1000 MW超超临界二次再热机组高旁压力全程自动控制策略

顾徐鹏（华东电力设计院有限公司，上海 200063）



1000 MW超超临界二次再热机组高旁压力全程自动控制策略

顾徐鹏
（华东电力设计院有限公司，上海 200063）

编者按：

自2009年起，华东电力设计院有限公司建立课题，深入研究“二次再热”技术，目标是在现有超超临界燃煤发电技术的基础上大幅提高火电机组热效率。国电泰州电厂二期工程是由华东院公司设计的世界首个百万千瓦超超临界二次再热机组项目，该项目同时也是国家能源局百万千瓦超超临界二次再热燃煤发电示范项目和国家科技支撑计划依托工程。目前该工程两台机组已全部投入商业运行，达到当今世界燃煤火电机组的最好水平，使我国真正站在了火力发电领域的世界之巅。

作为我国首次尝试“二次再热”设计技术的探索，华东院公司历经概念提出、方案论证、工程设计和建设全过程，在“二次再热”设计技术方面取得了丰硕的成果并积累了大量经验。为与广大电力工作者分享成果和经验，给相关研究者提供有益的借鉴和启发，促进我国电力勘测设计行业的技术进步，《电力勘测设计》特设“二次再热”专栏，以飨读者。

摘要：泰州电厂二期是国内首台二次再热燃煤机组，其旁路系统采用了100%BMCR高压旁路加中低压启动旁路的三级串联旁路系统。该旁路配置可以加快机组的启动速度，且配置的100%BMCR高压旁路可以替代过热器安全阀完成保护功能，但该系统不考虑FCB工况。根据旁路的配置方案，制定了详细的高旁压力控制逻辑，并提出了一种新的汽轮机冲转压力计算方法。

关键词：二次再热；旁路压力控制；高旁旁路。

国电泰州电厂二期百万千瓦超超临界燃煤发电机组是我国自主设计、自主制造的首台超超临界二次再热（火电机组，三大主机均由上海电气供货，主机参数为31 MPa/600/610/610℃，建成后它将成为全世界容量最大的二次再热燃煤机组，具有重要的示范作用。二次再热机组相比于常规百万千瓦一次再热机组热力系统结构更加复杂，特别是旁路系统。因此，旁路系统的控制也成为了二次再热机组控制逻辑研究的一个重点。

1 泰州二期旁路系统配置

泰州电厂二期采用了上海汽轮机有限公司生产的超超临界、二次中间再热、单轴、五缸四排汽、凝汽式汽轮机（N1000-31/600/610/610型），该机型在引进西门子1000 MW级汽轮机组的基础上由上汽厂自主开发，启动方式采用带旁路的超高、高、中压缸联合启动。旁路系统采用了高、中、低压三级串联旁路系统，各级旁路阀门由德国Bopp & Reuther公司负责供货，执行机构均采用液压传动，其结构见图1。高、中、低压旁路系统的控制全部由分散控制系统（Distributed Control System， DCS）完成，不再配置独立的旁路控制系统。

图1 泰州电厂二期旁路系统示意图

高压旁路（过热器出口至一次再热冷段）按100%BMCR容量设置，分4路露天布置在锅炉房。中压旁路（一次再热热段至二次再热冷段）按启动工况最大主蒸汽流量加高旁减温水量选型，由2个半容量旁路调节阀组成。低压旁路（二次再热热段至凝汽器）按启动工况最大蒸汽流量加中旁减温水量选型，同样由2个半容量旁路调节阀组成。

该系统结构可以说是传统高、低压两级串联旁路在二次再热机组上的一个延伸，该旁路配置可以使机组在各种工况下采用超高、高、中压缸联合启动时，利用旁路系统，控制锅炉快速提高蒸汽温度使之与汽机汽缸金属温度较快地相匹配，从而缩短机组启动时间和减少蒸汽向空排放，减少汽机循环寿命损耗，实现机组的最佳启动。

泰州二期的100%BMCR容量高压旁路具有超压安全保护功能，可以替代过热器安全阀，在主蒸汽压力超过设定值时快开溢流，快开全行程仅需2s，并将按照滑压曲线进行自动调节，直到恢复正常值。这样过热器出口可以不再设置任何电磁泄放阀或者机械式安全阀，使得系统能回收所有工质，减少噪音。

常规一次再热机组100%高压旁路和50%～70%低压启动旁路的配置可以实现快速甩负荷（Fast Cut Back， FCB）功能，主要因为再热器配置了4×25%容量带气动执行机构的再热器安全阀，有效地控制了工质的损失，同时适当加大除氧器容积，使锅炉有稳定的给水来实现FCB。泰州二期没有配置带气动执行机构的再热器安全阀，再热器出口只有机械式安全阀，当机组高负荷运行发生汽机或发电机跳闸时，无法实现FCB功能，即不能停机不停炉或者甩负荷带厂用电运行。因为当汽轮发电机组甩负荷时，锅炉减负荷有速率限制，不能马上降低，而中、低压旁路由于容量不足无法接受所有再热蒸汽，将势必会逼高再热器压力使安全阀起跳，大量蒸汽将长时间对空排放，而机组的补水速度又难以跟上，工质链很快断裂，最终发生主燃料跳闸（Main Fuel Trip， MFT）。为了保证泰州二期的安全运行，旁路逻辑设计时将不考虑高负荷运行时的FCB工况，只在条件允许的情况下实现50%负荷以下的停机不停炉或者甩负荷带厂用电运行。

2 高旁压力的全程控制

旁路系统特别是高旁压力的控制对启动过程中主蒸汽参数与汽轮机超高压模块状态的匹配、或者甩负荷时防止热应力超限都起着重要的作用。本节将对高旁压力在机组启动、正常运行、正常停机以及甩负荷等各种工况下的控制策略作详细的分析。

2.1 汽轮机冲转压力的自动计算

上汽厂提供1000 MW级汽轮机对其冲转蒸汽参数有严格控制，汽轮机启动的整个过程都会根据相应的X准则来判断主汽阀、调节汽阀、汽缸、转子的热应力是否符合要求，冲转蒸汽压力过高，蒸汽温度与汽轮机金属温度不匹配，或者蒸汽过热度不足都可能造成阀体、汽缸、转子的内外温差过大而引起热应力超限，影响汽轮机的使用寿命。

为了满足汽轮机冲转的要求，一般会按机组的金属温度划分为四种启动工况，对应如下：停机超过72 h（金属温度＜150℃）为冷态启动；停机10～72 h（金属温度150～350℃）为温态启动；停机少于10 h（金属温度350～450℃）为热态启动；停机小于1 h（金属温度＞450℃）为极热态启动。对应这四种工况，常规一次再热机组高旁控制策略中确定汽轮机冲转压力的方法为：根据锅炉点火时的高压缸转子温度确定汽轮机的启动工况，然后直接套用汽机厂启动曲线中提供的冷温热态主蒸汽参数作为汽轮机的冲转参数。

传统方法离散地确定了四个工况点，而本工程在此基础上进行了改进，采用了一种新的利用超高压转子温度计算汽轮机冲转所需的主蒸汽压力的方法。方法具体计算过程为：根据主蒸汽温度满足不低于当时汽缸、转子温度减20℃，即满足X5、X6准则，由X准则计算出主蒸汽温度要求和过热度要求，两者作差可获得一个饱和蒸汽温度，该饱和蒸汽温度对应的压力即为所需的冲转压力，计算出的冲转压力必须在一定范围内（12～16 MPa之间）。该方法通过超高压转子温度获得一个连续的汽轮机可接受的冲转蒸汽压力，不再硬性地区分机组的冷态、稳态、热态、极热态，可以加快机组的启动速度。冲转压力的自动计算使得控制系统可以在锅炉点火之初就将旁路系统投自动，实现旁路系统的全程自动控制。该方法已经在多台600/1000 MW超超临界机组上得到成功应用。

2.2 高旁压力控制策略

根据二次再热机组的运行工况，系统将旁路控制方式分为A、B、C、D、E五种方式。A方式表示机组启动方式，根据锅炉的不同启动阶段又将A方式分为3个阶段，A1方式为高压旁路全关方式，A2方式为最小阀位启动方式，A3方式为旁路升压方式；B方式为机组正常运行时的旁路压力跟踪方式；C方式为当机组在50%负荷以下出现汽机跳闸、发电机解列，汽轮机无法接受全部蒸汽时，旁路系统所采用的控制方式；D、E方式均为锅炉停运后的旁路控制方式，D方式下旁路仍维持较高压力，避免高压管道能量损失，待下一次机组启动时可以尽快投入使用，E方式下则按速率要求对高压蒸汽管道进行泄压，以便进行停机后的检修。

图2为高旁压力的主要控制逻辑。锅炉点火后，旁路立即进入A1方式，高压旁路阀保持关闭，锅炉压力自由上升。锅炉点火12 min、或点火后主蒸汽压力已经超过最大允许冲转压力、或点火后锅炉累计升压超过一定量后，旁路控制切换到A2方式，高旁调节阀在1分钟内开至5%开度，再经过2分钟达到17%开度，这样可以保证一次再热器有一定的流量，防止其干烧损坏，同时限制旁路阀门在此开度，继续进行锅炉升压过程。A2方式持续12 min、或主蒸汽压力已经超过最大允许冲转压力时，旁路控制切换至A3方式，旁路开始控制主蒸汽压力，使锅炉主蒸汽压力逐步提升至汽轮机的冲转压力，并将高压旁路阀的阀位最小开度限制在8%～18%之间，最大开度限制在50%～100%。随着汽轮机冲转、并网带负荷，汽轮机与锅炉负荷逐渐匹配，高压旁路调阀持续关闭直到全关，控制系统发出汽机接管所有蒸汽信号，旁路控制即切换到B方式。在B方式下，高旁压力设定值确定为在机组滑压曲线上当前负荷点的主蒸汽压力值再叠加1.4 MPa的裕量，保证旁路在机组正常运行时保持在全关位置，并在出现异常扰动使主蒸汽压力突然升高时，打开高旁进行溢流。因为泰州电厂二期不考虑高负荷运行时的FCB工况，所以只有当50%负荷以下出现汽轮机跳闸或发电机未并网时，旁路控制方式才会切换到C方式。在C方式下，高旁压力控制器将直接根据机组滑压曲线控制主蒸汽压力，并使主蒸汽压力逐步下滑至汽轮机再次冲转的压力。当主蒸汽压力下滑至汽轮机再次冲转的压力时，高旁压力控制器又再一次切换到A3模式，保持主蒸汽压力，为下一次汽轮机冲转做准备。

图2 高旁压力控制逻辑示意图

为确保机组的安全运行，高压旁路还带有快开功能，出现以下几种情况将触发高旁快开：

（1） 机组负荷200 MW以上发生汽轮机跳闸或发电机未并网。

（2） 主蒸汽压力＞35.2 MPa。

（3） 主蒸汽流量大于50%，旁路控制在B方式下，主蒸汽压力高于协调系统主汽压力设定值2.4 MPa。

（4） 主蒸汽流量大于50%，旁路控制在C方式下，主蒸汽压力高于协调系统主汽压力设定值1.0 MPa。

3 结论

本文阐述了泰州电厂二期百万千瓦级二次再热机组的旁路系统配置、设计特点，详细分析了高旁压力控制逻辑，提出了一种更科学的汽轮机冲转压力计算方法，实现了高旁压力的全程控制。作为国内首台二次再热机组，这些控制逻辑将在系统调试过程中不断完善，为今后新建的二次再热项目提供参考。

参考文献：

［1］ 冯伟忠.1000 MW超超临界机组FCB试验［J］.中国电力，2008，41（10）.

［2］ 冯伟忠.1000 MW级火电机组旁路系统作用及配置［J］.中国电力，2005，38（8）.

［3］ 徐雪元，姚丹花.百万等级超超临界机组不同容量汽机旁路分析研究［C］.中国超超临界火电机组技术协作网第二届年会，2006.

［4］ 祝建飞，等.1000 MW超超临界汽轮机自启动中的热应力控制［J］.上海电力，2008，21（1）.

［5］ 朱介南，等.一种新的机组旁路系统控制策略的设计与应用［J］.热力发电，2010，39（9）.

中图分类号：TM621

文献标志码：A

文章编号：1671-9913（2016）02-0006-04

* 收稿日期：2016-02-17

作者简介：顾徐鹏（1985- ），男，江苏启东人，助理工程师，从事电厂热工控制系统设计工作。

Research of HP Bypass Control Automation in 1000 MW Ultra-supercritical Second Reheat Units

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

Abstract:Tai Zhou Power Plant 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. This bypass system will fasten the start speed of the whole plant and the funtion of main steam safety valve will be replaced by the 100% BMCR HP bypass. But FCB function is not considered. Base on the system configuration， a detailed control logic of HP bypass pressure has been formed and a new algorithm of steam turbine starting pressure has also been proposed.

Key words:double reheat； bypass pressure control； HP bypass.