顧徐鵬（華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063）

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1000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組旁路溫度控制邏輯設(shè)計(jì)

顧徐鵬
（華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063）

摘要：泰州電廠二期是國(guó)內(nèi)首臺(tái)二次再熱燃煤機(jī)組，其旁路系統(tǒng)采用了100%BMCR高壓旁路加中低壓?jiǎn)?dòng)旁路的三級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)。高旁和中旁溫度采用基于閥后溫度的單回路閉環(huán)控制，低旁溫度控制采用的是一個(gè)基于焓值的開(kāi)環(huán)控制策略。

關(guān)鍵詞：二次再熱；旁路系統(tǒng)；旁路溫度控制。

在國(guó)內(nèi)節(jié)能減排政策的不斷推動(dòng)下，二次再熱技術(shù)近年來(lái)一下成為了各方關(guān)注和爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)。在相同蒸汽溫度、壓力條件下，二次再熱機(jī)組的熱效率比一次再熱機(jī)組可提高2%左右，CO2排放降低約3.6%。在700℃等級(jí)超超臨界技術(shù)成熟之前，發(fā)展二次再熱技術(shù)是提高機(jī)組熱效率的有效手段，是一種可行的節(jié)能降耗、清潔環(huán)保的火力發(fā)電技術(shù)。

1 工程概述

泰州電廠二期是國(guó)內(nèi)首臺(tái)百萬(wàn)千瓦超超臨界機(jī)組，建成后將成為世界上容量最大的二次再熱機(jī)組，對(duì)二次再熱技術(shù)在國(guó)內(nèi)的進(jìn)一步發(fā)展有著重要的示范意義。

泰州電廠二期主機(jī)參數(shù)采用 31 MPa /600/610/610℃，相比于國(guó)外一些二次再熱機(jī)組參數(shù)要高，但目前已經(jīng)過(guò)一次再熱機(jī)組反復(fù)檢驗(yàn)的鐵素體合金材料和奧氏體合金材料能夠滿足在這一參數(shù)下安全運(yùn)行的要求，材料上不存在明顯的技術(shù)瓶頸。然而二次再熱機(jī)組熱力系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，系統(tǒng)的控制邏輯以及將來(lái)的運(yùn)行、操作相對(duì)于傳統(tǒng)一次再熱機(jī)組都更為復(fù)雜，所以二次再熱機(jī)組的控制邏輯也成為了國(guó)內(nèi)突破二次再熱的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2 二次再熱機(jī)組旁路系統(tǒng)

2.1 旁路系統(tǒng)

二次再熱機(jī)組熱力系統(tǒng)與一次再熱機(jī)組有明顯的不同，一次再熱系統(tǒng)中蒸汽在高壓缸做功后進(jìn)入鍋爐進(jìn)行一次再加熱；而二次再熱系統(tǒng)中蒸汽在超高壓缸和高壓缸中做功后會(huì)分別在鍋爐的一次再熱器和二次再熱器中再次加熱。相比一次再熱系統(tǒng)，二次再熱系統(tǒng)鍋爐增加一級(jí)再熱系統(tǒng)，汽輪機(jī)則增加一級(jí)循環(huán)做功。

為了配合二次再熱汽輪機(jī)組的啟動(dòng)及運(yùn)行要求，泰州電廠二期設(shè)置了高、中、低壓三級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)，高旁采用100%BMCR容量，中、低壓旁路容量均按照滿足機(jī)組啟動(dòng)要求設(shè)計(jì)。各級(jí)旁路閥門(mén)由德國(guó)Bopp & Reuther公司負(fù)責(zé)供貨，執(zhí)行機(jī)構(gòu)均采用液壓傳動(dòng)，具體流程見(jiàn)圖1。

該旁路系統(tǒng)可起到以下作用：

（1）機(jī)組在各種工況下（冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)和極熱態(tài)）用高中壓缸啟動(dòng)時(shí)，投入旁路系統(tǒng)，控制鍋爐快速提高蒸汽溫度使之與汽機(jī)汽缸金屬溫度較快地相匹配，從而縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間和減少蒸汽向空排放，減少汽機(jī)循環(huán)壽命損耗，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的最佳啟動(dòng)。

（2）啟動(dòng)時(shí)，減少蒸汽中的固體小顆粒通過(guò)旁路進(jìn)入汽輪機(jī)，從而防止汽輪機(jī)調(diào)速汽門(mén)、進(jìn)氣口及葉片的硬粒侵蝕。

（3）啟動(dòng)及甩負(fù)荷時(shí)，有效地冷卻鍋爐所有受熱面，特別是可以很好地保護(hù)再熱器，防止再熱器干燒。

（4）機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，高壓旁路裝置具有超壓安全保護(hù)的功能。鍋爐超壓時(shí)高壓旁路開(kāi)啟，代替鍋爐安全閥功能，并按照機(jī)組主蒸汽壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，直到恢復(fù)正常值。從而使系統(tǒng)回收工質(zhì)，減少噪音。

圖1 泰州電廠二期旁路系統(tǒng)示意圖

2.2 旁路噴水減溫水源及閥門(mén)選型

高壓旁路減溫水取自高加出口的主給水管道，最大壓力為44 MPa，正常工作壓力為39 MPa，水溫為315℃。

中壓旁路減溫水取自給水泵中間抽頭，最大壓力為25 MPa，，正常工作壓力為20.5 MPa，水溫為190.6℃。

低壓旁路減溫水取自凝結(jié)水系統(tǒng)減溫水母管，最大壓力為5.2 MPa，正常工作壓力為3.8 MPa，水溫為正常為33℃，最高為50℃。

3 旁路溫度控制

旁路控制器包含兩個(gè)主要回路，壓力控制和溫度控制。壓力控制器通過(guò)旁路閥位控制調(diào)節(jié)閥前蒸汽壓力，溫度控制器通過(guò)噴水調(diào)節(jié)閥控制旁路出口溫度或焓值。下面就對(duì)旁路的溫度控制方案作詳細(xì)介紹。

3.1 高溫度控制

高旁溫度控制的目的是調(diào)節(jié)高旁減溫水調(diào)節(jié)閥，控制高旁閥后溫度，防止再熱器超溫或者由于高旁出口帶水而導(dǎo)致閥后管道及再熱器損壞。高旁噴水管路設(shè)有一臺(tái)液動(dòng)截止閥和一臺(tái)液動(dòng)調(diào)節(jié)閥，設(shè)置截止閥主要是防止因調(diào)節(jié)閥泄漏，而導(dǎo)致高旁閥體在冷再熱蒸汽和泄漏出的冷水作用下產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力而導(dǎo)致閥體開(kāi)裂損壞。高旁減溫水截止閥在高旁調(diào)節(jié)閥開(kāi)度＞2.5%且閥后蒸汽過(guò)熱度＞20K時(shí)連鎖打開(kāi)，使高旁減溫水隨時(shí)可以投入運(yùn)行；在高旁調(diào)節(jié)閥開(kāi)度＜3%或閥后蒸汽過(guò)熱度＜10K時(shí)連鎖關(guān)閉，截?cái)鄿p溫水管路防止其過(guò)噴或泄漏。

高旁減溫水調(diào)節(jié)閥的控制是以高旁閥后溫度為控制參數(shù)的單回路閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制邏輯見(jiàn)圖2。閥后溫度設(shè)定值是旁路閥后壓力的函數(shù)，這是一個(gè)預(yù)先設(shè)定好的關(guān)系曲線，得到的設(shè)定值必須有30K的過(guò)熱度且不能超過(guò)390℃的溫度限值。

圖2 高旁減溫水控制邏輯

高旁溫度控制器中還引入了閥位前饋，該前饋量的計(jì)算類似于低旁的控制方法，根據(jù)溫度設(shè)定值計(jì)算出閥后焓值目標(biāo)，換算出需要噴多少減溫水，從而直接獲得噴水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。引入該前饋可以幫助噴水調(diào)節(jié)閥在高旁打開(kāi)時(shí)，不受溫度測(cè)量延時(shí)的影響而盡快開(kāi)啟，保護(hù)再熱器。

3.2 中旁溫度控制

中旁是二次再熱機(jī)組比較特殊的一個(gè)系統(tǒng)，但結(jié)合系統(tǒng)流程圖不難發(fā)現(xiàn)，中旁減溫噴水的控制要求與高旁基本是一致的，需要閥后溫度控制在合適的范圍，既要防止二次再熱器超溫，又要保證有一定的過(guò)熱度，防止減溫水過(guò)噴影響機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。所以，中旁溫度控制邏輯可以參考高旁溫度控制的方案，這里就不再贅述了。

3.3 低旁溫度控制

低旁溫度控制的目標(biāo)是調(diào)節(jié)低旁減溫水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，控制低旁閥后蒸汽參數(shù)在合適的范圍內(nèi)，使其能滿足凝汽器的要求，保護(hù)凝汽器不因?yàn)榕月烦隹谡羝麥囟冗^(guò)高而受到過(guò)大的熱沖擊，或者由于蒸汽濕度過(guò)大導(dǎo)致凝汽器管束的沖刷損壞。由于低旁閥后蒸汽一般都非常接近或處于飽和狀態(tài)，在閥后壓力下工質(zhì)的汽化潛熱將達(dá)到2000 kJ/kg以上，蒸汽進(jìn)入飽和狀態(tài)后，在直到出現(xiàn)過(guò)冷前，減溫噴水對(duì)低旁閥后溫度都將不產(chǎn)生影響，所以不能采用閥后溫度反饋來(lái)對(duì)減溫水調(diào)閥作閉環(huán)控制。

泰州電廠二期采用了以下開(kāi)環(huán)控制策略：利用低旁開(kāi)度和閥門(mén)特性計(jì)算出低旁的通流量，再根據(jù)低旁閥前、后的蒸汽壓力和溫度，計(jì)算出蒸汽的焓降，兩者相乘得出蒸汽需要降低的熱量，這樣根據(jù)能量守恒原理就可以精確計(jì)算出低旁需要的冷卻水量，然后直接根據(jù)減溫水調(diào)閥的流量—閥位特性，得出減溫水調(diào)閥的開(kāi)度。具體計(jì)算方法如下，式中的低旁通流量計(jì)算式是由旁路閥門(mén)廠家提供的。

式中：Kv為閥門(mén)特性因數(shù)；PI為低旁進(jìn)口蒸汽壓力；TI為低旁進(jìn)口蒸汽溫度；v'為PI/2 和TI下蒸汽的比體積。

文獻(xiàn)［4］指出，由于低旁調(diào)節(jié)閥直對(duì)凝汽器，閥后管道很短，導(dǎo)致閥后溫度安裝困難，即使可以安裝，安裝位置也過(guò)于接近閥門(mén)，噴入低旁的大量減溫水還未完全與蒸汽混合并汽化，導(dǎo)致測(cè)得的閥后溫度無(wú)法真實(shí)反映低旁蒸汽進(jìn)入凝汽器的狀態(tài)。所以許多工程都按照凝汽器可接受的最大蒸汽焓值（比如2615 kJ/kg）直接作為低旁閥控制的目標(biāo)焓值代入上述計(jì)算式。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)在低旁減溫水管道上安裝了流量測(cè)量裝置，所以上述開(kāi)環(huán)控制策略中可以引入減溫水流量反饋形成局部的閉環(huán)來(lái)更精確地控制減溫噴水量。但從上述計(jì)算式可知，減溫水流量是否滿足需求還取決于廠家提供的低旁閥門(mén)特性是否準(zhǔn)確，計(jì)算出的低旁通流量與實(shí)際值的誤差有多少，若閥門(mén)流量特性不準(zhǔn)，引入局部反饋的意義就大打折扣了。

4 結(jié)論

二次再熱機(jī)組熱力系統(tǒng)較一次再熱機(jī)組更為復(fù)雜，控制也有其特殊性。本文以泰州電廠二期為例，介紹了二次再熱機(jī)組旁路系統(tǒng)的配置，并依次詳細(xì)分析了高旁、中旁和低旁溫度的控制策略。按照系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，高、中旁溫度可采用基于閥后溫度的單回路調(diào)節(jié)，而低旁則采用基于焓值的開(kāi)環(huán)控制方案，希望能對(duì)今后的系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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［6］ 楊培成，周麗.低壓旁路溫度典型控制策略對(duì)比分析及優(yōu)化［J］.熱力發(fā)電，2010，39（7）.

中圖分類號(hào)：TM621

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-9913（2016）02-0014-04

* 收稿日期：2016-02-17

作者簡(jiǎn)介：顧徐鵬（1985- ），男，江蘇啟東人，助理工程師，從事電廠熱工控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

Design of Bypass Temperature Control Logic in 1000 MW Ultra-supercritical Second Reheat Units

GU Xyu-peng
（East China Electric Power Design Institute Co.， Ltd.， Shanghai 200063， China）

Abstract:Taizhou Phase II is the first double reheat coal fired power plant in China. It has a 3 stage cascade bypass system which contains a 100% BMCR HP bypass， an IP bypass for startup and a LP bypass for startup also. HP and IP bypass temperature control is a single parameter close loop control based on the temperature after the bypass valve. LP temperature control is a open loop control based on the enthalpy.

Key words:double reheat； bypass system； bypass temperature control.