雙機回?zé)嵯到y(tǒng)小汽機儀控設(shè)計及控制策略研究

林侃，梁石，劉宇穗，王曉雄

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州 510663）

隨著我國能源形勢不斷緊張，火力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和機組參數(shù)的不斷提高［1］，機組蒸汽溫度、壓力和抽汽過熱度越來越高，通過進(jìn)一步提高機組性能是降低發(fā)電煤耗、提高節(jié)能減排效果的有效手段［2］。從20世紀(jì)90年代末開始，包括歐盟、日本、美國和中國在內(nèi)都開始制定長期的700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展計劃［3］。歐洲“Therrmie 700計劃”的目標(biāo)是使下一代超超臨界機組的蒸汽參數(shù)達(dá)到37.5 MPa/700℃/700℃，從而效率可達(dá)52%～55%［4］。為了適應(yīng)這種高參數(shù)的工況，所要求的系統(tǒng)設(shè)備材料特性、等級要求會不斷提高，相應(yīng)的采購和制造費用將不斷增加。為此，丹麥Dong Energy公司提出并采用的MC（master cycle）系統(tǒng)［5］，國內(nèi)的相關(guān)研究機構(gòu)也提出了一種雙機回?zé)岬姆桨福和ㄟ^增設(shè)一臺高參數(shù)、大功率的抽汽背壓式小汽輪機來替代常規(guī)的給水泵小汽輪機，同時汽輪機中壓缸不再設(shè)置回?zé)岢槠鄳?yīng)的各級回?zé)岢槠尚∑啓C引出，這樣可以大大降低了抽汽的蒸汽溫度，從而降低了工程造價，提高了安全性。

給水控制調(diào)節(jié)回路的目的是控制包括噴水量在內(nèi)的鍋爐總給水流量，以滿足當(dāng)前鍋爐輸入指令，在給水主控邏輯中實現(xiàn)鍋爐給水流量閉環(huán)調(diào)節(jié)［6］?，F(xiàn)有的給水泵汽輪機僅僅是通過控制泵的轉(zhuǎn)速來滿足鍋爐給水的需求，而抽汽背壓回?zé)嵝C的引入，原有熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變動，使用抽汽背壓式小汽輪機代替給水泵小汽輪機，與回?zé)嵯到y(tǒng)的耦合性較強，而同時必須保證小汽輪機輸出功率與給水泵所需功率之間的匹配［7］，且背壓不穩(wěn)定因素較多，運行過程中背壓的波動范圍相對常規(guī)背壓機要大［8］，與傳統(tǒng)的給水泵汽輪機的控制方式有很大的區(qū)別。本文針對雙機回?zé)嵯到y(tǒng)架構(gòu)下的回?zé)嵝C控制，提出一種控制策略，使得小汽機在控制過程中能同時滿足給水轉(zhuǎn)速的要求和抽汽、排汽的協(xié)調(diào)要求。該控制策略已在某超超臨界1 000 MW機組中成功應(yīng)用，機組目前運行穩(wěn)定，對后續(xù)類似工程的實施具有參考意義。

1 雙機回?zé)嵯到y(tǒng)介紹

回?zé)嵝C是用于雙機回?zé)嵯到y(tǒng)機組中的變轉(zhuǎn)速、抽汽背壓式、給水泵汽輪機，用于驅(qū)動超超臨界1 000 MW等級汽輪發(fā)電機組的全容量汽動給水泵。當(dāng)主汽輪機組負(fù)荷的變化，鍋爐蒸發(fā)量隨之變化，給水流量亦將發(fā)生變化。回?zé)嵝C通過調(diào)節(jié)進(jìn)汽流量來控制轉(zhuǎn)速，從而改變輸出功率，以滿足主汽輪機組在不同工況下鍋爐的給水需求。只有當(dāng)回?zé)嵝C的轉(zhuǎn)速滿足當(dāng)時汽動給水泵負(fù)荷的要求時，系統(tǒng)才能處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。圖1是某超超臨界1 000 MW機組雙機回?zé)嵯到y(tǒng)方案的配置簡圖：

圖1 某超超臨界1 000 MW機組雙機回?zé)嵯到y(tǒng)方案Fig.1 A scheme of double-turbine regeneration system for a ultra-supercritical1 000 MW unit

該系統(tǒng)的回?zé)嵝C額定功率為40 MW，進(jìn)汽汽源為主汽機的高壓缸排汽，采用3抽1排的功率平衡方案，即設(shè)有三段抽汽，分別供汽給#3高壓加熱器、#4高壓加熱器、除氧器，排汽進(jìn)入#6低壓加熱器。當(dāng)汽量不足的時候，可以從中壓缸抽汽補充，當(dāng)汽量多余時，則溢流到7#低加。

1.1 系統(tǒng)的閥門設(shè)置

為了保證回?zé)嵝C在各工況的安全可靠和經(jīng)濟地運行，需要在相應(yīng)的管路上配置相應(yīng)的閥門，主要有以下6類：

1）回?zé)嵝C進(jìn)汽主汽閥和調(diào)節(jié)閥。

2）回?zé)岢槠嬷归y和隔離閥。

3）排汽逆止閥。

4）溢流和補汽閥。

5）排汽旁路閥。

6）排汽安全閥。

具體的閥門設(shè)置詳見表1閥門配置表：

表1 閥門配置表Tab.1 Valve configuration table

其中因為回?zé)嵝C采用了功率平衡的配置，即回?zé)嵝C出力與給水泵耗功平衡，排汽進(jìn)入#6低壓加熱器。在一定的排汽壓力下，排汽過剩時溢流至#7低壓加熱器，排汽不足時從主汽輪機中壓缸抽取蒸汽補充至#6低壓加熱器，因此在回?zé)嵝C排汽端設(shè)置了溢流調(diào)節(jié)閥和#6低加補汽調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)這兩個閥門的開度，可以改變回?zé)嵝C的背壓值，該部分的控制策略詳見2.4章節(jié)的背壓控制策略。

1.2 系統(tǒng)測點的設(shè)置

為了能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)有效的監(jiān)控，回?zé)嵝C和其相應(yīng)的管道上必須設(shè)置相應(yīng)的儀表測點，監(jiān)視相關(guān)的重要參數(shù)和狀態(tài)，以下對雙機回?zé)嵯到y(tǒng)汽機本體的和管路上的儀表設(shè)置進(jìn)行介紹。

1.2.1 本體監(jiān)視儀表設(shè)置

為了確保機組運行安全。在回?zé)嵝C本體前、后軸承座內(nèi)配備了相關(guān)監(jiān)測儀表，與傳統(tǒng)的汽輪機配置類似，本部分測點由汽機廠配供，在前、后軸承座內(nèi)安裝的監(jiān)測儀表有轉(zhuǎn)速、偏心、軸向位移、軸振、鍵相、轉(zhuǎn)子熱脹、缸脹等7種傳感器。

1）轉(zhuǎn)速

共配備7個轉(zhuǎn)速傳感器，前軸承座3個、后軸承座4個，其中6個轉(zhuǎn)速探頭送入回?zé)嵝C控制系統(tǒng)MEH監(jiān)控，1個接現(xiàn)場轉(zhuǎn)送表，用于測量機組轉(zhuǎn)速，防止機組因超速而損壞。

2）偏心

配備有1個偏心傳感器，安裝于前軸承座內(nèi)的探頭支架上。用于測量轉(zhuǎn)子在運行與安裝時的偏心情況，避免因過大的轉(zhuǎn)子偏心使轉(zhuǎn)子在運行時振動過大，從而保證機組的安全運行。

3）軸向位移

配備3個軸向位移傳感器，安裝于前軸承座內(nèi)的探頭支架上，用于監(jiān)視推力瓦燒瓦情況。

4）軸振

配備2個軸振傳感器（X向和Y向），安裝于軸承座上蓋靠近徑向軸承的地方，用來監(jiān)視轉(zhuǎn)子在運行中軸振動的情況。

5）鍵相

配備1個鍵相傳感器，安裝于后軸承座內(nèi)的盤車大齒輪罩殼上。通過鍵相信號配合振動，偏心等其他信號，監(jiān)測發(fā)生振動或者偏心所在的相位。

6）轉(zhuǎn)子熱脹

配有1個轉(zhuǎn)子熱脹傳感器，安裝于后軸承座內(nèi)的盤車大齒輪罩殼上，用來監(jiān)視轉(zhuǎn)子在熱態(tài)下的膨脹。

7）缸脹

配備1個缸脹傳感器，安裝于后軸承座缸脹支架，用以監(jiān)測汽缸在熱態(tài)下的膨脹情況，因為本機為落地式軸承座，軸承座不會隨汽缸的熱脹而一起移動。因此要監(jiān)測機組的動靜差脹，需要配合轉(zhuǎn)子膨脹和缸脹，將兩者測得的值進(jìn)行運算獲得。

1.2.2 溫度、壓力儀表設(shè)置

為了監(jiān)測運行以及性能試驗的需求，本機在汽缸、閥殼、軸承上都設(shè)計有蒸汽（或金屬、回油）溫度測點以及壓力測點。這些測點按用途可以分為監(jiān)測運行與性能試驗兩大類；按性質(zhì)可以分為測溫與測壓兩大類；按被測介質(zhì)來分，可以分為蒸汽、金屬、油三大類；共計55項、74個測點。

其中對于內(nèi)缸金屬溫度，5抽蒸汽壓力、6抽蒸汽壓力采用3冗余配置方案。

由于業(yè)界對雙機回?zé)嵯到y(tǒng)大都處于科研階段，很少能有落地實施的，本章結(jié)合已經(jīng)投入運行的某某超超臨界1 000 MW機組的回?zé)嵝C系統(tǒng)部分的儀表測點設(shè)置展開介紹，希望能對后續(xù)工程提供一些有益參考和借鑒。

2 回?zé)嵝C的控制策略

2.1 回?zé)嵝C的啟動策略

回?zé)嵝C的啟動分為冷態(tài)啟動和熱態(tài)啟動兩種模式，當(dāng)回?zé)嵝C內(nèi)缸內(nèi)壁金屬溫度＜150℃時，升速率按圖2中冷態(tài)啟動升速曲線執(zhí)行。當(dāng)回?zé)嵝C內(nèi)缸內(nèi)壁金屬溫度≥150℃時，升速率按圖2中的熱態(tài)啟動升速曲線執(zhí)行。

圖2 回?zé)嵝C升速率曲線Fig.2 Lift rate curve of smallturbine

在回?zé)嵝C啟動前，回?zé)嵝C本體、閥門和相應(yīng)的輔助系統(tǒng)均無異常報警，所有相關(guān)設(shè)備處于就緒狀態(tài)。然后啟動回轉(zhuǎn)設(shè)備，投入盤車，盤車轉(zhuǎn)速維持在103 r/min，對于冷態(tài)啟動時，回轉(zhuǎn)設(shè)備在沖轉(zhuǎn)前至少運行45 min，以避免回?zé)嵝C轉(zhuǎn)子發(fā)生變形后在沖轉(zhuǎn)后產(chǎn)生不應(yīng)有的振動。隨后，對回?zé)嵝C進(jìn)行沖轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速緩慢升速至～1 000 r/min怠速，進(jìn)入低速暖機，待暖機完成后，汽機轉(zhuǎn)速升速至最低工作轉(zhuǎn)速2 400 r/min，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后投給水協(xié)調(diào)控制，回?zé)嵝C排汽旁路閥跟蹤背壓設(shè)定值。隨后依次投入#6號低加，除氧器，#4號高加，#3號高加，最后關(guān)閉排汽旁路閥。排汽旁路閥關(guān)閉后即可以對電泵和汽泵進(jìn)行切換操作。

2.2 回?zé)嵝C轉(zhuǎn)速控制策略

回?zé)嵝C進(jìn)汽調(diào)閥始終以轉(zhuǎn)速控制為主，通過控制進(jìn)汽調(diào)閥的開度滿足泵組的功率目標(biāo)，該項控制與常規(guī)凝汽式給水泵小機相似，但有別于常規(guī)的給水泵汽輪機的地方在于高加、低加投切時對轉(zhuǎn)速的影響較大，轉(zhuǎn)速控制器需要快速響應(yīng)，維持給水流量的穩(wěn)定。

為保證給水流量的快速響應(yīng)，回?zé)嵝C應(yīng)當(dāng)保持10%的功率裕量。當(dāng)回?zé)嵝C流量指令小于90%時，補汽閥和溢流閥不動作；當(dāng)回?zé)嵝C流量指令大于90%時，需關(guān)小補汽閥或者開大溢流閥，降低回?zé)嵝C的背壓，以滿足回?zé)釞C功的率裕量。

2.3 排汽旁路控制策略

回?zé)嵝C會在排汽端設(shè)置旁路管道和排汽旁路閥，當(dāng)回?zé)嵝C在啟動、事故保護(hù)和停機時，排汽經(jīng)排汽旁路閥進(jìn)入凝汽器。

如果排汽旁路閥出現(xiàn)故障，必須盡快排除故障，以避免由于故障引起回?zé)嵝C的跳機。在正常運行工況下，如果排汽旁路閥由于故障保持關(guān)閉可能會使排汽壓力不斷升高，觸發(fā)回?zé)嵝C排汽壓力保護(hù)，最終導(dǎo)致跳機和排汽安全閥動作。如果排汽旁路閥由于故障一直保持打開，回?zé)嵝C會長時間承受高壓差荷載，同時也會排汽容積流量劇增，不僅會影響回?zé)嵝C本體和排汽系統(tǒng)的安全性，也會因為相關(guān)蒸汽沒有進(jìn)入到回?zé)嵯到y(tǒng)而影響整個機組的經(jīng)濟性。

因此，建議定期對回?zé)嵝C的排汽旁路閥進(jìn)行檢查，確保排汽旁路閥處于正常狀態(tài)。

2.4 系統(tǒng)保護(hù)控制策略

為了保障回?zé)嵝C的安全運行，系統(tǒng)分別設(shè)置了進(jìn)汽溫度高保護(hù)、排汽壓力高保護(hù)、排汽溫度高保護(hù)和末級組壓比高保護(hù)，當(dāng)機組處于異常工況的時候，進(jìn)行報警或跳機。相關(guān)的設(shè)定值可根據(jù)汽機廠的要求進(jìn)行設(shè)定。

2.4.1 進(jìn)汽溫度高保護(hù)

報警：當(dāng)回?zé)嵝C進(jìn)汽溫度達(dá)到報警設(shè)定值，發(fā)出報警信號。同時也需要統(tǒng)計全年進(jìn)汽溫度超過報警值低于跳機值的運行時間，要求不超過80 h/年。跳機：當(dāng)進(jìn)汽溫度超過設(shè)定值則進(jìn)行跳機保護(hù)。

2.4.2 排汽壓力高保護(hù)

回?zé)嵝C排汽壓力一共設(shè)有5擋設(shè)定值，根據(jù)不同的設(shè)定值，執(zhí)行不同的報警和控制，其相關(guān)的保護(hù)策略見表2。

影響建筑物穩(wěn)定的因素很多,而建筑物沉降作為系統(tǒng)的主要輸出信息則是一個具有灰色特征的隨機變量，通過分析建筑物沉降數(shù)據(jù)的特點，結(jié)合灰色模型的特征，采用灰色模型來預(yù)測建筑物的沉降趨勢是可行、有效的方法。傳統(tǒng)GM(1，1)模型對于不同數(shù)據(jù)序列，會出現(xiàn)偏差較大的情況。當(dāng)原始沉降數(shù)據(jù)序列為持續(xù)增長或者數(shù)據(jù)變化較大的數(shù)據(jù)序列時，模型預(yù)測結(jié)果的偏差就會變大，預(yù)測精度普遍偏低［2］。另外，灰色模型是用歷史信息來預(yù)測將來的信息，所以信息的維數(shù)對預(yù)測精度也有一定影響，如何合理選擇數(shù)據(jù)的維度是保證預(yù)測精度的關(guān)鍵。

表2 排汽壓力高保護(hù)策略Tab.2 High exhaust pressure protection strategy

2.4.3 排汽溫度高保護(hù)

報警：當(dāng)回?zé)嵝C排汽溫度達(dá)到報警設(shè)定值，發(fā)出報警信號。排汽旁路閥自動打開，跟蹤背壓設(shè)定值2。跳機：當(dāng)排汽溫度超過設(shè)定值則進(jìn)行跳機保護(hù)。

2.4.4 末級組壓比高保護(hù)

報警：當(dāng)#6抽汽壓力與#5抽汽壓力比大于高1值時，發(fā)出報警信號。相應(yīng)地需要閉鎖#6低加補汽調(diào)節(jié)閥，打開溢流調(diào)節(jié)閥，5 min后，如果末級組壓比大于該數(shù)值，排汽旁路閥自動打開，蹤背壓設(shè)定值2。跳機：當(dāng)#6抽汽壓力與#5抽汽壓力比大于高2值時，排汽旁路閥自動打開，跟蹤背壓設(shè)定值2，1 min后，如果#6抽汽壓力與#5抽汽壓力比仍然大于高2值，回?zé)嵝C跳機。

2.5 背壓控制策略

背壓控制的目的是保證回?zé)嵝C的流量指令不大于90%，限制條件是確保補汽閥和溢流閥的開度不應(yīng)當(dāng)在0～10%的區(qū)間長期運行。

在轉(zhuǎn)速控制策略一節(jié)已經(jīng)提過，回?zé)嵝C的第一要務(wù)是維持給水流量，進(jìn)汽調(diào)閥以轉(zhuǎn)速控制為主，當(dāng)回?zé)嵝C不滿足10%功率裕量時，通過背壓控制調(diào)節(jié)#6低加補汽調(diào)節(jié)閥或溢流調(diào)節(jié)閥的開度來滿足功率裕量。背壓控制貫穿于回?zé)嵝C運行的整個過程，應(yīng)當(dāng)考慮補汽閥和溢流閥在不同狀態(tài)下的控制策略，對于背壓控制，可以分兩個階段來考慮背壓控制策略，即初始階段第一級控制策略和穩(wěn)定運行階段優(yōu)化控制策略。

2.5.1 初始階段一級控制策略

初始階段控制也可以分為兩種情況，詳見圖3所示：

圖3 回?zé)嵝C一級控制策略圖Fig.3 Primary controlstrategy chart of smallturbine

1）補汽閥打開，溢流閥關(guān)閉。

2）補汽閥關(guān)閉、溢流閥關(guān)閉/打開。

當(dāng)補汽閥打開，溢流閥關(guān)閉時，首先判斷回?zé)嵝C的流量指令，如果流量指令≤90%，則補汽閥保持閥位不變；如果流量指令＞90%，則關(guān)小補汽閥，同時判斷回?zé)嵝C的流量指令是否回歸到90%以下，若流量指令已回歸，則繼續(xù)判斷補汽閥的開度是否滿足控制要求，這時如果度補汽閥開度≥10%，則補汽閥保持該閥位不變，若補汽閥開度＜10%，則關(guān)閉補汽閥。如果關(guān)小補汽閥后流量指令仍然＞90%，則需要繼續(xù)判斷當(dāng)前補汽閥的開度，這時如果度補汽閥開度≥10%，則繼續(xù)關(guān)小補汽閥開度，若補汽閥開度＜10%，則關(guān)閉補汽閥。

當(dāng)補汽閥關(guān)閉、溢流閥關(guān)閉/打開時，首先也是判斷回?zé)嵝C的流量指令，如果流量指令≤90%，則補汽閥和溢流閥保持閥位不變，如果流量指令＞90%，則開大溢流閥。在開大溢流閥后，如果流量指令≤90%，則繼續(xù)判斷溢流閥的開度：若溢流閥開度≥10%，則溢流閥保持該閥位不變，若溢流閥開度＜10%，則溢流閥開度定位10%。如果開打溢流閥后，流量指令仍然＞90%，這時如果溢流閥開度＜100%，則繼續(xù)開大溢流閥；若溢流閥開度=100%，則將溢流閥開度定位到100%，結(jié)束。

2.5.2 穩(wěn)定階段的性能優(yōu)化控制策略

當(dāng)主汽輪機在一定的負(fù)荷穩(wěn)定運行，給水流量已維持基本穩(wěn)定的前提下，這時如果還有充足的功率裕量，運行人員可以選擇采用性能優(yōu)化控制策略，通過關(guān)小溢流閥、開大補汽閥，提升回?zé)嵝C的背壓，減小回?zé)嵝C的進(jìn)汽閥門節(jié)流度，以提升回?zé)嵝C和整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

回?zé)嵝C的性能優(yōu)化策略可以分為一級優(yōu)化和二級優(yōu)化，圖4顯示了回?zé)嵝C性能優(yōu)化控制策略的基本流程。

圖4 回?zé)嵝C性能優(yōu)化控制策略圖Fig.4 Performance optimization controlstrategy chart of smallturbine

一級優(yōu)化：當(dāng)溢流閥打開，補汽閥關(guān)閉時，關(guān)小溢流閥，判斷回?zé)嵝C的流量指令。如果流量指令≥88%，這時如果溢流閥開度≥10%，則溢流閥保持該閥位不變，如果溢流閥開度＜10%，則溢流閥開度定位10%。如果流量指令＜88%，則繼續(xù)關(guān)小溢流閥；若溢流閥開度＜10%，則關(guān)閉溢流閥，關(guān)閉后需要繼續(xù)判斷流量指令。如果流量指令≥88%，溢流閥定位10%；如果BEST汽輪機的流量指令＜88%，溢流閥定位0%，結(jié)束或者進(jìn)入二級優(yōu)化控制。

二級優(yōu)化：當(dāng)溢流閥關(guān)閉，補汽閥關(guān)閉/打開時，開大補汽閥，判斷流量指令。如果流量指令≥88%，此時若補汽閥開度≥10%，則補汽閥保持該閥位不變，若補汽閥開度＜10%，則補汽閥開度定位0%，如果流量指令＜88%，則繼續(xù)開大補汽閥，直至補汽閥開度=100%，此時可補汽閥開度定位0%。

機組運行時，建議按以下原則來進(jìn)行操控：

1）當(dāng)主汽輪機負(fù)荷低于600 MW時，自動投入一級優(yōu)化，二級優(yōu)化為運行人員手動投入。

2）當(dāng)主汽輪機負(fù)荷高于600 MW并且低于900 MW時，一級優(yōu)化、二級優(yōu)化均為運行人員手動投入。

3）當(dāng)主汽輪機負(fù)荷高于900 MW時，運行人員不應(yīng)當(dāng)投入二級優(yōu)化。

3 結(jié) 論

本文介紹了一種雙機回?zé)嵝C系統(tǒng)閥門和測點監(jiān)控布置設(shè)計方案，提出了一種基于雙機回?zé)釞C組系統(tǒng)回?zé)嵝C的啟動控制、轉(zhuǎn)速控制、保護(hù)控制及背壓控制的策略，該控制策略已成功應(yīng)用在擁有全球首臺以變轉(zhuǎn)速抽背式給水泵汽輪機（回?zé)嵝C）的某1 000 MW超超臨界機組中，機組投運后，運行安全穩(wěn)定。雙機回?zé)嵯到y(tǒng)由于高溫回?zé)嵴羝麖幕責(zé)嵝C中抽取，可提高循環(huán)能級效率和通流效率達(dá)90%以上，使整個機組的熱耗水平在一次再熱機組中達(dá)到最優(yōu)，接近二次再熱機組的水平，也是未來火電機組發(fā)展的一個重要方向，本文所提出的控制策略對后續(xù)采用雙機回?zé)嵯到y(tǒng)的控制具有一定的參考意義。