基于电机调速的回热小汽轮机转速控制策略研究

顾伟伟

(中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063)

0 引言

火力发电在我国的电力构成中占据了主导地位，而且在未来很长一段时间将依然保持着较高的比例，寻求高效低碳环保已经成为我国火力发电机组技术不断更新的动力。以一台功率为30万kW的燃煤机组为例，热效率每提高1%，每天即可节约燃料15～20 t标准煤。考虑到全国火力发电机组的总装机容量，提高热效率所带来的节能效果将是非常可观的。

火力发电过程可以简化成朗肯循环，提高机组蒸汽的初参数(初温度和初压力)可以有效提高机组的热效率。随着国内机组初参数的不断提高，机组热效率已达到40%以上，而初参数受现有材料影响已接近极限。为进一步提高机组热效率，机组回热系统的设计尤为关键。

汽轮机回热系统作为火电厂热力系统的核心部分，其运行效率对汽轮机设备运行经济性有很大影响。现有的大容量高参数机组多采用再热和回热技术以提高机组热效率。回热系统利用汽轮机抽汽加热给水，可以提高电厂的热效率，减少热损耗[1]。

针对高参数机组抽汽过热度较高、传热温差较大的问题，工程师们提出了一种回热小汽轮机。过热度较高的蒸汽在小汽轮机中做功，回热小汽轮机中过热度较低的蒸汽参与回热，使回热系统的效率更高。

为了进一步提高热效率，减少回热小汽轮机中的进汽节流损失，申松林等提出了一种新型的基于发电机调速的回热小汽轮机来改善回热系统，以进一步提高热效率，降低煤耗[2]。如何控制基于发电机调速的回热小汽轮机，以适应机组启动、运行和故障工况下的不同需求，尤其是正常运行期间变负荷工况的需求，是本文需要解决的问题。

1 回热小汽轮机系统

1.1 回热小汽轮机介绍

回热小汽轮机将再热冷段蒸汽作为汽源做功，同时小机中过热度较低的抽汽和排汽作为加热器的汽源，可减少加热器中的不可逆损失，提高机组热效率。回热小汽轮机还可带动给水泵或风机运行以提供用户用水或用风，类似于常规的汽动给水泵和汽动风机。如图1所示展示了回热小汽轮机带给水泵运行的配置图，回热小汽轮机的抽汽和排汽可以作为加热器或热网的汽源，抽汽级数可选。

图1 回热小汽轮机带给水泵运行配置图

与常规汽轮机抽汽加热给水相比，回热小汽轮机抽汽和排汽的过热度较低，可有效降低回热加热器的传热温差，提高机组效率；与常规电动给水泵(或电驱动风机)方案相比，回热小汽轮机带给水泵减少了蒸汽做功发电再驱动给水泵的环节，减少了过程损耗，且减少了厂用电率；与常规汽动给水泵机组相比，主汽轮机高压段的蒸汽流量增大、低压段的流量减小，使汽轮机的结构更为合理，同时可减小锅炉再热器换热面积。

1.2 回热小汽轮机的控制方式

为实现功率平衡并使给水泵转速可调，小汽轮机进汽入口设调节阀。回热小汽轮机的转速可以通过调节小汽轮机入口调节阀的开度来控制，控制回路可选择简单的单闭环比例积分微 分 (proportional integral and differential，PID)控制，如图2所示。转速的指令和反馈偏差经过PID调节器形成调阀开度指令，驱动小汽轮机系统加减速，以满足转速指令要求。

图2 回热小汽轮机转速控制框图

1.3 配回热小汽轮机的二次再热机组热力系统

一种新型的配回热小汽轮机的二次再热机组热力系统，其原则性系统图如图3所示。主蒸汽经高压缸做功后进入再热器1再热，然后再进入中压缸做功，做功完的低过热度蒸汽经再热器2再热后进入中压缸2和低压缸做功，排汽进凝汽器。配回热小汽轮机的回热系统利用再热前的蒸汽，驱动背压抽汽小汽轮机与给水泵组等，从小汽轮机中抽汽，利用过热度较低的小汽轮机抽汽和排汽，通过加热器来加热(除氧)凝结水和给水，与现有热力系统相比：

图3 配回热小汽轮机的二次再热机组原则性系统图

1) 由于抽汽温度低，可提高热力循环效率；

2) 由于抽汽温度低，也降低了相关抽汽管道、阀门、加热器的材料等级，节约了管道、阀门及设备的制造成本；

3) 小汽轮机汽源为高压缸或中压缸排汽，这部分蒸汽将不再进入再热系统，可显著减少进入再热器的蒸汽流量，减少再热器的换热面积，从而降低再热系统的造价。

图3中的原则性系统图分别以高压缸排汽和中压缸排汽作为汽源来驱动两台小汽轮机，代表着二次再热机组有两个蒸汽来源可以作为小汽轮机的汽源，体现了小汽轮机和被驱动装置可配置数量的能力。实际中由于多机组协调会增加系统的控制难度，小汽轮机一般只配置一台用于驱动给水泵装置和抽汽回热，降低了系统的复杂性和协调控制的难度。

2 基于发电机调速的回热小汽轮机控制策略

2.1 基于发电机调速的回热小汽轮机

为满足夏季机组满发，小汽轮机的额定出力通常比给水泵的额定出力大，而给水泵的额定出力比机组额定负荷所需要的出力大，故小汽轮机的额定出力有较大裕量。因此，在满负荷运行时，小汽轮机的进汽阀就需要进行节流。而在变负荷工况下，较低的机组负荷意味着较低的回热小汽轮机出力，小汽轮机的进汽阀开度将进一步减小，造成了较大的节流损失。为减小这部分的节流损失，提高机组效率，尽量保证进汽阀在较大开度下运行是必须的。同时，多余的这部分功率需要得到消纳，且能满足在不同工况下小机转速可调的需求，基于发电机调速的回热小汽轮机应运而生，如图4所示。

图4 基于发电机调速的回热小汽轮机配置图

通过调节发电机出力来控制小汽轮机转速，使小汽轮机进汽阀保持较大开度或全开，减少节流损失，也能满足不同工况下泵或者风机的不同负荷需求。同时能充分利用小汽轮机的出力，通过发电机向厂用电网供电，减小厂用电率，提高电厂的售电收益。

2.2 发电机的选择、配置方式和控制需求

发电机、小汽轮机和给水泵等负载同轴布置或通过变速器联接达到转速匹配，通过调节发电机转速可以实现调节给水泵等负载的负荷，满足发电厂变负荷运行的需求，抽汽和排汽依然可以作为加热器或热网的热源。由于变负荷运行带来的发电机变转速运行，永磁同步电机不适用于这种工况，发电机根据不同的应用条件可以采用直流发电机、异步发电机和双馈发电机。

直流发电机控制简单，运行稳定，适用于设有直流厂用电的场所，在电厂中应用较少，也可以将直流变为交流后接入交流厂用电系统，但是增加了逆变器，系统较为复杂，不适合本工况。异步发电机发出的电可以接入交流厂用电系统或其它电力系统，在电厂中应用广泛，但是需配置全功率变流器，对变流器的功率等级要求较高；双馈发电机具有灵活的运行方式，变流器的功率等级相对要小一些，在风力发电、抽水蓄能电站中应用较为广泛。

由于异步电机的运用广泛，控制可靠，在电厂的技术革新中具有较高的可靠性，而双馈电机的应用时间相对较短，且控制较为复杂，因此选择异步电机加全功率变流器的配置方案。对异步电机加全功率变流器的控制策略需要解决：

1) 在正常运行工况下满足负荷对水泵的转速要求，通过变流器调节电机转速达到匹配，同时将小汽轮机多余的功率发电上网；

2) 在启动工况无汽源时的启动上水问题；

3) 在异步电机加全功率变流器故障时的系统响应。

2.3 基于异步电机加 全功率变流器调速的回热小汽轮机控制策略

异步电机的数学模型是一个多变量、强耦合的结构，转速闭环控制可以通过旋转变换进行降阶，并通过磁链观测器对数学模型进行完全解耦[2]。

如图5所示，为在按转子磁链定向的旋转坐标系下的磁链观测模型，通过对异步电机三相定子电流和电机转速的检测，可以计算得到转子磁链φr和位置θ的观测值，此位置观测值θ可以作为Park变换的输入。通过对转子磁链和位置的解耦，可以实现异步电机转速的闭环控制。

图5 磁链观测器原理图

如图6所示，为异步电机转速控制的控制策略框图，采用双闭环控制。转速外环采用PI控制，满足转速指令的快速响应，内环采用电流闭环PI控制，改善转速控制的动态特性；磁链外环同样也采用PI控制，使磁链尽量保持恒定，保证能够产生较大的动态转矩，内环采用电流闭环保证磁链调节的动态特性。通过对磁链和位置的观测，解耦转速闭环和磁链闭环，使得带除法环节的矢量控制系统可以看成是两个独立的线性子系统，可以采用经典控制理论的单变量线性系统工程设计方法来设计自动速度调节器(automatic speed regulator，ASR)和自动磁链调节器AφR。

图6 异步电机的转速控制框图

异步电机的转速指令与反馈偏差，经ASR调节后生成转矩指令Te*，经解耦计算后得到T轴电流指令；磁链指令与反馈偏差经AφR调节后生成M轴电流指令。T轴和M轴的电流指令与反馈进行PI调节后生成T轴和M轴的电压指令，经Park逆变换后得到静止坐标系下的电压矢量指令，通过空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation，SVPWM)调制后得到变流器的驱动信号，驱动变流器动作。

通过转速和磁链闭环控制的异步电机加全功率变流器，使得回热小汽轮机避免进汽节流损失成为可能，带回热小汽轮机的机组效率进一步提高。变流器调节的异步电机能快速响应系统对给水泵转速变化的需求，异步电机通过全功率变流器并入厂用电网，可以减少厂用电率提高售电收益，使得电厂的经济效益进一步增加。

2.4 启动和故障情况的控制策略

在机组启动阶段，如果无汽源驱动回热小汽轮机，无法实现给水泵上水，异步电机可以工作于电动模式从电网取电驱动给水泵，回热小汽轮机单纯作为传动轴工作，系统无需额外设置启动锅炉或启动给水泵。启动阶段的调速策略与前文一致，只是能量从厂用电网侧到电机侧。

当全功率变流器检测到故障时(如开关管过热、开关管短路、驱动无反馈等)，全功率变流器可以封锁驱动退出运行，同时将故障信号反馈给主控，主控通过调节进气阀开度来调节给水泵转速，避免变流器故障对整个系统的影响。

小汽轮机的进气阀电液控制可以作为后备控制，正常情况下由异步电机加全功率变流器实现转速调节。

3 结语

回热小汽轮机带发电机的技术方案可以进一步减少小汽轮机节流损失，提高回热系统的热效率。尤其在高参数大容量机组中，回热小汽轮机能发挥更大的效率优势，进一步降低煤耗，符合国家节能减排战略。本文针对回热小汽轮机带异步电机加全功率变流器的技术方案，提出适用于本系统需求的回热小汽轮机转速控制方法，使回热小汽轮机能按机组需求运行。小汽轮机进汽阀可全开或大开度工作，降低节流损失；厂用电网和回热小汽轮机之间能量可双向流动，厂用电网可以驱动回热小汽轮机带给水泵运行，回热小汽轮机多余功率也可以发电上网，减少厂用电率，增加售电收益；回热小汽轮机转速可调，满足系统的变负荷需求。