李 展，尤 默，邢智煒，秦天牧，高明帥，張瑾哲

(華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045)

隨著新能源快速發(fā)展，為解決新能源消納工作，迫切需要提高火電廠的調(diào)峰調(diào)頻能力。顯然“以熱定電”的模式不能滿足現(xiàn)實(shí)的需要，以“低壓缸零切除”技術(shù)為主的熱電解耦方案可以很好地解決此問題。文獻(xiàn)[1]以200 MW機(jī)組為例，提出“低壓缸零出力”技術(shù)可使熱電比提高1.107。文獻(xiàn)[2]以600 MW工程改造為例，驗(yàn)證了通過對(duì)汽機(jī)本體、控制策略等改造，可以使“低壓缸零切除”機(jī)組進(jìn)行安全運(yùn)行。文獻(xiàn)[3]從理論上指出低壓缸切除方案利用了冷凝損失供熱，不會(huì)增加供熱系統(tǒng)煤耗，相比于其他熱電解耦方案更有競(jìng)爭(zhēng)力。由于“低壓缸零切除”是近兩年才開始運(yùn)用，控制策略不完善，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足依然會(huì)對(duì)機(jī)組的長(zhǎng)期切缸運(yùn)行帶來潛在的危險(xiǎn)。尤其是對(duì)新建機(jī)組，各運(yùn)行設(shè)備控制策略未經(jīng)驗(yàn)證，會(huì)顯著增加切缸運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[4]。本文依據(jù)某新建機(jī)組“低壓缸零切除”運(yùn)行調(diào)試工作，對(duì)相關(guān)設(shè)備控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化，以期為相關(guān)人員作為參考。

1 低壓缸零切除的實(shí)現(xiàn)方案

某新建機(jī)組為東方汽輪機(jī)有限公司設(shè)計(jì)制造的超臨界、單軸、雙缸雙排汽、中間再熱、間接空冷抽汽凝汽式汽輪機(jī)。額定主蒸汽流量1 075.8 t/h，額定出力350 MW。為了實(shí)現(xiàn)熱電解耦，汽輪機(jī)在出廠之時(shí)就配套設(shè)計(jì)了低壓缸零出力相關(guān)設(shè)備，如圖1所示。

圖1 低壓缸零切除裝置示意圖

2 低壓缸蒸汽流量測(cè)量

在低壓缸切除中，為了保護(hù)低壓缸本體安全，最重要的工作就是保證低壓缸在不同工況下有對(duì)應(yīng)的安全流量，因此進(jìn)入低壓缸蒸汽流量的測(cè)量至關(guān)重要。目前蒸汽流量的測(cè)量主要分為直接測(cè)量法與間接測(cè)量法。所謂直接測(cè)量法，即可使用孔板流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、渦街流量計(jì)等裝置對(duì)蒸汽流量進(jìn)行測(cè)量。節(jié)流裝置測(cè)量流量計(jì)算公式:

(1)

式中Qm——蒸汽質(zhì)量流量；C——流出系數(shù)；ε——膨脹系數(shù)；β——直徑比；d——節(jié)流件的開孔直徑；ΔP——差壓；ρ——密度。

所謂間接測(cè)量法是通過調(diào)節(jié)級(jí)壓力的測(cè)量，再運(yùn)用弗留格爾公式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中G0(G1)——設(shè)計(jì)工況(變工況)下的蒸汽流量；P0,Pz(P01，Pz1)——設(shè)計(jì)工況(變工況)下級(jí)組前后的壓力；T0(T01)——設(shè)計(jì)工況(變工況)下級(jí)組前的蒸汽溫度。

考慮到中低壓缸之間的蒸汽壓力較小，且旁路管道較細(xì)，控制邏輯中使用的蒸汽流量是采用節(jié)流裝置進(jìn)行測(cè)量的。

3 低壓缸零切除控制策略

3.1 中低壓缸聯(lián)通管碟閥控制策略

中低壓缸聯(lián)通管碟閥簡(jiǎn)稱BV閥，在機(jī)組未進(jìn)行抽氣供熱運(yùn)行時(shí)，BV閥保持全開。當(dāng)需要供熱時(shí)，為保證抽汽壓力與流量，BV閥將對(duì)閥前蒸汽壓力進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。當(dāng)抽汽量逐漸增大，BV閥的開度逐漸減小，在達(dá)到最小安全流量時(shí)，即可認(rèn)為此時(shí)的供熱量需求較大，需要切除低壓缸進(jìn)汽。BV閥控制策略圖如圖2所示。

圖2 BV閥控制策略圖

根據(jù)本機(jī)組汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)蛪焊淄度脒\(yùn)行的情況下，為避開葉片的顫振區(qū)，并帶走葉片的鼓風(fēng)損失熱量，保證汽輪機(jī)的本體安全，當(dāng)?shù)蛪焊淄度脒\(yùn)行時(shí)，低壓缸最小安全流量為120 t/h，當(dāng)?shù)蛪焊浊谐?，最小安全流量?0 t/h，不同情況下的最小流量對(duì)應(yīng)的BV閥的開度，稱為BV閥的臨界開度。

BV閥門的開啟、關(guān)閉速率在不同情況下有所不同，當(dāng)機(jī)組在掛閘或者從臨界開度值到100%之間動(dòng)作時(shí)，BV閥按照每秒5%的速率動(dòng)作。當(dāng)BV閥臨界開度值到全關(guān)之間，為防止熱網(wǎng)加熱器的疏水水位突升，在低壓缸零切除的過程中，將BV的關(guān)閉速率降低至每秒1%。當(dāng)?shù)蛪焊讖那谐酵哆\(yùn)的過程中，為防止熱網(wǎng)加熱器的壓力突降造成的疏水氣化，BV閥從0%到臨界開度時(shí)，開啟速率也為每秒1%。當(dāng)汽機(jī)遮斷，OPC動(dòng)作時(shí)，甩熱負(fù)荷時(shí)，BV閥將不再設(shè)置關(guān)閉速率。除此之外，在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)BV閥動(dòng)作的遲緩率較大(見圖3)，最大達(dá)到4 s。為了保證機(jī)組運(yùn)行的安全性，需要不僅需要對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，也要從控制策略的調(diào)節(jié)參數(shù)方面進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到削弱BV閥遲緩率的目的。

圖3 BV閥遲緩率

在低壓缸投入運(yùn)行的情況下，當(dāng)?shù)y后壓力低報(bào)警；五段供熱抽汽壓力高報(bào)警；中排溫度高報(bào)警將閉鎖減BV閥開度。但同時(shí)在低壓缸切缸時(shí)，蝶閥后壓力低閉鎖減BV閥將失效。

為了最大限度保證機(jī)組的安全運(yùn)行，當(dāng)供熱為投入；BV閥前壓力信號(hào)壞點(diǎn)；閉鎖減信號(hào)發(fā)生；低壓缸切除后等自動(dòng)將BV閥切至手動(dòng)狀態(tài)。BV閥調(diào)節(jié)曲線圖如圖4所示。

圖4 BV閥調(diào)節(jié)曲線圖

3.2 中低壓缸旁路調(diào)閥控制策略

隨著供熱量的增大，當(dāng)中低壓缸連通管蝶閥完全關(guān)閉后，進(jìn)入低壓缸的蒸汽流量將由旁路調(diào)閥控制。進(jìn)入低壓缸的蒸汽流量將由上面的儀器直接測(cè)量得到。

由于在低壓缸零切除后，旁路調(diào)節(jié)閥是蒸汽進(jìn)入低壓缸的唯一通道，為了確保低壓缸的安全，旁路調(diào)節(jié)閥一定有個(gè)最小開度，簡(jiǎn)稱旁路調(diào)閥的臨界開度。由于不同負(fù)荷下，臨界開度值不同，則臨界開度是負(fù)荷的單值函數(shù)。同時(shí)旁路調(diào)閥閥門的開啟、關(guān)閉速率像BV閥一樣，在不同情況下是不同的。當(dāng)機(jī)組非低壓缸零切除運(yùn)行、汽機(jī)遮斷、OPC動(dòng)作、甩熱負(fù)荷時(shí)，旁路調(diào)閥的開啟速率不做限制。當(dāng)汽機(jī)處于低壓缸零切除的情況下，調(diào)閥的開啟及關(guān)閉速率為每秒1%。

為了確保低壓缸最后一道保護(hù)有效，當(dāng)旁路蒸汽流量信號(hào)變壞、設(shè)定值與測(cè)量偏差信號(hào)大、調(diào)閥開度與反饋偏差大都會(huì)導(dǎo)致調(diào)閥切為手動(dòng)。如在低壓缸零切除運(yùn)行的情況下，當(dāng)流量小于30 t/h時(shí)，旁路調(diào)節(jié)閥閉鎖減信號(hào)觸發(fā)，同時(shí)發(fā)出報(bào)警，提醒運(yùn)行人員。控制策略如圖5所示。旁路閥調(diào)節(jié)曲線圖如圖6所示。

圖5 旁路閥控制策略

圖6 旁路閥調(diào)節(jié)曲線圖

3.3 抽汽調(diào)門控制策略

為了保證低壓缸切除后，中壓缸排汽壓力保持穩(wěn)定，不觸發(fā)跳機(jī)。當(dāng)?shù)蛪焊浊谐盘?hào)觸發(fā)后，可以把BV閥的開度作為抽汽調(diào)節(jié)閥的前饋，前饋系數(shù)根據(jù)抽汽調(diào)門投入自動(dòng)的個(gè)數(shù)，在調(diào)試時(shí)進(jìn)行實(shí)際整定。在低壓缸從投入到退出的過程中，為了防止加熱器的壓力突升，當(dāng)任一加熱器出現(xiàn)壓力或者疏水水位突降時(shí)，抽汽調(diào)門的開度將閉鎖抽汽調(diào)門增。當(dāng)?shù)蛪焊讖那谐酵度氲倪^程中，為了防止加熱器的壓力突降而導(dǎo)致疏水水位突升，當(dāng)任一加熱器出現(xiàn)壓力突降而導(dǎo)致疏水水位突升時(shí)將閉鎖抽汽調(diào)門減。控制策略如圖7所示。抽汽調(diào)門調(diào)節(jié)曲線圖如圖8所示。

圖7 抽汽調(diào)門控制策略

圖8 抽汽調(diào)門調(diào)節(jié)曲線圖

4 結(jié)語

依據(jù)某新建350 MW機(jī)組低壓缸零切除試驗(yàn)調(diào)試工作，對(duì)中低壓缸聯(lián)通管蝶閥、旁路閥、抽汽調(diào)閥控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化及整定，得出如下幾個(gè)結(jié)論。

(1)投入中低壓缸聯(lián)通管蝶閥、中低壓缸旁路閥、抽汽供熱調(diào)閥自動(dòng)后，機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的供熱，汽機(jī)各軸承振動(dòng)、軸向位移、低壓缸末級(jí)葉片溫度，加熱器疏水水位都保持在正常范圍內(nèi)。

(2)由于抽汽供熱的被調(diào)量安全裕度較大，可以適當(dāng)放大蝶閥及抽汽調(diào)閥的調(diào)節(jié)死區(qū)及正常供熱工況下的閥門調(diào)節(jié)速率，同時(shí)對(duì)旁路閥設(shè)置臨界開度，防止造成設(shè)備的損壞。

(3)由于低壓缸零出力是近年才進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用，需要安排專門的人負(fù)責(zé)重要參數(shù)的監(jiān)視，尤其對(duì)新建機(jī)組的首次試驗(yàn)，最大限度地保證設(shè)備的安全及電網(wǎng)的穩(wěn)定。