350 MW超临界机组高中压缸联合启动并网过程详析

2022-03-18谢昌亚陈凯亮徐琳涛李永康

节能技术 2022年1期

谢昌亚，尤默，陈凯亮，徐琳涛，李永康

(1.国网冀北电力有限公司电力科学研究院(华北电力科学研究院有限责任公司)，北京 100045；2.华北电力科学研究院有限责任公司西安分公司，陕西西安 710075)

作为火电机组重要的辅助系统，旁路系统的选型和控制直接影响机组的安全性和经济性，对机组启动及运行有重要意义[1-2]。旁路系统一般分为一级旁路、二级旁路和三级旁路[3-5]。一级旁路是将整个汽轮机旁通，把主蒸汽直接引入凝汽器；二级旁路包含高压旁路和低压旁路，高压旁路旁通高压缸将主蒸汽引入再热器，低压旁路旁通中、低压缸将再热蒸汽引入凝汽器；三级旁路同时具有一级旁路和二级旁路[6]。不同旁路适用于不同类型机组，主要取决于锅炉的结构、再热器材料和机组运行要求[7]。超临界机组主要采用一级旁路和二级旁路，对于中间一次再热的单元制机组，若锅炉再热器材质不允许干烧、机组采用高中压缸联合启动或中压缸启动，必须考虑配置二级旁路[8]。

从锅炉点火至机组冲转带负荷，旁路系统的全程自动控制技术较为成熟，不同机组和不同启动方式，控制策略均有差异。对于配置二级旁路的中间一次再热的单元制机组，可分为锅炉点火初期、升温升压至冲转参数、机组冲转和并网带负荷等4个阶段来进行旁路系统的控制[9-12]。在锅炉点火初期，机组管道需要预暖，高、低压旁路减压阀需开启一定开度让锅炉产生的蒸汽通过旁路管道回流至凝汽器，同时开启管道疏水，对系统进行预暖；升温升压至冲转参数期间，高、低压旁路阀门开度需和锅炉负荷配合，控制主、再热蒸汽参数逐渐达到汽轮机冲转要求，并且为了满足一定的蒸汽量，高、低压旁路阀开度应有低限；机组冲转升速阶段，高低压旁路阀需要控制主、再热压力保持稳定；机组并网带负荷后，高低压旁路要逐步退出。同前三个阶段相比，机组并网带负荷瞬间，主、再热蒸汽压力波动较大，这是由于为了保证机组达到一定的初负荷并且为了防止机组发生逆功率导致跳闸，在并网瞬间机组综合阀位指令会叠加一定数值，使高中压调门瞬间开启一定开度，从而增大汽轮机进汽量。同时，不同启动方式之间并网过程的差异性较大，启动方式的选择和机组的通流特点对旁路的自动控制要求不同，因此对于特定机组的特定启动方式，需要在机组并网瞬间对机组通流方式转变过程的通流特点进行摸索，从而设置合理的旁路自动控制方案。

目前，虽有相当部分文献[13-19]研究了旁路全程自动控制策略且彼此有差异，但均是为了满足上述4个阶段中机组锅炉、汽轮机等机务方面的要求，因此文献中所述控制逻辑虽有区别，但控制思路和控制结果大同小异，并且现有文献均将重点放在控制策略和控制逻辑的介绍上，鲜有文献详细分析旁路自动控制下、机组并网时，蒸汽在汽轮机中通流过程的变化，且目前东汽机组多推荐采用中压缸启动[20]，高中压缸联合启动时的并网过程更罕有分析。通过分析掌握并网时机组通流变化特点，即便操作人员手动控制旁路，也能实现机组参数的平稳过渡，并能为自动控制策略的选择和优化提供依据。

在某350 MW超临界供热机组调试期间，受现场条件限制，从锅炉点火至机组并网带负荷，旁路系统并没有采用全程自动控制技术，而是对机组并网时旁路的自动控制进行了探索和尝试，本文重点对该机组在不同旁路动作情况下的多次并网过程进行详细的分析，介绍了高中压缸联合启动方式下、机组并网过程中高压缸通流方式的切换过程，对同类型机组的调试、运行及旁路系统自动控制策略的优化具有一定的参考价值。

1 机组及旁路系统简介

某350 MW超临界供热机组采用东汽生产的型号为C359/284.1-24.2/0.4/569/569的一次中间再热、两缸两排汽、单轴、抽凝式汽轮机。机组主再热蒸汽及旁路系统示意图见图1，机组配置容量为40%BMCR的高、低压旁路系统，高、低压旁路管道上各有一电动减压阀(以下简称高旁、低旁)，高旁减温水自给水系统来，低旁减温水自凝结水系统来。机组设置有高排通风阀和高排逆止门，均为气动阀门，气源为厂用压缩空气。

图1 机组主再热蒸汽及旁路系统示意图

整个调试期间本机组均采用高中压缸联合启动方式冲转。在机组并网瞬间，高排逆止门接受信号变为自由位，可在前后蒸汽具有差压时顶开阀门门板；机组并网后30 s，高排通风阀接受关闭指令开始关闭，本机组高排通风阀关闭时间约为5 s；并网时机组综合阀位指令在当前值上叠加一定数值，该数值是主汽压力的函数。

2 机组通流特点及旁路控制策略

由于采用高中压缸联合启动，在空载期间整个高压缸的通流过程是：主蒸汽通过高压主门和高压调门，进入高压缸做功后通过高排通风管道回到凝汽器疏扩。本机组高排通风管道规格为Ф219×12，管径较小，通流能力有限，此时主要靠再热蒸汽冲转中压转子维持机组转速；并且并网后一段时间内，由于高压缸排气母管压力低于冷再压力，高排逆止门虽然处于自由位，但阀门门板仍无法顶开，高压缸通流过程与空载期间相同，这段时间内机组负荷主要是靠再热蒸汽在中压缸做功来维持。综上所诉，可采用两种方式完成机组并网后高压缸通流的切换，一种是通过关高旁，快速降低再热压力，让高排逆止阀门尽早开启，建立高压缸完整通流，同时提高综合阀位指令，但这种方法机组负荷波动较大，且容易产生逆功率；另一种是先关低旁，保证再热压力维持一定数值不能过低，通过提高综合阀位指令增大高压缸进汽量，待高排通风阀完全关闭后，高排母管压力逐渐增大至大于再热压力，高排逆止门开启，此时再逐步关闭高旁。本机组旁路控制策略采用后一种思路，逻辑示意图见图2和图3。

图2 控制策略1

图3 控制策略2

从图2和图3可以看出，高压旁路和低压旁路在控制策略上的主要差别在于：并网时低旁压力设定值直接叠加偏置实现低旁阀自动关小，而高旁压力设定值在并网后30 s再叠加偏置。策略1和策略2主要差别在于：策略1中高、低旁压力设定值只叠加一次偏置，而策略2中高、低旁压力设定值每个扫描周期叠加一次偏置。每次并网过程叠加偏置的大小、周期等在下节叙述，本节不做赘述。

3 并网过程

3.1 首次并网

2020年10月27日，机组冷态启动完成各项空载试验后首次并网，高、低旁系统采用控制策略1。并网过程机组各主要参数变化曲线见图4。

图4 首次并网

过程分析如下：

(1)13：11：36并网前主汽压力5.04 MPa，主蒸汽温度434.2℃，高旁开度60.4%，再热压力0.66 MPa，再热蒸汽温度428.8℃，低旁开度47.2%，总煤量24.5 t/h，综合阀位12.1%，调节级压力0.006 MPa，高压缸排汽母管压力0.003 MPa，高旁和低旁均投入自动。

(2)13:11:39机组并网，高排逆止门变为自由位，高排母管压力低于再热压力，高排逆止门处于关闭状态；综合阀位瞬间由12.1%增加4.4%至16.5%，由于低旁压力设定值在并网瞬间叠加正向偏置0.4 MPa，压力设定值变为1.1 MPa，低旁开始迅速回关。

(3)13:11:45 6 s内低旁开度由42.9%关至29.0%，从并网至此时，再热压力基本无变化保持0.66 MPa不变，此后低旁在控制器积分作用下缓慢关闭，再热压力开始缓慢下降；并网后汽轮机处于阀控状态，在DEH画面手动给定综合阀位指令30%，阀位升速率30%/min，主调门和中调门开始开大。

(4)13:12:09并网30 s后，高排通风阀开始关闭，至此主汽压力基本无变化保持5.0 MPa、高旁阀位保持60.4%，高旁压力设定值叠加正向偏置2 MPa增加为7.0 MPa，此时高旁开始快速回关。

(5)13:12:11综合阀位升至30%并保持，机组负荷15.5 MW，低旁缓慢关闭控制再热压力，此时高排通风阀还未完全关闭，高排母管压力并未上涨，高排逆止门没有顶开，由于高旁减压阀快速回关，再热压力开始迅速下降，负荷开始下降。此时运行人员发现再热压力降至0.56 MPa，并且低旁关闭速率变慢，为防止再热压力下降过快，将低旁减压阀解除自动。

(6)13:12:13运行人员手动输入指令全关低压旁路，8 s后低旁全关。

(7)13:12:16此时高排通风阀已完全关闭，高排母管压力开始上涨。

(8)13:12:26自12:09时高旁迅速关闭至36.4%，高排后压力升至0.25 MPa，再热压力降至0.5 MPa，高排逆止门并未顶开。负荷下降较快，运行人员将高旁解除自动，此时机组负荷12.7 MW。另外，虽然高旁阀关闭较多，但在高旁关闭过程中，高压缸进汽量一直在增加，所以主汽压力变化并不明显。

(9)13:12:33调节级压力开始增大。

(10)13:12:40此时负荷降至8.8 MW，为防止负荷进一步下降，DEH画面设定综合阀位指令40%，阀位升速率30%/min。此时高排母管压力0.43 MPa，再热压力0.43 MPa，判断高排逆止门门板将要开启，手动关小高旁。

(11)13:13:00机组综合阀位升至40%保持，负荷8.6 MW基本稳定，低旁全关，高旁开度22.4%。高排母管压力0.36 MPa，再热压力0.36 MPa，高排逆止门处于平衡位置。

(12)13:13:22进一步升负荷，DEH画面给定综合阀位指令60%，升速率30%/min。

(13)13:14:02综合阀位指令升至60%保持，负荷18.3 MW，主汽压力5.2 MPa，调节级压力1.5 MPa，高排母管压力0.42 MPa，再热压力0.40 MPa，低旁全关，高旁开度22.4%。在并网操作过程中，运行人员担心关闭高旁会降低再热压力导致负荷快速下降，没有继续关闭高旁，其实在综合阀位增大、高调门进一步开启的过程中，高排逆止门已经开启，蒸汽在高压缸内已形成通流，此时完全可以全关高旁。至此整个并网过程基本结束，后续负荷基本稳定在23 MW左右。

3.2 第二次并网

2020年10月28日，机组带25%额定负荷后完成机械超速试验，继续冲转并网，高、低旁系统采用控制策略1。并网过程机组各主要参数变化曲线见图5。

图5 第二次并网

过程分析如下：

(1)05:44:13并网前，主汽压力5.94 MPa，主蒸汽温度443℃，高旁开度58.5%，再热压力1.0 MPa，再热蒸汽温度449℃，低旁开度34.7%，总煤量27.7 t/h，综合阀位9.5%，调节级压力0.006 MPa，高排母管压力0.003 MPa，高旁和低旁均投入自动。

(2)05:44:20机组并网，高排逆止阀变为自由位，高排母管压力低于再热压力，高排逆止门处于关闭状态；综合阀位瞬间由9.5%增加3.4%至12.9%，机组负荷上涨；在并网前，热工人员强制逻辑，并网瞬间低旁压力设定值没有叠加正向偏置，低旁此时控制机前压力。

(3)05:44:24中调门开大，再热压力开始下降，低旁此时开始自动关闭，机组负荷继续上涨。

(4)05:44:29运行人员在DEH画面手动输入综合阀位指令64%，阀位升速率30%/min。

(5)05:44:50机组已并网30 s，高排通风阀开始关闭，至此主汽压力基本无变化保持5.9 MPa，高旁阀位保持58.5%，高旁调阀压力设定值叠加正向偏置2 MPa，增加为7.9 MPa，此时高旁开始快速回关，综合阀位23.2%，机组负荷19 MW。

(6)05:44:56机组并网36s后，高排通风阀完全关闭，高排母管压力开始增大；由于高排逆止门并未开启，高旁迅速关闭，再热压力继续下降，负荷开始下降。

(7)05:45:25此时综合阀位40.6%，主汽压力6.1 MPa，高排母管压力0.48 MPa，再热压力0.43 MPa，高排逆止门已经打开，再热压力停止下降，机组负荷降至整个并网过程的最低值12.9 MW；同时由于再热压力停止下降，在低旁自动的控制下，低旁关闭速度变缓，并且随着综合阀位持续增大，高压缸进汽量增大，再热压力和机组负荷开始缓慢上涨。

(8)5:46:04随着再热压力的上涨，在控制器的作用下，低旁逐渐开大，此时低旁开度6.7%，再热压力0.50 MPa，负荷已上涨至24 MW，运行人员解除低旁自动，并手动全关低旁。

(9)5:46:13机组综合阀位指令升至64%保持，高旁继续关小，主汽压力6.1 MPa，调节级压力1.7 MPa，高排母管压力0.58 MPa，再热压力0.53 MPa，机组负荷26 MW。

(10)05:46:45机组综合阀位64%，机组负荷30.6 MW，主汽压力5.9 MPa，调节级压力1.8 MPa保持不变，高排母管压力0.63 MPa，再热压力0.60 MPa，高旁开度15.8%并继续关闭，运行人员解除高旁自动，手动全关高旁，并网过程基本结束，后续负荷稳定在24 MW左右。从高旁在自动控制作用下的关闭趋势来看，此时无需解除高旁自动，在自动控制的作用下高旁会匀速全关。

首次并网和第二次并网比较来看：(1)由于第二次并网瞬间，低旁压力设定值并没有叠加正向偏置，低旁关闭速度较慢，导致再热压力在并网过程中波动较大，由1 MPa最低降至0.43 MPa。(2)第二次并网，负荷下降过程以及低负荷持续时间明显小于首次并网，最主要的原因是第二次并网过程中，综合阀位在持续增大，高压缸进汽量不断增大，有利于高排母管压力上涨，从而在前后汽流压差的作用快速顶开高排逆止门，使高压缸至再热器到中压缸形成汽流通路，并网过程迅速、稳定。

3.3 第三次并网

2020年11月01日，因锅炉负压波动导致机组跳闸，后机组重新定速并网，高、低旁系统采用控制策略2。并网过程各主要参数变化见图6。

图6 第三次并网

过程分析如下：

(1)03:58:44并网前，主汽压力6.5 MPa，主汽温度500℃，高旁开度61.4%，再热压力1.3 MPa，再热温度502℃，低旁开度58.9%，锅炉总煤量37.4 t/h，综合阀位9.3%，调节级压力0.006 MPa，高排母管压力0.003 MPa，高旁、低旁均投入自动。

(2)03:58:48机组并网，高排逆止阀变为自由位，高排母管压力低于再热压力，高排逆止门处于关闭状态；综合阀位瞬间由9.3%增加至12.85%，机组负荷上涨；低旁压力设定值从并网开始，每个DCS系统扫描周期叠加0.005 MPa的正向偏置，系统扫描周期为250 ms，即每秒叠加0.02 MPa的正向偏置，持续60 s；此时中调门开大、再热压力降低，低旁阀在自动控制下开始关小。

(3)03:58:53运行人员在DEH画面手动输入综合阀位指令64%，阀位升速率30%/min。

(4)03:59:18机组已并网30 s，高排通风阀开始关闭，至此主汽压力基本无变化保持6.5 MPa，高旁阀位保持61.4%；高旁调阀压力设定值开始每个扫描周期叠加0.015 MPa的正向偏置，即每秒增加0.06 MPa的正向偏置，持续60 s；由于高旁压力设定值与主汽压力反馈偏差不大，高旁未动作；此时机组综合阀位24.3%，负荷30 MW，低旁开度31.9%处于缓慢关闭过程，再热压力1.1 MPa缓慢减小。

(5)03:59:22此时高排通风阀全关，高排母管压力开始上涨。

(6)03:59:23高旁压力设定值6.62 MPa，主汽压力6.50 MPa，在控制器作用下高旁开始逐渐关小。

(7)03:59:47在自动控制下，低旁全关；高排母管压力0.50 MPa，再热压力0.89 MPa，高排逆止门未打开，高排通风阀已全关，此时高压缸内汽流未形成通路，机组主要靠中压缸做功；由于高旁关小，再热压力降低，机组负荷此时正处于缓慢降低的过程。

(8)03:59:49运行人员误操作，将高旁自动解除，并手动关小高旁，从图中可以看出，此时机组负荷、主汽压力、再热压力较为稳定，高旁在自动作用下缓慢关小，无需解除高旁自动。

(9)03:59:55主汽压力6.7 MPa，调节级压力0.34 MPa，高排母管压力0.85 MPa，再热压力0.82 MPa，此时高排逆止门打开，高压缸内汽流形成通路。

(10)04:00:36机组综合阀位升至64.3%保持。

(11)04:00:40高旁全关，机组负荷28 MW，整个并网过程结束，后续机组负荷稳定在24 MW左右。

与前两次并网相比：(1)本次并网由于主汽参数和再热参数较高，在并网过程中负荷最大值较高，最大到37 MW，前期负荷升速率较大；(2)再热压力较高，从高排压力上涨至高排逆止门顶开所需时间较长；(3)高、低旁压力设定值采用每秒叠加固定数值正向压力偏置的方法，与前两次并网过程相比，旁路关闭速率较为稳定，再热压力未发生波动，机组负荷过渡比较平稳。

3.4 第四次并网

2020年11月02日，锅炉火焰检测信号消失导致机组跳闸，缺陷消除后，机组继续定速并网，高、低旁系统采用控制策略2。并网过程各主要参数变化见图7。

图7 第四次并网

过程分析如下：

(1)09:05:52并网前，主汽压力10.0 MPa，主汽温度519℃，高旁开度49.5%，再热压力0.79 MPa，再热温度499℃，低旁开度53.3%，锅炉总煤量46.6 t/h，综合阀位10.2%，调节级压力0.006 MPa，高排母管压力0.005 MPa，高旁、低旁均投入自动。

(2)09:05:55机组并网，高排逆止阀变为自由位，高排母管压力低于再热压力，高排逆止门处于关闭状态；综合阀位瞬间由10.2%增加至12.8%，机组负荷上涨；低旁压力设定值从并网开始，每个扫描周期叠加0.007 5 MPa的正向偏置，系统扫描周期为250 ms，即每秒叠加0.03 MPa的正向偏置，持续60 s；中调门开大、再热压力降低，低旁在自动控制作用下开始关小。

(3)09:06:00运行人员在DEH画面手动输入综合阀位指令64%，阀位升速率30%/min。

(4)09:06:25机组已并网30 s，高排通风阀开始关闭，至此主汽压力基本无变化保持10.0 MPa，高旁阀位48.9%；高旁调阀压力设定值开始每个扫描周期叠加0.015 MPa的正向偏置，即每秒增加0.06 MPa的正向偏置，持续60 s；由于高旁压力设定值与主汽压力反馈偏差不大，高旁未动作；此时机组综合阀位23.1%，负荷17.8 MW，低旁开度21.4%处于缓慢关闭过程，再热压力0.64 MPa缓慢减小。

(5)09:06:30此时高排通风阀全关，高排母管压力开始上涨。

(6)09:06:32高旁压力设定值10.18 MPa，主汽压力10.0 MPa，在自动控制作用下高旁开始逐渐关小。

(7)09:06:40在自动的作用下，低旁阀全关；高排母管压力0.56 MPa，再热压力0.57 MPa，高排逆止门将要打开。

(8)09:07:43运行人员将高旁自动解除，并手动关小高旁，从图中可以看出，此时机组负荷、主汽压力、再热压力较为稳定，高旁在自动作用下缓慢关小，无需解除高旁自动；机组综合阀位64%保持，主汽压力9.5 MPa，再热压力0.7 MPa，机组负荷49.8 MW，并网过程基本结束。

3.5 过程总结

通过对上述4次并网过程的分析，可以看出，采用先关低旁后关高旁的控制思路可以有效避免机组出现逆功率的现象，并且采用每个扫描周期在压力设定值上叠加正向偏置的方法，与只在并网瞬间叠加正向偏置的方法相比，可实现按一定速率关闭高、低旁压力调节门，并且通过改变叠加正向偏置的大小可以改变高、低旁关闭速率，从而适应不同的机组参数。高中压缸联合启动方式下在机组并网过程中，高压缸通流方式存在切换的过程。并且高排母管压力在高排通风阀关闭后才开始上涨，当上涨至大于冷再热压力时，高排逆止门才会在汽流压差下打开，说明当高排通风阀完全关闭至高排逆止门尚未开启这段时间，高压缸内没有建立通流，进入高压缸的蒸汽用来提高缸内压力，并会产生鼓风。