梁雙榮,白玉宇,郭愛(ài)武

(1.國(guó)電龍?jiān)垂?jié)能技術(shù)有限公司,北京 100089;2.國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司太原分公司,山西 太原 030006)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)民商用采暖需求不斷上升，這將繼續(xù)促進(jìn)我國(guó)火力發(fā)電機(jī)組向熱電聯(lián)產(chǎn)方向的發(fā)展保持快速向上的趨勢(shì)[1]。同時(shí)，隨著我國(guó)風(fēng)電、光電等可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量的增長(zhǎng)，火電機(jī)組的調(diào)峰壓力日益嚴(yán)峻。

為了既保證供熱又兼顧調(diào)峰，越來(lái)越多的火力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了低壓缸切除供熱技術(shù)改造，降低低壓缸進(jìn)汽量，實(shí)現(xiàn)降低機(jī)組發(fā)電負(fù)荷的同時(shí)，減少冷源損失，增加供熱抽汽量，提高供熱能力。

呂凱等[2]對(duì)采用聯(lián)通管抽汽供熱模式和低壓缸切缸供熱模式的亞臨界300 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，分析了各自的電功率-熱負(fù)荷-標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量關(guān)系；陳永輝等[3]針對(duì)超臨界350 MW機(jī)組低壓缸切缸技術(shù)冷卻蒸汽的設(shè)計(jì)問(wèn)題，基于汽輪機(jī)的熱力設(shè)計(jì)計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)不同冷卻條件工況下以及正常運(yùn)行工況下低壓缸通流各級(jí)葉片出口溫度分布進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算及分析，得到其與冷卻蒸汽量和蒸汽溫度的關(guān)系；萬(wàn)燕等[4]以某350 MW機(jī)組為例，結(jié)合單耗理論進(jìn)行高背壓改造方式下供熱季與非供熱季經(jīng)濟(jì)性及能耗對(duì)比；趙沖等[5]提出了4種天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方案以進(jìn)行對(duì)比分析；谷偉偉等[6]采用有限元方法，建立了某電廠300 MW汽輪機(jī)低壓末級(jí)葉片在汽流激振力下的振動(dòng)方程，采用直接積分方法分別計(jì)算了葉片在設(shè)計(jì)工況和低壓缸切缸供熱工況下的動(dòng)應(yīng)力；李洋[7]分析了幾種供熱方式的特點(diǎn),通過(guò)比較不同方案的熱電比、供暖面積、耗煤量、發(fā)電量等經(jīng)濟(jì)指標(biāo),確定了最佳改造方案，并通過(guò)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)供熱改造后機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性、安全性進(jìn)行了分析；曲大雷[8]等通過(guò)分析運(yùn)行中主機(jī)振動(dòng)、軸串、瓦溫等參數(shù)和檢查低壓轉(zhuǎn)子末級(jí)葉片的情況,給其他電廠低壓缸切缸改造提供了參考；康劍南等[9]對(duì)某調(diào)峰機(jī)組汽輪機(jī)末級(jí)葉片小容積流量問(wèn)題進(jìn)行了模態(tài)特性及動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明:末級(jí)葉片在2 820～3 090 rpm之間無(wú)共振點(diǎn),而額定溫度范圍內(nèi)整圈葉片無(wú)共振轉(zhuǎn)速。基于額定工況，2.2 kPa、40 t/h設(shè)計(jì)工況下的動(dòng)應(yīng)力滿(mǎn)足要求,而其他非設(shè)計(jì)工況下的動(dòng)應(yīng)力已超出了葉片的耐振強(qiáng)度,全工況動(dòng)靜應(yīng)力極值均處于葉型根部出汽側(cè),導(dǎo)致葉片的耐振強(qiáng)度許用值較低；謝天等[10]為提高某北方200 M機(jī)組供熱負(fù)荷及熱電解耦能力,對(duì)比光軸、低壓缸零出力兩種方案的熱經(jīng)濟(jì)性及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,分析了不同方案的優(yōu)、缺點(diǎn)。

在諸多的文獻(xiàn)中，未見(jiàn)有對(duì)低壓缸切除供熱系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方法進(jìn)行論證的，特別是對(duì)冷卻蒸汽旁路管徑的選擇依據(jù)、聯(lián)通管蝶閥和冷卻蒸汽旁路蝶閥協(xié)同調(diào)節(jié)方式等問(wèn)題缺少深入的研究。

本文結(jié)合某600 MW超臨界濕冷汽輪發(fā)電機(jī)組切缸供熱運(yùn)行情況，試圖分析聯(lián)通管蝶閥切缸前的合理開(kāi)度，切缸后旁路蝶閥的合理開(kāi)度，以及切缸過(guò)程中兩個(gè)蝶閥開(kāi)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為旁路管道規(guī)格的選擇，旁路蝶閥的選擇，以及切缸過(guò)程中控制策略的制定提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 切缸供熱系統(tǒng)

低壓缸切除供熱系統(tǒng)中，中壓缸排汽分為兩部分，一部分進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器供熱，一部分可通過(guò)中低壓缸聯(lián)通管進(jìn)入低壓缸作功，亦可通過(guò)冷卻蒸汽旁路進(jìn)入低壓缸作功。某600 MW機(jī)組在兩個(gè)低壓缸的進(jìn)口分別設(shè)置調(diào)節(jié)型蝶閥，在兩路冷卻蒸汽旁路上亦分別設(shè)置調(diào)節(jié)型蝶閥和孔板流量計(jì)，切缸運(yùn)行時(shí)，單個(gè)低壓缸設(shè)計(jì)進(jìn)汽流量≥72 t/h，排汽溫度≤80 ℃，排汽背壓≤2 kPa。具體流程見(jiàn)圖1。

圖1 低壓缸切除供熱系統(tǒng)示意圖

其中，冷卻蒸汽旁路有以下幾方面的功能：首先是為了補(bǔ)償聯(lián)通管蝶閥小流量時(shí)的可調(diào)范圍；其次是為了規(guī)避聯(lián)通管蝶閥在小開(kāi)度下可能會(huì)出現(xiàn)自行關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)；再次是為了解決聯(lián)通管蝶閥長(zhǎng)期小開(kāi)度下運(yùn)行存在振動(dòng)和沖刷問(wèn)題。

由于設(shè)置了冷卻蒸汽旁路，于是就需要明確旁路管管徑設(shè)計(jì)依據(jù)、聯(lián)通管蝶閥和旁路蝶閥在切缸過(guò)程的控制策略。

2 旁路和蝶閥規(guī)格選擇依據(jù)

冷卻蒸汽旁路管道內(nèi)徑和蝶閥規(guī)格選擇的總體思路如圖2所示。

圖2 旁路管道和蝶閥規(guī)格確定流程

其中，聯(lián)通管規(guī)格為Φ1 371.6×25，聯(lián)通管蝶閥規(guī)格為DN1300。

聯(lián)通管蝶閥特性曲線見(jiàn)圖3。聯(lián)通管蝶閥的調(diào)節(jié)性能接近于等百分比特性，控制精度較高。

圖3 閥門(mén)特性曲線

為了確定聯(lián)通管蝶閥最小允許開(kāi)度，以中排壓力和低壓缸進(jìn)汽流量作為變量，對(duì)它們進(jìn)行排列組合產(chǎn)生不同工況，計(jì)算每種工況對(duì)應(yīng)的蝶閥開(kāi)度，并結(jié)合聯(lián)通管蝶閥實(shí)際運(yùn)行中振動(dòng)等方面的表現(xiàn)(經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，該項(xiàng)目聯(lián)通管蝶閥可在開(kāi)度6%及以上安全可靠運(yùn)行)，確定聯(lián)通管蝶閥的最小允許開(kāi)度為10%。為了提高計(jì)算效率作者開(kāi)發(fā)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。圖4是10%及以下開(kāi)度時(shí)，聯(lián)通管蝶閥通流量-中排壓力-聯(lián)通管蝶閥開(kāi)度關(guān)系曲線。

其中，開(kāi)度10%，中排壓力從500 kPa.a升高到1 100 kPa.a時(shí)，通流量從72 t/h增加到159 t/h，當(dāng)中排壓力500 kPa.a，通流量72 t/h時(shí)對(duì)應(yīng)體積流量最大，約42 423 m3/h，由此可確定，當(dāng)旁路蒸汽流速按60 m/s設(shè)計(jì)時(shí)，旁路管道內(nèi)徑為Φ500 mm；圖4中線段a-b所示為通流量72 t/h時(shí)，中排壓力與聯(lián)通管蝶閥開(kāi)度的關(guān)系。

圖4 聯(lián)通管蝶閥通流量與閥門(mén)開(kāi)度的關(guān)系

圖5所示為聯(lián)通管蝶閥開(kāi)度10%時(shí)，通流量與中排壓力的關(guān)系曲線，從圖中可以看出兩者為線性關(guān)系，這個(gè)主要是由于閥門(mén)出現(xiàn)阻塞流造成的，此時(shí)通流量與閥門(mén)前后壓差無(wú)關(guān)，僅與閥前壓力和比容有關(guān)。

圖5 聯(lián)通管蝶閥通流量與進(jìn)汽壓力關(guān)系

從圖3中可以看出，旁路蝶閥隨著開(kāi)度的增加，調(diào)節(jié)性能趨于快開(kāi)特性，控制精度變差，在15%至30%范圍內(nèi)，具有相對(duì)較好的調(diào)節(jié)性能。

當(dāng)旁路蝶閥規(guī)格選擇DN500時(shí)，如圖6所示，旁路蝶閥開(kāi)度為30.6%時(shí)，其在不同中排壓力下，通流量與聯(lián)通管蝶閥開(kāi)度10%時(shí)相同，并且對(duì)應(yīng)旁路管道內(nèi)蒸汽流速均為60 m/s。圖6中線段a-b所示為通流量72 t/h時(shí)，中排壓力與旁路蝶閥開(kāi)度的關(guān)系，即切缸運(yùn)行工況下，隨著中排壓力從500 kPa.a升高到1 000 kPa.a時(shí)，旁路蝶閥開(kāi)度由30.6%減小到18.4%，此開(kāi)度范圍位于閥門(mén)調(diào)節(jié)性能較好的范圍內(nèi)，說(shuō)明DN500的閥門(mén)口徑選擇是比較合理的。

圖6 旁路蝶閥通流量與閥門(mén)開(kāi)度的關(guān)系

圖7所示為旁路蝶閥開(kāi)度30.6%時(shí)，通流量與中排壓力的關(guān)系曲線，從圖中可以看出兩者亦為線性關(guān)系，具體原因與聯(lián)通管蝶閥一致。

圖7 旁路蝶閥通流量與進(jìn)汽壓力關(guān)系

另外，由于蒸汽經(jīng)過(guò)旁路蝶閥后，降壓擴(kuò)容作用明顯，如果閥后管道內(nèi)徑與閥前一致，則閥后蒸汽流速約為230 m/s，為了控制閥后蒸汽流速亦為60 m/s，閥后旁路管道內(nèi)徑選擇Φ1 000 mm，管道長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短，旁路蝶閥與閥后管道之間通過(guò)變徑管過(guò)渡。

3 切缸控制策略

某600 MW機(jī)組為三缸四排汽，即有兩個(gè)低壓缸，對(duì)于切缸方式而言存在單獨(dú)切除某一低壓缸和同時(shí)切除兩低壓缸的情況，本文僅對(duì)前一種情況進(jìn)行論述，供其他情況參考。

切缸控制策略包含三個(gè)階段：切缸前的階段，即聯(lián)通管蝶閥開(kāi)度大于10%的階段，此階段以中排壓力為目標(biāo)，自動(dòng)調(diào)節(jié)聯(lián)通管蝶閥開(kāi)度，旁路蝶閥處于關(guān)閉狀態(tài)；過(guò)渡階段，期間聯(lián)通管蝶閥開(kāi)度由10%減小至0，同時(shí)旁路蝶閥開(kāi)度由0增加至30.6%，過(guò)程中蒸汽分別由聯(lián)通管和旁路進(jìn)入低壓缸，聯(lián)通管通過(guò)的蒸汽流量不斷減少直至為零，旁路通過(guò)的蒸汽不斷增加直至聯(lián)通管蝶閥開(kāi)度10%時(shí)對(duì)應(yīng)的蒸汽流量，但進(jìn)入低壓缸的總蒸汽流量保持不變。此階段應(yīng)緩慢減小聯(lián)通管蝶閥的開(kāi)度，同時(shí)以穩(wěn)定當(dāng)前中排壓力為目標(biāo)，自動(dòng)調(diào)節(jié)旁路蝶閥的開(kāi)度；切缸階段，此時(shí)聯(lián)通管蝶閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此階段同樣以中排壓力為目標(biāo)，自動(dòng)調(diào)節(jié)旁路蝶閥開(kāi)度，需要注意的是旁路蝶閥存在最小允許開(kāi)度的限制，此開(kāi)度受低壓缸進(jìn)汽流量，即低壓缸進(jìn)汽壓力的制約，圖6中線段a-b所示即為對(duì)應(yīng)中排壓力下，旁路蝶閥的最小允許開(kāi)度值，即切缸狀態(tài)下的開(kāi)度值。

圖8所示為過(guò)渡階段，聯(lián)通管蝶閥關(guān)閉，旁路蝶閥打開(kāi)時(shí)，兩個(gè)閥門(mén)不同時(shí)刻開(kāi)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從圖中可以看出，旁路蝶閥開(kāi)啟的速率是聯(lián)通管蝶閥關(guān)閉速率的3～3.5倍。在自動(dòng)控制過(guò)程中，也可以通過(guò)對(duì)聯(lián)通管蝶閥關(guān)閉速率做限速處理，以使兩閥門(mén)的關(guān)閉和開(kāi)啟速率協(xié)調(diào)一致來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)渡過(guò)程的控制。

圖8 過(guò)渡階段兩閥開(kāi)度對(duì)應(yīng)關(guān)系

除上述控制邏輯外，同時(shí)還需考慮相關(guān)的聯(lián)鎖保護(hù)方面的控制邏輯，包括：中排壓力高保護(hù)邏輯；3、4抽差壓高保護(hù)邏輯；低壓缸進(jìn)汽壓力低保護(hù)邏輯；低壓缸排汽溫度高保護(hù)邏輯；低壓缸排汽壓力高保護(hù)邏輯；發(fā)電機(jī)解列保護(hù)；汽輪機(jī)跳閘保護(hù)；鍋爐MFT保護(hù)等。

以上所述為切缸的正過(guò)程，其逆過(guò)程，反之即可，此處不再贅述。

4 結(jié)論

(1)本文結(jié)合某火力發(fā)電廠600 MW超臨界濕冷汽輪發(fā)電機(jī)組切缸供熱運(yùn)行情況，確立了冷卻蒸汽旁路管道設(shè)計(jì)和旁路蝶閥選型的依據(jù)，以及聯(lián)通管蝶閥和旁路蝶閥協(xié)同控制的策略。

(2)當(dāng)聯(lián)通管蝶閥10%開(kāi)度時(shí)，通過(guò)最大容積流量確定旁路管道為DN500，對(duì)應(yīng)旁路蝶閥開(kāi)度為30.6%，其調(diào)節(jié)特性處于較好的范圍內(nèi)。

(3)整個(gè)切缸過(guò)程的控制目標(biāo)均取中排壓力，使控制過(guò)程簡(jiǎn)單、可靠、邏輯清晰。