100 MW槽式太阳能光热电站旁路系统控制策略及应用

袁 博，路军锋

(1.中国电力工程有限公司，北京 100048；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

旁路系统在发电站的应用，早期其主要功能是为了辅助机组建立蒸汽循环，以适应机组容量的提升以及汽轮机对蒸汽参数要求，其功能比较简单，仅在100 MW以上大型电站机组上采用[1-2]。随着发电技术的进步和发展，发电厂对于机组的安全性、经济性要求逐步提高，旁路系统的功能不再仅仅单一应用于机组的启动控制，而是要综合考虑旁路系统在整个电站运行、事故状态下旁路的综合功能作用，设计人员对旁路系统功能的认识得到重视和提高，进而从设计上开始进行深度开发及实践，旁路系统得到广泛的应用[3]。旁路系统在机组启动过程、事故状态下对蒸汽参数的调节与控制，不仅满足了机组启动过程中蒸汽参数的要求，同时减少了事故状态下机组蒸汽参数超压风险、安全阀动作次数，缩短机组再次启动时间，对于提高机组安全性、经济性起到了重要的作用[4-7]。光热电站的旁路控制功能是否完善主要体现在以下几方面，一是机组的启动控制功能，能够适应机组不同状态的启动运行方式；二是对机组设备的超压安全保护，通过旁路控制能够实现对主蒸汽和再热蒸汽的超压安全保护；三是事故状态下通过快速的开启与控制，实现对主蒸汽压力和再热蒸汽压力的飞升控制以及压力变化速率控制，从而最大程度上保护机组设备的安全[8-9]。

某100 MW槽式导热油光热发电机组配置CCI公司气动高压旁路和低压旁路二级串联旁路系统，高压旁路及低压旁路容量均为100%容量，高压旁路系统包括高压旁路阀、高旁减温水阀和高旁减温水截阀；低压旁路系统包括低压旁路阀、低旁减温水阀和低旁减温水截阀。对于槽式太阳能光热电站，采用二级旁路控制系统不仅能满足机组启动要求，同时也能满足机组安全要求[10]。汽轮机配置西门子SST-600-CN+71/EL30型轴向排汽汽轮机，该汽轮机启动方式为全自动控制，启动过程中对于汽轮机每一级的差压控制有严格的限制。这不仅对主蒸汽压力和温度有较高的要求，同时对再热蒸汽的压力和温度也有较高的要求。本文重点介绍100 MW槽式导热油太阳能光热电站旁路的控制策略和关键控制点，同时对于旁路系统事故状态下开启阀门开度建立数学模型，并通过试验验证了数学模型计算的准确性。

图1 100 MW槽式太阳能光热电站汽水系统

1 旁路的控制及保护

1.1 高压旁路启动控制

槽式太阳能光热电站高压旁路的控制策略主要包括机组启动过程中的压力控制，机组冲转及并网带基本负荷时的压力控制以及机组并网后的压力控制，同时还需要考虑机组事故状态下快速甩负荷功能。其中高压旁路压力控制主要是通过带反馈的比例微分积分调节(proportion integral differential，PID)回路进行控制来实现的。高压旁路系统全过程实现自动控制，控制模式包括启动初期的最小开度模式控制，机组冲转时的最小压力模式控制，压力爬坡模式控制，定压模式控制，压力跟随模式控制以及差压模式(differential pressure,DP)控制。

a.最小开度模式

蒸汽发生器在启动过程初期，由于与蒸汽发生器换热的导热油流量较小，蒸汽发生器温度开始缓慢上升，当蒸汽发生器出口蒸汽压力逐渐增加到0.5 MPa时，为建立主蒸汽以及再热蒸汽管道的热力循环，使得蒸汽管道得到充分预暖，高压旁路需要开启最小阀门开度，当高压旁路的反馈值大于最小开度定值一定时间或者实际主蒸汽压力小于启动初期设定的压力低限(输入值)时，高压旁路进入最小开度模式。在此模式下，闭锁高压旁路压力调节阀PID输出值在10%。在此阶段，蒸汽发生器维持热负荷保持不变，高压旁路维持最小开度模式，进行主蒸汽管道和再热蒸汽管道的暖管。

b.最小压力模式

当主蒸汽管道和再热蒸汽管充分暖管后，且蒸汽过热度在40 ℃以上时，逐步增加蒸汽发生器导热油侧的流量，换热负荷逐步增加，主蒸汽压力开始缓慢升高，在主蒸汽压力小于汽轮机冲转压力时，高压旁路自动进入最小压力模式，在主蒸汽压力小于机组冲转压力时，高压旁路以0.005 MPa/s的压力变化率自动调整主蒸汽压力逐渐增加到最小压力设定值1 MPa。

c.压力爬坡模式

在主蒸汽压力达到最小压力后，旁路控制自动进入压力爬坡模式，在此模式下压力设定值只能增加，高压旁路压力目标控制设定值根据汽轮机转子的温度自动选择相对应的冷态、温态或者热态启动时的冲转压力值。在压力爬坡模式下，蒸汽发生器导热油流量进一步增加，直到主蒸汽压力达到冲转设定值。

d.定压模式

当主蒸汽压力达到汽轮机冲转压力时，高压旁路维持主蒸汽压力值恒定，汽轮机开始冲转，并网带基本负荷。

e.压力跟随模式

高压旁路在手动模式下或者并网完成后，高压旁路完全关闭，处于压力跟随模式。

f.差压模式

在汽轮机并网后，随着负荷的增加，旁路缓慢关闭，直到高压旁路阀位开度小于2%时，高压旁路自动进入DP模式，此时高压旁路阀的实际压力设定值为当前主蒸汽压力值加0.872 MPa，保证高压旁路在机组带负荷过程中始终处于关闭状态。

1.2 低压旁路启动控制

图2 再热蒸汽压力设定值选择

1.3 旁路控制保护功能

a.高、低压旁路温度保护

在机组启动前，高压主蒸汽通过高压旁路进入冷再管道，再热蒸汽则通过低压旁路进入空冷凝汽器中。由于冷再蒸汽管道设计允许最高温度为258 ℃，低压旁路出口至空冷凝汽器管道设计允许最高温度为138 ℃，因此在高、低压旁路运行过程中，高压旁路出口温度需要控制在258 ℃以内，低压旁路出口温度需要控制在138 ℃以内。当温度超过限定值时，高、低压旁路触发出口温度高高报警，为了避免蒸汽温度高而引起管道金属热应力超过设计值，高、低压旁路需要快速关闭。同时机组在运行过程中，汽轮机排汽温度需要控制在110 ℃内，因此在汽轮机排汽温度超过110 ℃时，低压旁路也需要快速关闭。

b.高、低压旁路压力保护

由于机组高、低压旁路容量均为100%容量且具有暖管热备用功能，因此高压旁路在主蒸汽压力超过限制值12.5 MPa时能够快速开启防止主蒸汽压力超压；而在再热蒸汽压力超过4 MPa时高压旁路快速关闭，再热蒸汽压力超过3.8 MPa时低压旁路快速开启，从而防止再热蒸汽管道超压；而在空冷凝汽器背压超过115 kPa时，低压旁路能够快速关闭，防止空冷凝汽器超压。

c.汽轮发电机组故障停机时的保护

100 MW槽式太阳能光热电站中，预热器、蒸汽发生器、过热器、再热器均为蒸汽或者水与导热油进行间接换热的换热器。在机组正常带负荷运行过程中，换热器中导热油流量高达5000 m3/h以上，在汽轮发电机组故障停机时，为了减小换热设备的热冲击，换热器热负荷变化应尽量小。对于配置100%旁路的光热电站，这种故障时的热冲击可以通过旁路的快速开启降到最低，通过旁路将蒸汽工质排放到空冷凝汽器中。

2 机组事故状态下旁路控制数学模型的建立

槽式太阳能光热电站蒸汽发生器、过热器以及再热器中导热油的蓄热能力较高，在机组事故跳机过程中，一方面要保证机组主、再热蒸汽压力不发生超压现象，另一方面，尽可能减小由于压力、温度的变化而导致关键换热设备的热冲击。因此非常有必要建立数学模型，研究不同负荷条件下机组事故跳闸时旁路的控制策略。

2.1 机组负荷与蒸汽流量的关系

在主、再热蒸汽温度为额定设计温度条件下，对不同负荷条件下主蒸汽流量与主蒸汽温度进行多项式拟合,得到主蒸汽流量与负荷的关系式为

0.000 156 983N

(1)

2.2 高、低压旁路特性曲线

高、低压旁路特性曲线数值见表1，由表1可见，高、低压旁路特性曲线数值基本一致，对阀门开度值及KV值进行拟合，得到高、低压旁路阀门开度值与KV的统一关系式。

表1 高、低压旁路特性曲线数值

(2)

式中：KV为高压(低压)旁路阀门特性曲线值，%；Y为高压(低压)旁路阀门的开度值，%。

2.3 高、低压旁路蒸汽流量及阀门特征值关系

事故状态下旁路开启，主、再热蒸汽将通过旁路进入空冷凝汽器中，为了减小压力变化而引起的对于蒸汽管道和换热器的冲击，要求旁路开启时主蒸汽压力变化尽可能小，即通过旁路的蒸汽流量和蒸汽发生器的蒸发量一致。其中流经高压旁路阀门的主蒸汽流量与旁路特征值可以通过式(3)表示。

QMSHP=KV·KVSHP·P/[509(0.031H-18.5)]

(3)

式中：QMSHP为流经高压旁路的蒸汽流量，m3/h;KVSHP为高压旁路阀门特性参数，为阀门在100%行程时，两侧差压为0.1 MPa时的流通能力，根据高旁计算说明，KVSHP=535 m3/h;P为蒸汽压力，MPa；H为蒸汽焓值，kJ/kg。

流经低压旁路阀门的主蒸汽流量与旁路特征值可以通过式(4)表示。

QMSLP=KV·KVSLP·P/[509(0.031H-18.5)]

(4)

式中：QMSLP为流经低压旁路的蒸汽流量，m3/h;KVSLP为低压旁路阀门特性参数，为阀门在100%行程时，两侧差压为0.1 MPa时的流通能力，根据低旁计算说明，KVSLP=1855 m3/h;P为蒸汽压力，MPa；H为蒸汽焓值，kJ/kg。

联合式(1)—(4)可以计算出机组故障甩去全部负荷，主蒸汽及再热蒸汽分别完全通过高压旁路及低压旁路进入凝汽器时的高、低压旁路阀门计算开度，计算结果如表2所示。

表2 不同工况甩去全部负荷条件下高、低压旁路的计算开度

2.4 动态试验验证

基于高、低压旁路阀门事故状态下数学模型计算结果，高压旁路阀门开度最小在56%以上，低压旁路阀门最小开度在65%以上。综合高低压旁路阀门开启时间在2 s左右，将高、低压旁路阀门事故状态下阀门开度值设定为100%，在机组负荷为60%负荷时进行验证。高压旁路阀门动作及主蒸汽压力动态扰动曲线如图3所示，低压旁路阀门动作及再热蒸汽压力动态扰动曲线如图4所示。

图3 高压旁路快速开启后主蒸汽压力动态扰动曲线

图4 低压旁路快速开启后再热蒸汽压力动态扰动曲线

由图3可见，高压旁路开启前主蒸汽压力为8.13 MPa，在机组60%负荷跳闸后，主蒸汽压力瞬间升高0.8 MPa，时间小于0.5 s，随后高压旁路完全开启，主蒸汽压力在8 min内降至6.83 MPa，主蒸汽压力下降速率为0.1625 MPa/min，主蒸汽压力开始下降。由图3可知，主蒸汽压力在高压旁路开启至60%左右时开始下降，与计算值相一致。

由图4可见，低压旁路开启前，再热蒸汽压力为1.78 MPa，在机组60%负荷跳闸后，再热蒸汽压力瞬间升高0.13 MPa，时间小于0.5 s，随后低压旁路完全开启，再热蒸汽压力降至1.45 MPa，再热蒸汽压力下降速率为0.043 MPa/min。由图4可知，再热蒸汽压力在低压旁路开启至70%左右时开始下降，与计算值一致。主、再热蒸汽压力参数的动态扰动过程变化平稳，满足机组事故状态下的安全要求。

3 结语

根据100 MW槽式太阳能光热电站旁路系统工艺特点及技术要求，对旁路系统的控制策略进行了分析和优化。同时对事故状态下旁路开度控制建立了数学模型，通过实际甩负荷试验验证了数学模型计算数据的准确性，将数学模型数据结果应用于事故状态下旁路的控制过程中，减小了主蒸汽压力、再热蒸汽压力的变化速率，进而减小了机组事故状态下由于蒸汽压力速率变化而引起的过热器、再热器换热设备的热应力冲击变化，延长设备使用寿命。旁路的启动控制策略及事故状态下的控制策略可供同类型机组旁路控制系统设计提供参考。