羅建松，秦 宇，鐘志強(qiáng)，徐 劍，施剛夜

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

0 引言

高效二次再熱超超臨界機(jī)組的應(yīng)用是當(dāng)前火力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn)，但隨著蒸汽參數(shù)的提高，抽汽過熱度增大，加熱器內(nèi)汽側(cè)和水側(cè)換熱的不可逆損失增加，削弱了蒸汽參數(shù)升高帶來的收益，同時(shí)增加了管道、閥門和加熱器設(shè)備的制造成本。王昌朔[1]等對1 000 MW的二次超超臨界再熱機(jī)組建立了仿真模型，對進(jìn)汽節(jié)流調(diào)節(jié)、發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)和進(jìn)汽補(bǔ)汽調(diào)節(jié)三種方案進(jìn)行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)可以使經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最佳。王渡[2]等通過數(shù)值研究了抽汽背壓式汽輪機(jī)組在不同級數(shù)下轉(zhuǎn)運(yùn)可行性、熱經(jīng)濟(jì)性及變工況特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)級數(shù)選為5級時(shí)，機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性最佳。廖先偉[3]等建立了仿真模型，對比分析了回?zé)崾浇o水泵汽輪機(jī)與主汽輪機(jī)在不同協(xié)調(diào)運(yùn)行方式下的輸出功率及經(jīng)濟(jì)性，研究發(fā)現(xiàn)結(jié)合進(jìn)汽節(jié)流和背壓調(diào)節(jié)能夠同時(shí)保證機(jī)組的功率要求和高效運(yùn)行。付亦葳等[4-5]研究對比了常規(guī)電力系統(tǒng)與抽汽背壓式汽輪機(jī)系統(tǒng)的異同。

設(shè)置外置式蒸汽冷卻器是國內(nèi)已投產(chǎn)或在建的二次再熱機(jī)組的主流方案[6]，該技術(shù)可降低二次再熱機(jī)組高壓缸和中壓缸的第一級抽汽過熱度。有文獻(xiàn)認(rèn)為前置蒸冷器雖然可降低抽汽過熱度，但其中為蒸汽—給水換熱，蒸汽并未發(fā)生相變，綜合換熱系數(shù)很小，因此其提升給水溫度有限[7]。為了保證機(jī)組提高蒸汽參數(shù)后帶來的收益，筆者所在公司研發(fā)了一種配背壓抽汽回?zé)嵝∑啓C(jī)(以下簡稱“BEST小機(jī)”)的新型熱力系統(tǒng)[8-9]，利用BEST小機(jī)直接驅(qū)動(dòng)給水泵，可進(jìn)一步降低廠用電，提高機(jī)組發(fā)電效率，在變工況運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)BEST小機(jī)的進(jìn)汽閥全開，解決變工況下節(jié)流損失問題。本文介紹了帶變頻發(fā)電機(jī)的BEST小機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵技術(shù)的系統(tǒng)參數(shù)匹配及各種工況下控制策略。

1 工程概況

國內(nèi)某1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組設(shè)有5級單列100%容量高壓加熱器、1臺除氧器、6臺低壓加熱器、1臺疏水冷卻器和1臺汽封冷卻器。在超高壓缸的排汽處，設(shè)置一個(gè)采用5抽1排方案的BEST小機(jī)，分別供給2～5號高壓加熱器和除氧器。BEST小機(jī)的排汽定義為機(jī)組的第7級抽汽，排至7號低壓加熱器，BEST小機(jī)一端連接給水泵組，另一端連接一臺小發(fā)電機(jī)，如圖1所示。

圖1 BEST小機(jī)系統(tǒng)

設(shè)置BEST小機(jī)的回?zé)嵯到y(tǒng)利用超高壓缸排出的蒸汽，驅(qū)動(dòng)背壓抽汽小汽輪機(jī)，從小汽輪機(jī)中抽汽，利用過熱度較低的小汽輪機(jī)抽汽和排汽，通過加熱器來加熱凝結(jié)水和給水，與現(xiàn)有熱力系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)高參數(shù)蒸汽在BEST小機(jī)做功后，蒸汽溫度可下降約120～270 ℃，降低了相關(guān)抽汽管道、閥門、加熱器的材料等級；

2) BEST小機(jī)汽源為高壓缸排汽，這部分蒸汽將不再進(jìn)入再熱系統(tǒng)，可顯著減少進(jìn)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(jià)；

3)相較于常規(guī)機(jī)組，給水泵轉(zhuǎn)速由小發(fā)電機(jī)的出力來調(diào)節(jié)，變工況時(shí)BEST小機(jī)進(jìn)汽調(diào)門全開，可減少節(jié)流損失，提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性；

4)能充分利用BEST小機(jī)的出力，通過小發(fā)電機(jī)多發(fā)電，可減少廠用電率，提高機(jī)組的售電收益。

結(jié)合主機(jī)廠的熱平衡計(jì)算結(jié)果，BEST小機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：最大連續(xù)功率57 MW，額定工況功率51.5 MW，額定進(jìn)汽參數(shù)12.26 MPa/449 ℃，額定排汽參數(shù)0.8 MPa /170 ℃。近期國內(nèi)的發(fā)電廠高壓廠用電系統(tǒng)多為6 kV或10 kV兩段，BEST小機(jī)系統(tǒng)可通過發(fā)電機(jī)變流器組接入廠用電系統(tǒng)其中的一段或兩段，同時(shí)在運(yùn)行時(shí)通過負(fù)荷調(diào)節(jié)來控制功率平衡。

2 帶變頻發(fā)電機(jī)的BEST小機(jī)系統(tǒng)

根據(jù)GB50660—2011《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》，在滿足給水泵最大工況的功率要求時(shí)，汽輪機(jī)一般留有5%的功率裕量。在實(shí)際工程中，與給水泵組相比，給水泵汽輪機(jī)的軸功率一般有7%～12.9%的裕量。通常，電廠都通過調(diào)整給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)門的開度來確保其出力和給水泵組所需功率相匹配。理論上，給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)門開度可以全開，但是由于給水泵汽輪機(jī)軸功率大于給水泵組的軸功率，所以實(shí)際機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽閥的開度較小。國內(nèi)某1 000 MW機(jī)組在幾個(gè)典型工況下的實(shí)測數(shù)據(jù)見表1所列。

表1 國內(nèi)某1 000 MW機(jī)組在幾個(gè)典型工況下實(shí)測數(shù)據(jù)

從表1可以看出在機(jī)組負(fù)荷約為500～1 000 MW時(shí)，給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)門開度約為25%～68%，節(jié)流損失較大。為此，BEST小機(jī)系統(tǒng)引入一個(gè)小發(fā)電機(jī)，用于平衡BEST小機(jī)和給水泵組之間多余的功率，如圖2所示。

圖2 BEST小機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵技術(shù)

理論上，BEST小機(jī)的進(jìn)汽調(diào)門可以全開，在很大程度上能夠降低節(jié)流損失。通過熱力分析，BEST小機(jī)和給水泵組之間的剩余功率曲線如圖3所示。證明小發(fā)電機(jī)在30%汽輪機(jī)熱耗驗(yàn)收(turbine heat acceptance，THA)工況到閥門全開(valve whole open，VWO)工況下均有出力，在75%THA工況時(shí)剩余功率達(dá)到最大值16.58 MW。小發(fā)電機(jī)的額定容量選擇19 MW，并將其額定磁通選擇在最大出力的轉(zhuǎn)速范圍。當(dāng)軸系轉(zhuǎn)速高于最大出力轉(zhuǎn)速時(shí)，小發(fā)電機(jī)采用弱磁控制。調(diào)速范圍要求為2 350～5 200 rpm，最高轉(zhuǎn)速6 300 rpm。

圖3 BEST小機(jī)和給水泵組之間的剩余功率曲線

BEST小機(jī)采用發(fā)電機(jī)加全功率變流器的調(diào)速方案，小發(fā)電機(jī)與小汽輪機(jī)同軸連接。發(fā)電機(jī)通過全功率變流器進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，并將多余小汽輪機(jī)功率發(fā)電上網(wǎng)。發(fā)電機(jī)和全功率變流器之間直接連接，后者與電網(wǎng)通過配置變壓器進(jìn)行電壓等級匹配。變流器機(jī)側(cè)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，并進(jìn)行發(fā)電機(jī)和變流器直流側(cè)之間的能量傳動(dòng)；網(wǎng)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，并進(jìn)行電網(wǎng)和變流器直流側(cè)之間的能量傳動(dòng)。如此，全功率變流器即可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多余功率送入廠用電。

通過選用四象限全功率能量反饋?zhàn)兞髌髋涮装l(fā)電機(jī)的方式，令機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)汽調(diào)門達(dá)到全開，通過變流器控制發(fā)電機(jī)輸出功率，實(shí)現(xiàn)軸系上BEST小機(jī)、給水泵、小發(fā)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩平衡。

解決了多余功率發(fā)電上網(wǎng)的技術(shù)難題后，小汽輪機(jī)的進(jìn)汽調(diào)門可以保持較大開度或達(dá)到全開，減少進(jìn)汽的節(jié)流損失，保證機(jī)組全負(fù)荷范圍內(nèi)回?zé)嵝∑麢C(jī)的工作效率，提高機(jī)組發(fā)電效率和上網(wǎng)競爭力。

廠用電接入方案如圖4所示。

圖4 廠用電接入方案

3 BEST小機(jī)控制策略

BEST小機(jī)系統(tǒng)采用“小發(fā)電機(jī)—變流器”的調(diào)速方案，整個(gè)系統(tǒng)的控制方案與常規(guī)小機(jī)有所不同。將BEST小機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)納入MEH給水泵汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)(micro electro hydraulic control system，MEH) 中進(jìn)行控制，其中變流器、BEST小發(fā)電機(jī)納入BEST變流器就地控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，MEH與BEST變流器就地控制系統(tǒng)通過硬接線和/或通訊方式進(jìn)行信號交換。下面針對主要工況進(jìn)行相應(yīng)控制方法介紹。

3.1 BEST小機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略

常規(guī)給水泵汽輪機(jī)在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速由進(jìn)汽調(diào)門進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，控制回路如圖5所示。對于BEST小機(jī)，高壓加熱器、除氧器等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)對給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速影響較大，轉(zhuǎn)速控制器需要快速響應(yīng)，維持給水流量的穩(wěn)定，采用帶前饋的比例-積分-微分控制器(proportion integral di ff erential，PID)運(yùn)算，響應(yīng)速度更快。

圖5 常規(guī)工程給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制回路示意圖

發(fā)電機(jī)輸出電功率通過變流器的調(diào)節(jié)來控制，從而控制BEST小機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)將原本用于進(jìn)汽調(diào)門控制轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的節(jié)流損失轉(zhuǎn)換為廠用電。

BEST小機(jī)啟動(dòng)時(shí)，變流器尚未運(yùn)行，MEH中設(shè)定暖機(jī)轉(zhuǎn)速為目標(biāo)轉(zhuǎn)速，由MEH控制進(jìn)汽調(diào)門進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。

暖機(jī)完成后，MEH將給水泵最低工作轉(zhuǎn)速設(shè)定為目標(biāo)轉(zhuǎn)速，依然通過BEST小機(jī)進(jìn)汽調(diào)門進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。當(dāng)達(dá)到給水泵最低工作轉(zhuǎn)速時(shí)，MEH將BEST小機(jī)轉(zhuǎn)速控制切換至自動(dòng)控制模式。此時(shí)，鍋爐仍然處于濕態(tài)運(yùn)行，鍋爐給水流量通過鍋爐給水旁路閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，給水泵轉(zhuǎn)速通過BEST小機(jī)進(jìn)汽調(diào)門的調(diào)節(jié)，維持在3 000 rpm附近。

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷繼續(xù)上升，直至鍋爐完全轉(zhuǎn)為干態(tài)運(yùn)行時(shí)，鍋爐給水旁路退出，鍋爐給水切換為主管運(yùn)行，即通過給水泵的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行調(diào)節(jié)。此時(shí)，變流器投入運(yùn)行，以給定的升速率逐步增加BEST小進(jìn)汽主調(diào)門開度，同時(shí)增加BEST小發(fā)電機(jī)的發(fā)電出力，直至BEST小進(jìn)汽主調(diào)門完全打開，跟隨主汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行。此后，給水泵轉(zhuǎn)速完全由BEST小發(fā)電機(jī)-變流器組控制。

由于主汽輪機(jī)負(fù)荷與BEST小機(jī)剩余功率存在一定的相關(guān)性，給水泵汽輪機(jī)廠家可以提供一條主汽輪機(jī)負(fù)荷—BEST小機(jī)剩余功率曲線(以下簡稱“剩余功率曲線”)供運(yùn)行人員參考，BEST小發(fā)電機(jī)接受來自機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)給定的主汽輪機(jī)負(fù)荷指令，并通過這條剩余功率曲線計(jì)算出BEST小發(fā)電機(jī)的功率設(shè)定值，此設(shè)定值再通過PID運(yùn)算輸出給變流器來實(shí)現(xiàn)BEST小發(fā)電機(jī)功率的控制，最終實(shí)現(xiàn)給水泵轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。BEST小發(fā)電機(jī)輸出功率控制回路示意圖如圖6所示。

圖6 小發(fā)電機(jī)輸出功率控制回路示意圖

3.2 小發(fā)電機(jī)的投入和退出過程

BEST小機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行在最低工作轉(zhuǎn)速，到一定負(fù)荷(暫定30%THA)后，給水流量由給水調(diào)閥控制切換到給水泵轉(zhuǎn)速控制，BEST小機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著機(jī)組負(fù)荷的上升同時(shí)上升。當(dāng)機(jī)組到達(dá)目標(biāo)負(fù)荷并穩(wěn)定后，小發(fā)電機(jī)可進(jìn)行并網(wǎng)，并網(wǎng)初始小發(fā)電機(jī)輸出功率為0，然后通過變流器將發(fā)電機(jī)功率的目標(biāo)值設(shè)定為跟蹤機(jī)組負(fù)荷(指令)-小發(fā)電機(jī)輸出功率曲線。需注意的是，小發(fā)電機(jī)輸出功率在從0到目標(biāo)值的過程應(yīng)該控制適當(dāng)?shù)纳俾?，而不?yīng)從0直接階躍到目標(biāo)值。

在帶小發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式下，如果變流器控制轉(zhuǎn)速失敗(發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率偏離功率指令超過一定值)，或受到其他保護(hù)，則小發(fā)電機(jī)出口斷路器斷開，小發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)。此時(shí)BEST小機(jī)承受了一定程度的甩負(fù)荷，BEST小機(jī)進(jìn)汽調(diào)門要能快速穩(wěn)定BEST小機(jī)轉(zhuǎn)速以避免超速，并盡可能降低對給水系統(tǒng)的擾動(dòng)。

3.3 BEST小機(jī)啟動(dòng)控制策略

當(dāng)BEST小機(jī)不進(jìn)汽時(shí)，其完全處于被動(dòng)倒拖狀態(tài)，此時(shí)BEST小機(jī)排汽到凝汽器的旁路閥打開，減少末級的鼓風(fēng)發(fā)熱。當(dāng)主機(jī)排汽具備啟動(dòng)條件后，BEST小機(jī)開始進(jìn)汽。BEST小機(jī)旁路閥繼續(xù)全開或者維持一個(gè)背壓。隨著BEST小機(jī)進(jìn)汽流量的增加，電動(dòng)機(jī)逐漸減少動(dòng)力輸出，而BEST小機(jī)逐步取代電動(dòng)機(jī)成為給水泵的動(dòng)力源，直至電動(dòng)機(jī)輸出為零，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)。BEST小機(jī)逐漸增加進(jìn)汽，驅(qū)動(dòng)給水泵，多余的能量轉(zhuǎn)化為小發(fā)電機(jī)的電能。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變成為發(fā)電機(jī)前，分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)和MEH在控制上需協(xié)調(diào)配合。MEH控制BEST小機(jī)逐步增加進(jìn)汽，DCS控制電動(dòng)機(jī)逐步減少輸出。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)后，變流器控制轉(zhuǎn)速，BEST小機(jī)進(jìn)汽調(diào)門全開。

3.4 多種工況下的聯(lián)鎖和保護(hù)

1)當(dāng)高壓加熱器切除工況時(shí)， BEST小機(jī)背壓升高，開啟BEST小機(jī)溢流閥或旁路閥以維持背壓不超過高限。當(dāng)BEST變流器就地控制系統(tǒng)主控時(shí)，BEST小機(jī)進(jìn)汽調(diào)門全開，不參與控制。當(dāng)MEH主控時(shí)，BEST小機(jī)根據(jù)此時(shí)給水指令，快速控制調(diào)門，維持給水穩(wěn)定。

2)在低壓加熱器切除的情況下，當(dāng)7號低壓加熱器故障切除或者7號、8號低壓加熱器同時(shí)故障切除時(shí)，需要計(jì)算出是否需要進(jìn)行整個(gè)機(jī)組的負(fù)荷限制。同時(shí)，需要根據(jù)切除時(shí)的工況來確定是否需要調(diào)節(jié)BEST小機(jī)進(jìn)汽主調(diào)門來限制BEST小機(jī)的進(jìn)汽流量，并在MEH中實(shí)現(xiàn)。

3)在小發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷工況下，BEST變流器就地控制系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)速控制失敗信號，MEH接受信號后，控制邏輯切換為BEST小機(jī)主調(diào)門控制BEST小機(jī)轉(zhuǎn)速，控制邏輯同常規(guī)給水泵汽輪機(jī)控制一致。小發(fā)電機(jī)出口斷路器斷開，小發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)，根據(jù)切除時(shí)大汽輪機(jī)負(fù)荷情況，可能存在BEST小機(jī)短時(shí)超速的情況，此時(shí)開啟BEST小機(jī)旁路溢流閥，快速降低BEST小機(jī)背壓，穩(wěn)定BEST小機(jī)轉(zhuǎn)速。

4)當(dāng)主機(jī)甩負(fù)荷時(shí)，加熱器全部切除。鍋爐維持最低負(fù)荷燃燒，須保證最低給水流量的控制。此時(shí)，與高壓加熱器全切工況相同。BEST變流器就地控制系統(tǒng)主控時(shí)，BEST進(jìn)汽調(diào)門全開，不參與控制。MEH主控時(shí)，BEST小機(jī)根據(jù)此時(shí)給水指令，快速控制調(diào)門，維持給水穩(wěn)定。

5)當(dāng)變流器出現(xiàn)故障時(shí)，小發(fā)電機(jī)出口斷路器斷開，小發(fā)電機(jī)不發(fā)電空轉(zhuǎn)運(yùn)行，MEH接受BEST變流器就地控制系統(tǒng)發(fā)出的給水泵轉(zhuǎn)速控制切換信號后，給水泵轉(zhuǎn)速切換為由BEST小機(jī)進(jìn)汽調(diào)門進(jìn)行控制。在變流器故障清除后，可通過飛車啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)不停機(jī)投入，恢復(fù)由變流器控制轉(zhuǎn)速模式。

4 結(jié)語

在二次再熱超超臨界機(jī)組采用帶變頻發(fā)電機(jī)的BEST小機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)后，能夠有效降低回?zé)嵯到y(tǒng)過熱度，提高循環(huán)效率。BEST系統(tǒng)配置小發(fā)電機(jī)來平衡小汽輪機(jī)與給水泵之間的剩余功率，即通過變流器控制小發(fā)電機(jī)的出力來調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速，BEST小機(jī)配有小發(fā)電機(jī)，BEST小機(jī)拖動(dòng)給水泵所剩余的軸功率可通過小發(fā)電機(jī)發(fā)電并掛入廠用電網(wǎng)，既解決了給水泵汽輪機(jī)在變工況下進(jìn)汽節(jié)流損失的問題，又進(jìn)一步提高了電廠的發(fā)電效率。同時(shí)本文提出了BEST小機(jī)系統(tǒng)在不同工況下的控制策略，保障機(jī)組安全運(yùn)行，為更高參數(shù)的煤電機(jī)組提供了技術(shù)支撐。