顧偉偉

(中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200063)

0 引言

火力發(fā)電在我國的電力構(gòu)成中占據(jù)了主導地位，而且在未來很長一段時間將依然保持著較高的比例，尋求高效低碳環(huán)保已經(jīng)成為我國火力發(fā)電機組技術(shù)不斷更新的動力。以一臺功率為30萬kW的燃煤機組為例，熱效率每提高1%，每天即可節(jié)約燃料15～20 t標準煤?？紤]到全國火力發(fā)電機組的總裝機容量，提高熱效率所帶來的節(jié)能效果將是非?？捎^的。

火力發(fā)電過程可以簡化成朗肯循環(huán)，提高機組蒸汽的初參數(shù)(初溫度和初壓力)可以有效提高機組的熱效率。隨著國內(nèi)機組初參數(shù)的不斷提高，機組熱效率已達到40%以上，而初參數(shù)受現(xiàn)有材料影響已接近極限。為進一步提高機組熱效率，機組回熱系統(tǒng)的設(shè)計尤為關(guān)鍵。

汽輪機回熱系統(tǒng)作為火電廠熱力系統(tǒng)的核心部分，其運行效率對汽輪機設(shè)備運行經(jīng)濟性有很大影響?，F(xiàn)有的大容量高參數(shù)機組多采用再熱和回熱技術(shù)以提高機組熱效率?；責嵯到y(tǒng)利用汽輪機抽汽加熱給水，可以提高電廠的熱效率，減少熱損耗[1]。

針對高參數(shù)機組抽汽過熱度較高、傳熱溫差較大的問題，工程師們提出了一種回熱小汽輪機。過熱度較高的蒸汽在小汽輪機中做功，回熱小汽輪機中過熱度較低的蒸汽參與回熱，使回熱系統(tǒng)的效率更高。

為了進一步提高熱效率，減少回熱小汽輪機中的進汽節(jié)流損失，申松林等提出了一種新型的基于發(fā)電機調(diào)速的回熱小汽輪機來改善回熱系統(tǒng)，以進一步提高熱效率，降低煤耗[2]。如何控制基于發(fā)電機調(diào)速的回熱小汽輪機，以適應機組啟動、運行和故障工況下的不同需求，尤其是正常運行期間變負荷工況的需求，是本文需要解決的問題。

1 回熱小汽輪機系統(tǒng)

1.1 回熱小汽輪機介紹

回熱小汽輪機將再熱冷段蒸汽作為汽源做功，同時小機中過熱度較低的抽汽和排汽作為加熱器的汽源，可減少加熱器中的不可逆損失，提高機組熱效率。回熱小汽輪機還可帶動給水泵或風機運行以提供用戶用水或用風，類似于常規(guī)的汽動給水泵和汽動風機。如圖1所示展示了回熱小汽輪機帶給水泵運行的配置圖，回熱小汽輪機的抽汽和排汽可以作為加熱器或熱網(wǎng)的汽源，抽汽級數(shù)可選。

圖1 回熱小汽輪機帶給水泵運行配置圖

與常規(guī)汽輪機抽汽加熱給水相比，回熱小汽輪機抽汽和排汽的過熱度較低，可有效降低回熱加熱器的傳熱溫差，提高機組效率；與常規(guī)電動給水泵(或電驅(qū)動風機)方案相比，回熱小汽輪機帶給水泵減少了蒸汽做功發(fā)電再驅(qū)動給水泵的環(huán)節(jié)，減少了過程損耗，且減少了廠用電率；與常規(guī)汽動給水泵機組相比，主汽輪機高壓段的蒸汽流量增大、低壓段的流量減小，使汽輪機的結(jié)構(gòu)更為合理，同時可減小鍋爐再熱器換熱面積。

1.2 回熱小汽輪機的控制方式

為實現(xiàn)功率平衡并使給水泵轉(zhuǎn)速可調(diào)，小汽輪機進汽入口設(shè)調(diào)節(jié)閥?；責嵝∑啓C的轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)節(jié)小汽輪機入口調(diào)節(jié)閥的開度來控制，控制回路可選擇簡單的單閉環(huán)比例積分微 分 (proportional integral and differential，PID)控制，如圖2所示。轉(zhuǎn)速的指令和反饋偏差經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器形成調(diào)閥開度指令，驅(qū)動小汽輪機系統(tǒng)加減速，以滿足轉(zhuǎn)速指令要求。

圖2 回熱小汽輪機轉(zhuǎn)速控制框圖

1.3 配回熱小汽輪機的二次再熱機組熱力系統(tǒng)

一種新型的配回熱小汽輪機的二次再熱機組熱力系統(tǒng)，其原則性系統(tǒng)圖如圖3所示。主蒸汽經(jīng)高壓缸做功后進入再熱器1再熱，然后再進入中壓缸做功，做功完的低過熱度蒸汽經(jīng)再熱器2再熱后進入中壓缸2和低壓缸做功，排汽進凝汽器。配回熱小汽輪機的回熱系統(tǒng)利用再熱前的蒸汽，驅(qū)動背壓抽汽小汽輪機與給水泵組等，從小汽輪機中抽汽，利用過熱度較低的小汽輪機抽汽和排汽，通過加熱器來加熱(除氧)凝結(jié)水和給水，與現(xiàn)有熱力系統(tǒng)相比：

圖3 配回熱小汽輪機的二次再熱機組原則性系統(tǒng)圖

1) 由于抽汽溫度低，可提高熱力循環(huán)效率；

2) 由于抽汽溫度低，也降低了相關(guān)抽汽管道、閥門、加熱器的材料等級，節(jié)約了管道、閥門及設(shè)備的制造成本；

3) 小汽輪機汽源為高壓缸或中壓缸排汽，這部分蒸汽將不再進入再熱系統(tǒng)，可顯著減少進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。

圖3中的原則性系統(tǒng)圖分別以高壓缸排汽和中壓缸排汽作為汽源來驅(qū)動兩臺小汽輪機，代表著二次再熱機組有兩個蒸汽來源可以作為小汽輪機的汽源，體現(xiàn)了小汽輪機和被驅(qū)動裝置可配置數(shù)量的能力。實際中由于多機組協(xié)調(diào)會增加系統(tǒng)的控制難度，小汽輪機一般只配置一臺用于驅(qū)動給水泵裝置和抽汽回熱，降低了系統(tǒng)的復雜性和協(xié)調(diào)控制的難度。

2 基于發(fā)電機調(diào)速的回熱小汽輪機控制策略

2.1 基于發(fā)電機調(diào)速的回熱小汽輪機

為滿足夏季機組滿發(fā)，小汽輪機的額定出力通常比給水泵的額定出力大，而給水泵的額定出力比機組額定負荷所需要的出力大，故小汽輪機的額定出力有較大裕量。因此，在滿負荷運行時，小汽輪機的進汽閥就需要進行節(jié)流。而在變負荷工況下，較低的機組負荷意味著較低的回熱小汽輪機出力，小汽輪機的進汽閥開度將進一步減小，造成了較大的節(jié)流損失。為減小這部分的節(jié)流損失，提高機組效率，盡量保證進汽閥在較大開度下運行是必須的。同時，多余的這部分功率需要得到消納，且能滿足在不同工況下小機轉(zhuǎn)速可調(diào)的需求，基于發(fā)電機調(diào)速的回熱小汽輪機應運而生，如圖4所示。

圖4 基于發(fā)電機調(diào)速的回熱小汽輪機配置圖

通過調(diào)節(jié)發(fā)電機出力來控制小汽輪機轉(zhuǎn)速，使小汽輪機進汽閥保持較大開度或全開，減少節(jié)流損失，也能滿足不同工況下泵或者風機的不同負荷需求。同時能充分利用小汽輪機的出力，通過發(fā)電機向廠用電網(wǎng)供電，減小廠用電率，提高電廠的售電收益。

2.2 發(fā)電機的選擇、配置方式和控制需求

發(fā)電機、小汽輪機和給水泵等負載同軸布置或通過變速器聯(lián)接達到轉(zhuǎn)速匹配，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)給水泵等負載的負荷，滿足發(fā)電廠變負荷運行的需求，抽汽和排汽依然可以作為加熱器或熱網(wǎng)的熱源。由于變負荷運行帶來的發(fā)電機變轉(zhuǎn)速運行，永磁同步電機不適用于這種工況，發(fā)電機根據(jù)不同的應用條件可以采用直流發(fā)電機、異步發(fā)電機和雙饋發(fā)電機。

直流發(fā)電機控制簡單，運行穩(wěn)定，適用于設(shè)有直流廠用電的場所，在電廠中應用較少，也可以將直流變?yōu)榻涣骱蠼尤虢涣鲝S用電系統(tǒng)，但是增加了逆變器，系統(tǒng)較為復雜，不適合本工況。異步發(fā)電機發(fā)出的電可以接入交流廠用電系統(tǒng)或其它電力系統(tǒng)，在電廠中應用廣泛，但是需配置全功率變流器，對變流器的功率等級要求較高；雙饋發(fā)電機具有靈活的運行方式，變流器的功率等級相對要小一些，在風力發(fā)電、抽水蓄能電站中應用較為廣泛。

由于異步電機的運用廣泛，控制可靠，在電廠的技術(shù)革新中具有較高的可靠性，而雙饋電機的應用時間相對較短，且控制較為復雜，因此選擇異步電機加全功率變流器的配置方案。對異步電機加全功率變流器的控制策略需要解決：

1) 在正常運行工況下滿足負荷對水泵的轉(zhuǎn)速要求，通過變流器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速達到匹配，同時將小汽輪機多余的功率發(fā)電上網(wǎng)；

2) 在啟動工況無汽源時的啟動上水問題；

3) 在異步電機加全功率變流器故障時的系統(tǒng)響應。

2.3 基于異步電機加 全功率變流器調(diào)速的回熱小汽輪機控制策略

異步電機的數(shù)學模型是一個多變量、強耦合的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制可以通過旋轉(zhuǎn)變換進行降階，并通過磁鏈觀測器對數(shù)學模型進行完全解耦[2]。

如圖5所示，為在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)坐標系下的磁鏈觀測模型，通過對異步電機三相定子電流和電機轉(zhuǎn)速的檢測，可以計算得到轉(zhuǎn)子磁鏈φr和位置θ的觀測值，此位置觀測值θ可以作為Park變換的輸入。通過對轉(zhuǎn)子磁鏈和位置的解耦，可以實現(xiàn)異步電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。

圖5 磁鏈觀測器原理圖

如圖6所示，為異步電機轉(zhuǎn)速控制的控制策略框圖，采用雙閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速外環(huán)采用PI控制，滿足轉(zhuǎn)速指令的快速響應，內(nèi)環(huán)采用電流閉環(huán)PI控制，改善轉(zhuǎn)速控制的動態(tài)特性；磁鏈外環(huán)同樣也采用PI控制，使磁鏈盡量保持恒定，保證能夠產(chǎn)生較大的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，內(nèi)環(huán)采用電流閉環(huán)保證磁鏈調(diào)節(jié)的動態(tài)特性。通過對磁鏈和位置的觀測，解耦轉(zhuǎn)速閉環(huán)和磁鏈閉環(huán)，使得帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統(tǒng)可以看成是兩個獨立的線性子系統(tǒng)，可以采用經(jīng)典控制理論的單變量線性系統(tǒng)工程設(shè)計方法來設(shè)計自動速度調(diào)節(jié)器(automatic speed regulator，ASR)和自動磁鏈調(diào)節(jié)器AφR。

圖6 異步電機的轉(zhuǎn)速控制框圖

異步電機的轉(zhuǎn)速指令與反饋偏差，經(jīng)ASR調(diào)節(jié)后生成轉(zhuǎn)矩指令Te*，經(jīng)解耦計算后得到T軸電流指令；磁鏈指令與反饋偏差經(jīng)AφR調(diào)節(jié)后生成M軸電流指令。T軸和M軸的電流指令與反饋進行PI調(diào)節(jié)后生成T軸和M軸的電壓指令，經(jīng)Park逆變換后得到靜止坐標系下的電壓矢量指令，通過空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation，SVPWM)調(diào)制后得到變流器的驅(qū)動信號，驅(qū)動變流器動作。

通過轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)控制的異步電機加全功率變流器，使得回熱小汽輪機避免進汽節(jié)流損失成為可能，帶回熱小汽輪機的機組效率進一步提高。變流器調(diào)節(jié)的異步電機能快速響應系統(tǒng)對給水泵轉(zhuǎn)速變化的需求，異步電機通過全功率變流器并入廠用電網(wǎng)，可以減少廠用電率提高售電收益，使得電廠的經(jīng)濟效益進一步增加。

2.4 啟動和故障情況的控制策略

在機組啟動階段，如果無汽源驅(qū)動回熱小汽輪機，無法實現(xiàn)給水泵上水，異步電機可以工作于電動模式從電網(wǎng)取電驅(qū)動給水泵，回熱小汽輪機單純作為傳動軸工作，系統(tǒng)無需額外設(shè)置啟動鍋爐或啟動給水泵。啟動階段的調(diào)速策略與前文一致，只是能量從廠用電網(wǎng)側(cè)到電機側(cè)。

當全功率變流器檢測到故障時(如開關(guān)管過熱、開關(guān)管短路、驅(qū)動無反饋等)，全功率變流器可以封鎖驅(qū)動退出運行，同時將故障信號反饋給主控，主控通過調(diào)節(jié)進氣閥開度來調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速，避免變流器故障對整個系統(tǒng)的影響。

小汽輪機的進氣閥電液控制可以作為后備控制，正常情況下由異步電機加全功率變流器實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

3 結(jié)語

回熱小汽輪機帶發(fā)電機的技術(shù)方案可以進一步減少小汽輪機節(jié)流損失，提高回熱系統(tǒng)的熱效率。尤其在高參數(shù)大容量機組中，回熱小汽輪機能發(fā)揮更大的效率優(yōu)勢，進一步降低煤耗，符合國家節(jié)能減排戰(zhàn)略。本文針對回熱小汽輪機帶異步電機加全功率變流器的技術(shù)方案，提出適用于本系統(tǒng)需求的回熱小汽輪機轉(zhuǎn)速控制方法，使回熱小汽輪機能按機組需求運行。小汽輪機進汽閥可全開或大開度工作，降低節(jié)流損失；廠用電網(wǎng)和回熱小汽輪機之間能量可雙向流動，廠用電網(wǎng)可以驅(qū)動回熱小汽輪機帶給水泵運行，回熱小汽輪機多余功率也可以發(fā)電上網(wǎng)，減少廠用電率，增加售電收益；回熱小汽輪機轉(zhuǎn)速可調(diào)，滿足系統(tǒng)的變負荷需求。