羅建松,秦 宇,鐘志強(qiáng),徐 劍,施剛夜
(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200063)
高效二次再熱超超臨界機(jī)組的應(yīng)用是當(dāng)前火力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn),但隨著蒸汽參數(shù)的提高,抽汽過(guò)熱度增大,加熱器內(nèi)汽側(cè)和水側(cè)換熱的不可逆損失增加,削弱了蒸汽參數(shù)升高帶來(lái)的收益,同時(shí)增加了管道、閥門(mén)和加熱器設(shè)備的制造成本。王昌朔[1]等對(duì)1 000 MW的二次超超臨界再熱機(jī)組建立了仿真模型,對(duì)進(jìn)汽節(jié)流調(diào)節(jié)、發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)和進(jìn)汽補(bǔ)汽調(diào)節(jié)三種方案進(jìn)行了數(shù)值研究,發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)可以使經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最佳。王渡[2]等通過(guò)數(shù)值研究了抽汽背壓式汽輪機(jī)組在不同級(jí)數(shù)下轉(zhuǎn)運(yùn)可行性、熱經(jīng)濟(jì)性及變工況特性,發(fā)現(xiàn)當(dāng)級(jí)數(shù)選為5級(jí)時(shí),機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性最佳。廖先偉[3]等建立了仿真模型,對(duì)比分析了回?zé)崾浇o水泵汽輪機(jī)與主汽輪機(jī)在不同協(xié)調(diào)運(yùn)行方式下的輸出功率及經(jīng)濟(jì)性,研究發(fā)現(xiàn)結(jié)合進(jìn)汽節(jié)流和背壓調(diào)節(jié)能夠同時(shí)保證機(jī)組的功率要求和高效運(yùn)行。付亦葳等[4-5]研究對(duì)比了常規(guī)電力系統(tǒng)與抽汽背壓式汽輪機(jī)系統(tǒng)的異同。
設(shè)置外置式蒸汽冷卻器是國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)或在建的二次再熱機(jī)組的主流方案[6],該技術(shù)可降低二次再熱機(jī)組高壓缸和中壓缸的第一級(jí)抽汽過(guò)熱度。有文獻(xiàn)認(rèn)為前置蒸冷器雖然可降低抽汽過(guò)熱度,但其中為蒸汽—給水換熱,蒸汽并未發(fā)生相變,綜合換熱系數(shù)很小,因此其提升給水溫度有限[7]。為了保證機(jī)組提高蒸汽參數(shù)后帶來(lái)的收益,筆者所在公司研發(fā)了一種配背壓抽汽回?zé)嵝∑啓C(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“BEST小機(jī)”)的新型熱力系統(tǒng)[8-9],利用BEST小機(jī)直接驅(qū)動(dòng)給水泵,可進(jìn)一步降低廠用電,提高機(jī)組發(fā)電效率,在變工況運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)BEST小機(jī)的進(jìn)汽閥全開(kāi),解決變工況下節(jié)流損失問(wèn)題。本文介紹了帶變頻發(fā)電機(jī)的BEST小機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵技術(shù)的系統(tǒng)參數(shù)匹配及各種工況下控制策略。
國(guó)內(nèi)某1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組設(shè)有5級(jí)單列100%容量高壓加熱器、1臺(tái)除氧器、6臺(tái)低壓加熱器、1臺(tái)疏水冷卻器和1臺(tái)汽封冷卻器。在超高壓缸的排汽處,設(shè)置一個(gè)采用5抽1排方案的BEST小機(jī),分別供給2~5號(hào)高壓加熱器和除氧器。BEST小機(jī)的排汽定義為機(jī)組的第7級(jí)抽汽,排至7號(hào)低壓加熱器,BEST小機(jī)一端連接給水泵組,另一端連接一臺(tái)小發(fā)電機(jī),如圖1所示。
圖1 BEST小機(jī)系統(tǒng)
設(shè)置BEST小機(jī)的回?zé)嵯到y(tǒng)利用超高壓缸排出的蒸汽,驅(qū)動(dòng)背壓抽汽小汽輪機(jī),從小汽輪機(jī)中抽汽,利用過(guò)熱度較低的小汽輪機(jī)抽汽和排汽,通過(guò)加熱器來(lái)加熱凝結(jié)水和給水,與現(xiàn)有熱力系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
1)高參數(shù)蒸汽在BEST小機(jī)做功后,蒸汽溫度可下降約120~270 ℃,降低了相關(guān)抽汽管道、閥門(mén)、加熱器的材料等級(jí);
2) BEST小機(jī)汽源為高壓缸排汽,這部分蒸汽將不再進(jìn)入再熱系統(tǒng),可顯著減少進(jìn)入再熱器的蒸汽流量,減少再熱器的換熱面積,從而降低再熱系統(tǒng)的造價(jià);
3)相較于常規(guī)機(jī)組,給水泵轉(zhuǎn)速由小發(fā)電機(jī)的出力來(lái)調(diào)節(jié),變工況時(shí)BEST小機(jī)進(jìn)汽調(diào)門(mén)全開(kāi),可減少節(jié)流損失,提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性;
4)能充分利用BEST小機(jī)的出力,通過(guò)小發(fā)電機(jī)多發(fā)電,可減少?gòu)S用電率,提高機(jī)組的售電收益。
結(jié)合主機(jī)廠的熱平衡計(jì)算結(jié)果,BEST小機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:最大連續(xù)功率57 MW,額定工況功率51.5 MW,額定進(jìn)汽參數(shù)12.26 MPa/449 ℃,額定排汽參數(shù)0.8 MPa /170 ℃。近期國(guó)內(nèi)的發(fā)電廠高壓廠用電系統(tǒng)多為6 kV或10 kV兩段,BEST小機(jī)系統(tǒng)可通過(guò)發(fā)電機(jī)變流器組接入廠用電系統(tǒng)其中的一段或兩段,同時(shí)在運(yùn)行時(shí)通過(guò)負(fù)荷調(diào)節(jié)來(lái)控制功率平衡。
根據(jù)GB50660—2011《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》,在滿足給水泵最大工況的功率要求時(shí),汽輪機(jī)一般留有5%的功率裕量。在實(shí)際工程中,與給水泵組相比,給水泵汽輪機(jī)的軸功率一般有7%~12.9%的裕量。通常,電廠都通過(guò)調(diào)整給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)門(mén)的開(kāi)度來(lái)確保其出力和給水泵組所需功率相匹配。理論上,給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)門(mén)開(kāi)度可以全開(kāi),但是由于給水泵汽輪機(jī)軸功率大于給水泵組的軸功率,所以實(shí)際機(jī)組在運(yùn)行時(shí),給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽閥的開(kāi)度較小。國(guó)內(nèi)某1 000 MW機(jī)組在幾個(gè)典型工況下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列。
表1 國(guó)內(nèi)某1 000 MW機(jī)組在幾個(gè)典型工況下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
從表1可以看出在機(jī)組負(fù)荷約為500~1 000 MW時(shí),給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)門(mén)開(kāi)度約為25%~68%,節(jié)流損失較大。為此,BEST小機(jī)系統(tǒng)引入一個(gè)小發(fā)電機(jī),用于平衡BEST小機(jī)和給水泵組之間多余的功率,如圖2所示。
圖2 BEST小機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵技術(shù)
理論上,BEST小機(jī)的進(jìn)汽調(diào)門(mén)可以全開(kāi),在很大程度上能夠降低節(jié)流損失。通過(guò)熱力分析,BEST小機(jī)和給水泵組之間的剩余功率曲線如圖3所示。證明小發(fā)電機(jī)在30%汽輪機(jī)熱耗驗(yàn)收(turbine heat acceptance,THA)工況到閥門(mén)全開(kāi)(valve whole open,VWO)工況下均有出力,在75%THA工況時(shí)剩余功率達(dá)到最大值16.58 MW。小發(fā)電機(jī)的額定容量選擇19 MW,并將其額定磁通選擇在最大出力的轉(zhuǎn)速范圍。當(dāng)軸系轉(zhuǎn)速高于最大出力轉(zhuǎn)速時(shí),小發(fā)電機(jī)采用弱磁控制。調(diào)速范圍要求為2 350~5 200 rpm,最高轉(zhuǎn)速6 300 rpm。
圖3 BEST小機(jī)和給水泵組之間的剩余功率曲線
BEST小機(jī)采用發(fā)電機(jī)加全功率變流器的調(diào)速方案,小發(fā)電機(jī)與小汽輪機(jī)同軸連接。發(fā)電機(jī)通過(guò)全功率變流器進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制,并將多余小汽輪機(jī)功率發(fā)電上網(wǎng)。發(fā)電機(jī)和全功率變流器之間直接連接,后者與電網(wǎng)通過(guò)配置變壓器進(jìn)行電壓等級(jí)匹配。變流器機(jī)側(cè)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制,并進(jìn)行發(fā)電機(jī)和變流器直流側(cè)之間的能量傳動(dòng);網(wǎng)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定,并進(jìn)行電網(wǎng)和變流器直流側(cè)之間的能量傳動(dòng)。如此,全功率變流器即可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制,同時(shí)實(shí)現(xiàn)多余功率送入廠用電。
通過(guò)選用四象限全功率能量反饋?zhàn)兞髌髋涮装l(fā)電機(jī)的方式,令機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)汽調(diào)門(mén)達(dá)到全開(kāi),通過(guò)變流器控制發(fā)電機(jī)輸出功率,實(shí)現(xiàn)軸系上BEST小機(jī)、給水泵、小發(fā)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩平衡。
解決了多余功率發(fā)電上網(wǎng)的技術(shù)難題后,小汽輪機(jī)的進(jìn)汽調(diào)門(mén)可以保持較大開(kāi)度或達(dá)到全開(kāi),減少進(jìn)汽的節(jié)流損失,保證機(jī)組全負(fù)荷范圍內(nèi)回?zé)嵝∑麢C(jī)的工作效率,提高機(jī)組發(fā)電效率和上網(wǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
廠用電接入方案如圖4所示。
圖4 廠用電接入方案
BEST小機(jī)系統(tǒng)采用“小發(fā)電機(jī)—變流器”的調(diào)速方案,整個(gè)系統(tǒng)的控制方案與常規(guī)小機(jī)有所不同。將BEST小機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)納入MEH給水泵汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)(micro electro hydraulic control system,MEH) 中進(jìn)行控制,其中變流器、BEST小發(fā)電機(jī)納入BEST變流器就地控制系統(tǒng)進(jìn)行控制,MEH與BEST變流器就地控制系統(tǒng)通過(guò)硬接線和/或通訊方式進(jìn)行信號(hào)交換。下面針對(duì)主要工況進(jìn)行相應(yīng)控制方法介紹。
常規(guī)給水泵汽輪機(jī)在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)速由進(jìn)汽調(diào)門(mén)進(jìn)行閉環(huán)反饋控制,控制回路如圖5所示。對(duì)于BEST小機(jī),高壓加熱器、除氧器等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速影響較大,轉(zhuǎn)速控制器需要快速響應(yīng),維持給水流量的穩(wěn)定,采用帶前饋的比例-積分-微分控制器(proportion integral di ff erential,PID)運(yùn)算,響應(yīng)速度更快。
圖5 常規(guī)工程給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制回路示意圖
發(fā)電機(jī)輸出電功率通過(guò)變流器的調(diào)節(jié)來(lái)控制,從而控制BEST小機(jī)的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)將原本用于進(jìn)汽調(diào)門(mén)控制轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的節(jié)流損失轉(zhuǎn)換為廠用電。
BEST小機(jī)啟動(dòng)時(shí),變流器尚未運(yùn)行,MEH中設(shè)定暖機(jī)轉(zhuǎn)速為目標(biāo)轉(zhuǎn)速,由MEH控制進(jìn)汽調(diào)門(mén)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。
暖機(jī)完成后,MEH將給水泵最低工作轉(zhuǎn)速設(shè)定為目標(biāo)轉(zhuǎn)速,依然通過(guò)BEST小機(jī)進(jìn)汽調(diào)門(mén)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。當(dāng)達(dá)到給水泵最低工作轉(zhuǎn)速時(shí),MEH將BEST小機(jī)轉(zhuǎn)速控制切換至自動(dòng)控制模式。此時(shí),鍋爐仍然處于濕態(tài)運(yùn)行,鍋爐給水流量通過(guò)鍋爐給水旁路閥進(jìn)行調(diào)節(jié),給水泵轉(zhuǎn)速通過(guò)BEST小機(jī)進(jìn)汽調(diào)門(mén)的調(diào)節(jié),維持在3 000 rpm附近。
當(dāng)機(jī)組負(fù)荷繼續(xù)上升,直至鍋爐完全轉(zhuǎn)為干態(tài)運(yùn)行時(shí),鍋爐給水旁路退出,鍋爐給水切換為主管運(yùn)行,即通過(guò)給水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。此時(shí),變流器投入運(yùn)行,以給定的升速率逐步增加BEST小進(jìn)汽主調(diào)門(mén)開(kāi)度,同時(shí)增加BEST小發(fā)電機(jī)的發(fā)電出力,直至BEST小進(jìn)汽主調(diào)門(mén)完全打開(kāi),跟隨主汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行。此后,給水泵轉(zhuǎn)速完全由BEST小發(fā)電機(jī)-變流器組控制。
由于主汽輪機(jī)負(fù)荷與BEST小機(jī)剩余功率存在一定的相關(guān)性,給水泵汽輪機(jī)廠家可以提供一條主汽輪機(jī)負(fù)荷—BEST小機(jī)剩余功率曲線(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“剩余功率曲線”)供運(yùn)行人員參考,BEST小發(fā)電機(jī)接受來(lái)自機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)給定的主汽輪機(jī)負(fù)荷指令,并通過(guò)這條剩余功率曲線計(jì)算出BEST小發(fā)電機(jī)的功率設(shè)定值,此設(shè)定值再通過(guò)PID運(yùn)算輸出給變流器來(lái)實(shí)現(xiàn)BEST小發(fā)電機(jī)功率的控制,最終實(shí)現(xiàn)給水泵轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。BEST小發(fā)電機(jī)輸出功率控制回路示意圖如圖6所示。
圖6 小發(fā)電機(jī)輸出功率控制回路示意圖
BEST小機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行在最低工作轉(zhuǎn)速,到一定負(fù)荷(暫定30%THA)后,給水流量由給水調(diào)閥控制切換到給水泵轉(zhuǎn)速控制,BEST小機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著機(jī)組負(fù)荷的上升同時(shí)上升。當(dāng)機(jī)組到達(dá)目標(biāo)負(fù)荷并穩(wěn)定后,小發(fā)電機(jī)可進(jìn)行并網(wǎng),并網(wǎng)初始小發(fā)電機(jī)輸出功率為0,然后通過(guò)變流器將發(fā)電機(jī)功率的目標(biāo)值設(shè)定為跟蹤機(jī)組負(fù)荷(指令)-小發(fā)電機(jī)輸出功率曲線。需注意的是,小發(fā)電機(jī)輸出功率在從0到目標(biāo)值的過(guò)程應(yīng)該控制適當(dāng)?shù)纳俾?,而不?yīng)從0直接階躍到目標(biāo)值。
在帶小發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式下,如果變流器控制轉(zhuǎn)速失敗(發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率偏離功率指令超過(guò)一定值),或受到其他保護(hù),則小發(fā)電機(jī)出口斷路器斷開(kāi),小發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)。此時(shí)BEST小機(jī)承受了一定程度的甩負(fù)荷,BEST小機(jī)進(jìn)汽調(diào)門(mén)要能快速穩(wěn)定BEST小機(jī)轉(zhuǎn)速以避免超速,并盡可能降低對(duì)給水系統(tǒng)的擾動(dòng)。
當(dāng)BEST小機(jī)不進(jìn)汽時(shí),其完全處于被動(dòng)倒拖狀態(tài),此時(shí)BEST小機(jī)排汽到凝汽器的旁路閥打開(kāi),減少末級(jí)的鼓風(fēng)發(fā)熱。當(dāng)主機(jī)排汽具備啟動(dòng)條件后,BEST小機(jī)開(kāi)始進(jìn)汽。BEST小機(jī)旁路閥繼續(xù)全開(kāi)或者維持一個(gè)背壓。隨著B(niǎo)EST小機(jī)進(jìn)汽流量的增加,電動(dòng)機(jī)逐漸減少動(dòng)力輸出,而B(niǎo)EST小機(jī)逐步取代電動(dòng)機(jī)成為給水泵的動(dòng)力源,直至電動(dòng)機(jī)輸出為零,轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)。BEST小機(jī)逐漸增加進(jìn)汽,驅(qū)動(dòng)給水泵,多余的能量轉(zhuǎn)化為小發(fā)電機(jī)的電能。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變成為發(fā)電機(jī)前,分散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)和MEH在控制上需協(xié)調(diào)配合。MEH控制BEST小機(jī)逐步增加進(jìn)汽,DCS控制電動(dòng)機(jī)逐步減少輸出。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)后,變流器控制轉(zhuǎn)速,BEST小機(jī)進(jìn)汽調(diào)門(mén)全開(kāi)。
1)當(dāng)高壓加熱器切除工況時(shí), BEST小機(jī)背壓升高,開(kāi)啟BEST小機(jī)溢流閥或旁路閥以維持背壓不超過(guò)高限。當(dāng)BEST變流器就地控制系統(tǒng)主控時(shí),BEST小機(jī)進(jìn)汽調(diào)門(mén)全開(kāi),不參與控制。當(dāng)MEH主控時(shí),BEST小機(jī)根據(jù)此時(shí)給水指令,快速控制調(diào)門(mén),維持給水穩(wěn)定。
2)在低壓加熱器切除的情況下,當(dāng)7號(hào)低壓加熱器故障切除或者7號(hào)、8號(hào)低壓加熱器同時(shí)故障切除時(shí),需要計(jì)算出是否需要進(jìn)行整個(gè)機(jī)組的負(fù)荷限制。同時(shí),需要根據(jù)切除時(shí)的工況來(lái)確定是否需要調(diào)節(jié)BEST小機(jī)進(jìn)汽主調(diào)門(mén)來(lái)限制BEST小機(jī)的進(jìn)汽流量,并在MEH中實(shí)現(xiàn)。
3)在小發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷工況下,BEST變流器就地控制系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)速控制失敗信號(hào),MEH接受信號(hào)后,控制邏輯切換為BEST小機(jī)主調(diào)門(mén)控制BEST小機(jī)轉(zhuǎn)速,控制邏輯同常規(guī)給水泵汽輪機(jī)控制一致。小發(fā)電機(jī)出口斷路器斷開(kāi),小發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn),根據(jù)切除時(shí)大汽輪機(jī)負(fù)荷情況,可能存在BEST小機(jī)短時(shí)超速的情況,此時(shí)開(kāi)啟BEST小機(jī)旁路溢流閥,快速降低BEST小機(jī)背壓,穩(wěn)定BEST小機(jī)轉(zhuǎn)速。
4)當(dāng)主機(jī)甩負(fù)荷時(shí),加熱器全部切除。鍋爐維持最低負(fù)荷燃燒,須保證最低給水流量的控制。此時(shí),與高壓加熱器全切工況相同。BEST變流器就地控制系統(tǒng)主控時(shí),BEST進(jìn)汽調(diào)門(mén)全開(kāi),不參與控制。MEH主控時(shí),BEST小機(jī)根據(jù)此時(shí)給水指令,快速控制調(diào)門(mén),維持給水穩(wěn)定。
5)當(dāng)變流器出現(xiàn)故障時(shí),小發(fā)電機(jī)出口斷路器斷開(kāi),小發(fā)電機(jī)不發(fā)電空轉(zhuǎn)運(yùn)行,MEH接受BEST變流器就地控制系統(tǒng)發(fā)出的給水泵轉(zhuǎn)速控制切換信號(hào)后,給水泵轉(zhuǎn)速切換為由BEST小機(jī)進(jìn)汽調(diào)門(mén)進(jìn)行控制。在變流器故障清除后,可通過(guò)飛車(chē)啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)不停機(jī)投入,恢復(fù)由變流器控制轉(zhuǎn)速模式。
在二次再熱超超臨界機(jī)組采用帶變頻發(fā)電機(jī)的BEST小機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)后,能夠有效降低回?zé)嵯到y(tǒng)過(guò)熱度,提高循環(huán)效率。BEST系統(tǒng)配置小發(fā)電機(jī)來(lái)平衡小汽輪機(jī)與給水泵之間的剩余功率,即通過(guò)變流器控制小發(fā)電機(jī)的出力來(lái)調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速,BEST小機(jī)配有小發(fā)電機(jī),BEST小機(jī)拖動(dòng)給水泵所剩余的軸功率可通過(guò)小發(fā)電機(jī)發(fā)電并掛入廠用電網(wǎng),既解決了給水泵汽輪機(jī)在變工況下進(jìn)汽節(jié)流損失的問(wèn)題,又進(jìn)一步提高了電廠的發(fā)電效率。同時(shí)本文提出了BEST小機(jī)系統(tǒng)在不同工況下的控制策略,保障機(jī)組安全運(yùn)行,為更高參數(shù)的煤電機(jī)組提供了技術(shù)支撐。