带变频发电机的BEST小机驱动给水泵技术研究

罗建松，秦 宇，钟志强，徐 剑，施刚夜

(中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063)

0 引言

高效二次再热超超临界机组的应用是当前火力发电技术的研发热点，但随着蒸汽参数的提高，抽汽过热度增大，加热器内汽侧和水侧换热的不可逆损失增加，削弱了蒸汽参数升高带来的收益，同时增加了管道、阀门和加热器设备的制造成本。王昌朔[1]等对1 000 MW的二次超超临界再热机组建立了仿真模型，对进汽节流调节、发电机调节和进汽补汽调节三种方案进行了数值研究，发现发电机调节可以使经济性达到最佳。王渡[2]等通过数值研究了抽汽背压式汽轮机组在不同级数下转运可行性、热经济性及变工况特性，发现当级数选为5级时，机组的热经济性最佳。廖先伟[3]等建立了仿真模型，对比分析了回热式给水泵汽轮机与主汽轮机在不同协调运行方式下的输出功率及经济性，研究发现结合进汽节流和背压调节能够同时保证机组的功率要求和高效运行。付亦葳等[4-5]研究对比了常规电力系统与抽汽背压式汽轮机系统的异同。

设置外置式蒸汽冷却器是国内已投产或在建的二次再热机组的主流方案[6]，该技术可降低二次再热机组高压缸和中压缸的第一级抽汽过热度。有文献认为前置蒸冷器虽然可降低抽汽过热度，但其中为蒸汽—给水换热，蒸汽并未发生相变，综合换热系数很小，因此其提升给水温度有限[7]。为了保证机组提高蒸汽参数后带来的收益，笔者所在公司研发了一种配背压抽汽回热小汽轮机(以下简称“BEST小机”)的新型热力系统[8-9]，利用BEST小机直接驱动给水泵，可进一步降低厂用电，提高机组发电效率，在变工况运行时实现BEST小机的进汽阀全开，解决变工况下节流损失问题。本文介绍了带变频发电机的BEST小机驱动给水泵技术的系统参数匹配及各种工况下控制策略。

1 工程概况

国内某1 000 MW超超临界二次再热机组设有5级单列100%容量高压加热器、1台除氧器、6台低压加热器、1台疏水冷却器和1台汽封冷却器。在超高压缸的排汽处，设置一个采用5抽1排方案的BEST小机，分别供给2～5号高压加热器和除氧器。BEST小机的排汽定义为机组的第7级抽汽，排至7号低压加热器，BEST小机一端连接给水泵组，另一端连接一台小发电机，如图1所示。

图1 BEST小机系统

设置BEST小机的回热系统利用超高压缸排出的蒸汽，驱动背压抽汽小汽轮机，从小汽轮机中抽汽，利用过热度较低的小汽轮机抽汽和排汽，通过加热器来加热凝结水和给水，与现有热力系统相比具有以下优点：

1)高参数蒸汽在BEST小机做功后，蒸汽温度可下降约120～270 ℃，降低了相关抽汽管道、阀门、加热器的材料等级；

2) BEST小机汽源为高压缸排汽，这部分蒸汽将不再进入再热系统，可显著减少进入再热器的蒸汽流量，减少再热器的换热面积，从而降低再热系统的造价；

3)相较于常规机组，给水泵转速由小发电机的出力来调节，变工况时BEST小机进汽调门全开，可减少节流损失，提高机组热经济性；

4)能充分利用BEST小机的出力，通过小发电机多发电，可减少厂用电率，提高机组的售电收益。

结合主机厂的热平衡计算结果，BEST小机的主要设计参数为：最大连续功率57 MW，额定工况功率51.5 MW，额定进汽参数12.26 MPa/449 ℃，额定排汽参数0.8 MPa /170 ℃。近期国内的发电厂高压厂用电系统多为6 kV或10 kV两段，BEST小机系统可通过发电机变流器组接入厂用电系统其中的一段或两段，同时在运行时通过负荷调节来控制功率平衡。

2 带变频发电机的BEST小机系统

根据GB50660—2011《大中型火力发电厂设计规范》，在满足给水泵最大工况的功率要求时，汽轮机一般留有5%的功率裕量。在实际工程中，与给水泵组相比，给水泵汽轮机的轴功率一般有7%～12.9%的裕量。通常，电厂都通过调整给水泵汽轮机进汽调门的开度来确保其出力和给水泵组所需功率相匹配。理论上，给水泵汽轮机进汽调门开度可以全开，但是由于给水泵汽轮机轴功率大于给水泵组的轴功率，所以实际机组在运行时，给水泵汽轮机进汽阀的开度较小。国内某1 000 MW机组在几个典型工况下的实测数据见表1所列。

表1 国内某1 000 MW机组在几个典型工况下实测数据

从表1可以看出在机组负荷约为500～1 000 MW时，给水泵汽轮机进汽调门开度约为25%～68%，节流损失较大。为此，BEST小机系统引入一个小发电机，用于平衡BEST小机和给水泵组之间多余的功率，如图2所示。

图2 BEST小机驱动给水泵技术

理论上，BEST小机的进汽调门可以全开，在很大程度上能够降低节流损失。通过热力分析，BEST小机和给水泵组之间的剩余功率曲线如图3所示。证明小发电机在30%汽轮机热耗验收(turbine heat acceptance，THA)工况到阀门全开(valve whole open，VWO)工况下均有出力，在75%THA工况时剩余功率达到最大值16.58 MW。小发电机的额定容量选择19 MW，并将其额定磁通选择在最大出力的转速范围。当轴系转速高于最大出力转速时，小发电机采用弱磁控制。调速范围要求为2 350～5 200 rpm，最高转速6 300 rpm。

图3 BEST小机和给水泵组之间的剩余功率曲线

BEST小机采用发电机加全功率变流器的调速方案，小发电机与小汽轮机同轴连接。发电机通过全功率变流器进行转速控制，并将多余小汽轮机功率发电上网。发电机和全功率变流器之间直接连接，后者与电网通过配置变压器进行电压等级匹配。变流器机侧实现发电机的转速控制，并进行发电机和变流器直流侧之间的能量传动；网侧变流器实现直流侧电压的稳定，并进行电网和变流器直流侧之间的能量传动。如此，全功率变流器即可以实现电机的转速控制，同时实现多余功率送入厂用电。

通过选用四象限全功率能量反馈变流器配套发电机的方式，令机组正常运行时进汽调门达到全开，通过变流器控制发电机输出功率，实现轴系上BEST小机、给水泵、小发电机之间的转矩平衡。

解决了多余功率发电上网的技术难题后，小汽轮机的进汽调门可以保持较大开度或达到全开，减少进汽的节流损失，保证机组全负荷范围内回热小汽机的工作效率，提高机组发电效率和上网竞争力。

厂用电接入方案如图4所示。

图4 厂用电接入方案

3 BEST小机控制策略

BEST小机系统采用“小发电机—变流器”的调速方案，整个系统的控制方案与常规小机有所不同。将BEST小机回热系统纳入MEH给水泵汽轮机电液控制系统(micro electro hydraulic control system，MEH) 中进行控制，其中变流器、BEST小发电机纳入BEST变流器就地控制系统进行控制，MEH与BEST变流器就地控制系统通过硬接线和/或通讯方式进行信号交换。下面针对主要工况进行相应控制方法介绍。

3.1 BEST小机转速控制策略

常规给水泵汽轮机在系统正常运行时，转速由进汽调门进行闭环反馈控制，控制回路如图5所示。对于BEST小机，高压加热器、除氧器等设备的运行状态对给水泵汽轮机转速影响较大，转速控制器需要快速响应，维持给水流量的稳定，采用带前馈的比例-积分-微分控制器(proportion integral di ff erential，PID)运算，响应速度更快。

图5 常规工程给水泵汽轮机转速控制回路示意图

发电机输出电功率通过变流器的调节来控制，从而控制BEST小机的转速，实现将原本用于进汽调门控制转速所产生的节流损失转换为厂用电。

BEST小机启动时，变流器尚未运行，MEH中设定暖机转速为目标转速，由MEH控制进汽调门进行转速控制。

暖机完成后，MEH将给水泵最低工作转速设定为目标转速，依然通过BEST小机进汽调门进行转速控制。当达到给水泵最低工作转速时，MEH将BEST小机转速控制切换至自动控制模式。此时，锅炉仍然处于湿态运行，锅炉给水流量通过锅炉给水旁路阀进行调节，给水泵转速通过BEST小机进汽调门的调节，维持在3 000 rpm附近。

当机组负荷继续上升，直至锅炉完全转为干态运行时，锅炉给水旁路退出，锅炉给水切换为主管运行，即通过给水泵的转速来进行调节。此时，变流器投入运行，以给定的升速率逐步增加BEST小进汽主调门开度，同时增加BEST小发电机的发电出力，直至BEST小进汽主调门完全打开，跟随主汽轮机滑压运行。此后，给水泵转速完全由BEST小发电机-变流器组控制。

由于主汽轮机负荷与BEST小机剩余功率存在一定的相关性，给水泵汽轮机厂家可以提供一条主汽轮机负荷—BEST小机剩余功率曲线(以下简称“剩余功率曲线”)供运行人员参考，BEST小发电机接受来自机组协调控制系统给定的主汽轮机负荷指令，并通过这条剩余功率曲线计算出BEST小发电机的功率设定值，此设定值再通过PID运算输出给变流器来实现BEST小发电机功率的控制，最终实现给水泵转速的闭环控制。BEST小发电机输出功率控制回路示意图如图6所示。

图6 小发电机输出功率控制回路示意图

3.2 小发电机的投入和退出过程

BEST小机启动运行在最低工作转速，到一定负荷(暂定30%THA)后，给水流量由给水调阀控制切换到给水泵转速控制，BEST小机的转速随着机组负荷的上升同时上升。当机组到达目标负荷并稳定后，小发电机可进行并网，并网初始小发电机输出功率为0，然后通过变流器将发电机功率的目标值设定为跟踪机组负荷(指令)-小发电机输出功率曲线。需注意的是，小发电机输出功率在从0到目标值的过程应该控制适当的升速率，而不应从0直接阶跃到目标值。

在带小发电机运行方式下，如果变流器控制转速失败(发电机实际输出功率偏离功率指令超过一定值)，或受到其他保护，则小发电机出口断路器断开，小发电机空转。此时BEST小机承受了一定程度的甩负荷，BEST小机进汽调门要能快速稳定BEST小机转速以避免超速，并尽可能降低对给水系统的扰动。

3.3 BEST小机启动控制策略

当BEST小机不进汽时，其完全处于被动倒拖状态，此时BEST小机排汽到凝汽器的旁路阀打开，减少末级的鼓风发热。当主机排汽具备启动条件后，BEST小机开始进汽。BEST小机旁路阀继续全开或者维持一个背压。随着BEST小机进汽流量的增加，电动机逐渐减少动力输出，而BEST小机逐步取代电动机成为给水泵的动力源，直至电动机输出为零，转变为发电机。BEST小机逐渐增加进汽，驱动给水泵，多余的能量转化为小发电机的电能。在电动机转变成为发电机前，分散控制系统(distributed control system，DCS)和MEH在控制上需协调配合。MEH控制BEST小机逐步增加进汽，DCS控制电动机逐步减少输出。当电动机转变为发电机后，变流器控制转速，BEST小机进汽调门全开。

3.4 多种工况下的联锁和保护

1)当高压加热器切除工况时， BEST小机背压升高，开启BEST小机溢流阀或旁路阀以维持背压不超过高限。当BEST变流器就地控制系统主控时，BEST小机进汽调门全开，不参与控制。当MEH主控时，BEST小机根据此时给水指令，快速控制调门，维持给水稳定。

2)在低压加热器切除的情况下，当7号低压加热器故障切除或者7号、8号低压加热器同时故障切除时，需要计算出是否需要进行整个机组的负荷限制。同时，需要根据切除时的工况来确定是否需要调节BEST小机进汽主调门来限制BEST小机的进汽流量，并在MEH中实现。

3)在小发电机甩负荷工况下，BEST变流器就地控制系统发出转速控制失败信号，MEH接受信号后，控制逻辑切换为BEST小机主调门控制BEST小机转速，控制逻辑同常规给水泵汽轮机控制一致。小发电机出口断路器断开，小发电机空转，根据切除时大汽轮机负荷情况，可能存在BEST小机短时超速的情况，此时开启BEST小机旁路溢流阀，快速降低BEST小机背压，稳定BEST小机转速。

4)当主机甩负荷时，加热器全部切除。锅炉维持最低负荷燃烧，须保证最低给水流量的控制。此时，与高压加热器全切工况相同。BEST变流器就地控制系统主控时，BEST进汽调门全开，不参与控制。MEH主控时，BEST小机根据此时给水指令，快速控制调门，维持给水稳定。

5)当变流器出现故障时，小发电机出口断路器断开，小发电机不发电空转运行，MEH接受BEST变流器就地控制系统发出的给水泵转速控制切换信号后，给水泵转速切换为由BEST小机进汽调门进行控制。在变流器故障清除后，可通过飞车启动实现不停机投入，恢复由变流器控制转速模式。

4 结语

在二次再热超超临界机组采用带变频发电机的BEST小机回热系统后，能够有效降低回热系统过热度，提高循环效率。BEST系统配置小发电机来平衡小汽轮机与给水泵之间的剩余功率，即通过变流器控制小发电机的出力来调节给水泵转速，BEST小机配有小发电机，BEST小机拖动给水泵所剩余的轴功率可通过小发电机发电并挂入厂用电网，既解决了给水泵汽轮机在变工况下进汽节流损失的问题，又进一步提高了电厂的发电效率。同时本文提出了BEST小机系统在不同工况下的控制策略，保障机组安全运行，为更高参数的煤电机组提供了技术支撑。