系统在高负荷时无超压溢流功能，B模式下高压旁路的压力设定值会在实际主蒸汽压力基础上叠加一定的偏置量，使得旁路设定值始终大于实际压力，保证高压旁路可靠关闭。

2.2 中压旁路压力控制

锅炉点火后中压旁路控制进入A1模式，关闭中压旁路阀。在高压旁路控制进入A2模式且高压旁路阀开度大于3%后，中压旁路控制进入A2模式，中压旁路压力设定值从当前一次再热蒸汽压力按照0.05 MPa/min的速率变化到0.55 MPa，同时为了保证一级再热器有一定蒸汽流量，且保证升压泄压速率与锅炉热负荷匹配，将中压旁路阀开度上、下限分别设定为50%、10%。

随着锅炉热负荷的增加，当中压旁路阀开度大于49%且高压旁路控制已进入A3模式时，中压旁路控制进入A3模式，中压旁路目标压力设定值以0.1 MPa/min速率从0.55 MPa升压至2.5 MPa，该模式下释放中压旁路阀开度上限至100%，保留阀门开度下限为10%。

在机组并网后，取消中压旁路控制A3模式阀门开度下限。A3模式下，当高压旁路阀开度小于3%、中压旁路阀开度小于6%后，中压旁路控制进入B模式。在B模式下，采用一次再热蒸汽实际压力叠加2 MPa作为中压旁路压力设定值，保证在该模式下中压旁路阀始终关闭。

2.3 低压旁路压力控制

低压旁路压力控制策略除控制目标压力不同外，与中压旁路压力控制基本一致。低压旁路控制分为两路，A、B两侧采用相同的控制策略，相互独立控制，具体见表2。

表2 低压旁路控制模式

2.4 旁路温度控制

高、中压旁路温度控制(见图3)均采用基于阀后温度的单回路控制策略。

图3 旁路温度控制图

通过调节旁路减温水调节阀开度，控制各级旁路阀后温度，防止一次、二次再热器超温或者由于旁路出口带水而导致阀后管道及设备损坏。每级旁路喷水管路还设有1个液动截止阀，防止因调节阀泄漏，而导致旁路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。

为提高旁路温度控制的响应速率，将旁路阀位与阀前压力乘积作为前馈信号引入温度控制器，控制喷水减温调节阀随着旁路阀打开，能够不受温度测量延时的影响而尽快开启，提高旁路温度控制效果。

由于低压旁路阀后蒸汽一般都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 2 000 kJ/kg 以上，蒸汽进入饱和状态后，在直到出现过冷前，减温喷水对低压旁路阀后温度都将不产生影响，采用基于阀后温度的单回路控制效果并不明显，因此低压旁路温度控制采用焓值决定阀位的控制策略[3]。该控制策略设计原理主要是根据能量守恒原理，由蒸汽流过低压旁路阀降低的热量折算出低压旁路需要的减温水量，然后根据减温水调节阀的流量-阀位特性，得出减温水调节阀的开度。

2.5 旁路保护功能

2.5.1 旁路快关

机组正常运行过程中，各级旁路阀均全部关闭。任何工况下，机组主燃料跳闸(MFT)锅炉熄火时，旁路阀均保持关闭状态，锅炉进入闷炉保压状态。

为防止再热器和凝汽器超温、超压，该旁路系统设计了旁路快关功能，表3为旁路快关条件，快关条件满足后触发超驰关电磁阀指令，同时将各级旁路阀调节指令超驰置为0。

表3 旁路快关条件

2.5.2 旁路快开

当机组在低负荷段(机组负荷小于99 MW)正常运行，若发生汽轮机跳闸或者发电机跳闸，且锅炉未触发MFT熄火时，各级旁路阀超驰快开，同时各级旁路控制由B模式转换为A3模式，维持各级蒸汽压力在冲转压力，等待汽轮机重新启动。表4为二次再热机组旁路快开条件对比，C模式为汽轮机跳闸但锅炉不跳闸模式。

表4 二次再热机组旁路快开条件对比

3 应用及优化

3.1 旁路系统应用

旁路系统自投运以来，机组多次启停及长时间运行情况表明，该旁路控制策略能够满足机组在启动、停止和事故工况下对旁路系统的控制要求，特别在机组启动过程中，通过热力循环加快了蒸汽参数的提高，缩短了启动过程时间。旁路系统全程自动控制的运用，减少了运行人员在汽轮机冲转、并网过程中的人工操作，保证汽轮机的各项冲转参数控制在稳定的范围内，提高了运行的经济性。

图4为高压旁路冷态启动参数。

图4 高压旁路冷态启动参数

3.2 协调控制优化

3.2.1 主蒸汽压力控制模式切换

该二次再热汽轮机组数字电液(DEH)控制系统采用西门子SPPA-T3000分散控制系统(DCS)，通过DEH控制系统中汽轮机自启动顺控实现汽轮机自动启动。在汽轮机冲转过程中，高压旁路控制处于A3模式，控制主蒸汽压力维持在冲转压力。机组并网后，随着锅炉侧燃料量增加，主蒸汽压力上升，高压旁路阀逐渐关闭，当高压旁路阀开度小于5%时，汽轮机已经接收了锅炉所产生的全部蒸汽，此时汽轮机自启动顺控接收到高压旁路阀关闭信号，DEH控制系统从限压控制方式转为初压控制方式，通过调节汽轮机调节阀开度来控制主蒸汽压力，汽轮机启动歩序完成，机组处于汽轮机跟随(TF)运行方式。

3.2.2 汽轮机切缸时旁路控制模式切换

机组并网后，维持初始负荷66 MW运行，旁路系统阀门均已全部关闭。升速、定速、低负荷及甩负荷工况下，流经汽轮机(超)高压缸蒸汽流量过低可能引起(超)高压缸末级叶片鼓风发热，导致叶片的热应力和差胀增大。根据DEH控制系统控制逻辑，如果(超)高压缸排汽温度过高，首先会启动(超)高压缸排汽温度限制器，减小中压调节阀的开度，减少中压缸的进汽量，增大(超)高压缸的进汽量；如果(超)高压缸排汽温度进一步上升，则关闭(超)高压调节阀，打开(超)高压通风阀，将(超)高压缸抽真空，汽轮机切除(超)高压缸运行；如果(超)高压缸排汽温度继续升高，超过跳机限制值时，将发出停机信号，遮断机组。图5为汽轮机(超)高压缸排汽温度。

图5 汽轮机(超)高压缸排汽温度

由于超高压缸高压轴封溢流至高压缸平衡鼓后作为冷却汽源，该管路无逆止阀，因此当超高压缸和高压缸任一排汽温度达到高二值(切缸值)时，同时触发超高压缸、高压缸切缸程序，关闭超高压、高压缸调节阀，切除超高压缸和高压缸。汽轮机切缸发生后，若不及时打开高压旁路阀和中压旁路阀，会导致主蒸汽和一次再热蒸汽阻塞，延时10 s后触发锅炉再热器保护动作，机组MFT。而旁路系统B模式下始终保持旁路阀关闭且无超压溢流功能，因此当汽轮机切缸后，必须及时将高、中压旁路阀开启，防止锅炉再热器干烧。

为了减少在低负荷工况时机组误跳闸的风险，根据汽轮机运行方式特点，对旁路系统控制策略进行了优化。增加4路DEH控制系统与DCS旁路控制系统的硬接线信号，将汽轮机超高压、高压缸切缸信号及时送至旁路控制系统，在汽轮机切缸后迅速将旁路控制模式由B模式切换至A3模式，超驰打开高中压旁路阀，防止锅炉再热器干烧。旁路系统控制模式切换后， DEH控制系统侧控制自动切为限压控制方式，通过高压旁路阀控制主蒸汽压力，维持机组稳定运行。

当机组负荷大于66 MW，超高压缸排汽温度恢复至正常温度范围时，DEH控制系统中超高压缸并缸顺控程序自动激活，将超高压缸调节阀和主汽阀重新打开，同时关闭超高压通风阀，使超高压缸投入运行。

超高压缸并缸顺控程序完成后，延时2 min自动激活高压缸并缸顺控程序，使汽轮机恢复到正常三缸运行方式。DCS旁路控制系统接收到DEH控制系统并缸完成信号后，自动将高、中压旁路A3模式的阀位开度下限设置为0，使得旁路阀开度能够随着锅炉燃料量的增加而逐渐减小至全关，旁路系统控制重新切回到B模式，机组重新恢复正常运行。

4 结语

通过对40%BMCR旁路容量超超临界二次再热机组旁路控制策略进行研究，提高了二次再热机组运行经济性，降低了机组跳闸的风险，保障了机组稳定运行，旁路系统全程自动控制的投入，减轻了运行人员的操作任务，为运行人员提供了便利。

与旁路100%BMCR容量机组相比，40%BMCR容量旁路系统在机组启动、低负荷运行时作用更为明显，因此笔者研究的控制策略仅适用于旁路40%BMCR容量超超临界二次再热机组，但仍为后续旁路100%BMCR容量超超临界660 MW二次再热机组旁路系统控制策略设计提供了参考。