房吉国 杨国强 王开晶

摘  要：双机回热系统最重要的设备之一为回热式驱动小汽机，该小汽机具有驱动给水泵和回热抽汽多种功能。小汽机在满足给水泵耗功的同时，还要满足回热系统的需要。不仅要考虑升降负荷时小汽机的运行，还要考虑其他特殊工况下如何满足给水和回热抽汽的要求。小汽机的启动和控制运行是一个多变量协同控制过程，如何正确处理这些变量之间的关系及控制方法是实现小汽机正常启动运行的前提。文章根据以往的运行经验及双机回热小汽轮机的运行特性，进行了双机回热各工况的运行控制策略设计，方便后期运行实际操作。

关键词：1000 MW;双机回热;小汽轮机;变工况;运行控制

中图分类号：TM621       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）01-0031-04

Abstract：One of the most important devices of the double-turbine reheating system is the reheating drive small steam turbine. The small steam machine has various functions of driving feed water pump and recovering heat steam extraction. The small steam turbine satisfies the needs of the reheating system while supplying the pump with power. It is necessary to consider not only the operation of the small steam turbine during lifting and lifting load，but also how to meet the requirements of water supply and return heat pumping under other special conditions. The starting and controlling operation of small steam turbine is a multi-variable collaborative control process. How to correctly handle the relationship between these variables and the controlling method is the premise of realizing the normal starting operation of small steam turbine. The article based on the experience of operation and the characteristics of the two-turbine return steam turbine，the operation control strategy of the two-turbine return heat is designed to facilitate the operation of the later operation.

Keywords：1000 MW;double-turbine regeneration system;small steam turbine;variable working conditions;operation control

0  引  言

燃煤发电机组蒸汽参数的提高，可以获得更高的循环效率，进一步降低机组的煤耗，减少温室气体和其他污染物排放。随着蒸汽参数的提高，回热抽汽过热度增大，回热加热器内汽侧和水侧换热不可逆损失增加，削弱了提高蒸汽参数带来的收益。蒸汽参数越高，这一矛盾越突出。对于这一问题，常规的解决办法是，通过在再热后的部分回热抽汽增设外置式蒸汽冷却器，降低回热抽汽的过热度，但是前置蒸冷器虽然可降低抽汽过热度，但其综合换热系数很小，只有通过增大其换热面积才可以保证换热效果。因此其提升给水温度有限，体积庞大，一方面给主厂房的布置带来了困难，另一方面由于其价格不菲，提高了整个工程的造价成本[1]。另一种办法是采用双机回热系统，此方法理论上能够大幅降低再热后所有回热抽汽的换热过热度，可以大幅提高回热抽汽能级利用效率[2，3]。百万二次再热机组，参数越高，优势越明显。采用双机回热系统后，小汽机的启动和控制运行是一个多变量协同控制过程，正确处理这些变量之间的关系及控制方法是实现小汽机正常启动运行的前提，本文将对双机回热系统运行控制策略进行设计。

1  双机回热系统介绍

双机回热小汽轮机系统如图1所示，采用抽汽背压式汽轮机，该汽轮机工作汽源来自超高压缸冷段再热蒸汽（超高压止逆阀后）。采用超高压缸冷端再热蒸汽，具有工作汽源参数较高，机组效率较高的优势[4]，同时配备小发电机，经过不同工况计算均能够满足给水泵功率要求[5]，不需另设高压汽源，小汽轮机仅设一个工作汽源，机组调试时由辅助汽源供汽。

小汽机的抽汽替代大汽轮机高压缸、中压缸的回热抽汽。來自一次再热冷段的蒸汽经过小汽机部分级次做功后，依次进入高压加热器和除氧器换热，排汽进入低压加热器或凝汽器（排气装置）。

2  小汽轮机启、停动运行控制策略

2.1  控制调节系统

小汽轮机由MEH控制系统控制，控制方式可分为三种：手动方式、转速自动控制、阀位开环控制。小汽轮机在启动过程中，通过测速板采集小机的转速，控制系统按小汽轮机启动曲线升速，输出控制信号到伺服阀，通过伺服阀来改变调节阀的开度，控制进入给水泵汽轮机的蒸汽流量，改变汽轮机的转速。

2.2  小机启动控制

大机冲转定速3000 r/min后，超高压缸冷段再热蒸汽参数满足冲车要求，可启动回热小汽机并通过调节阀控制进汽流量，给水泵旁路投入运行，并通过调速装置调节给水泵转速，使给水泵低速、低负荷运行。小机启动冲转时，小机排汽进入凝汽器，小机并网时，逐步开启低加入口的阀门，关小去凝汽器阀门，逐步将小机排汽切换至低加，双机回热系统启动过程如图2所示。

回热小汽机转速升至3000 r/min，稳定后小汽轮机并网带初负荷，继续开大小汽机调节阀，增大进汽流量至阀门全开带满负荷。任何工况下不得超过小发电机最大功率，不得低于小发电机最小功率，理论上回热小汽机出力和给水泵间的功率差就是小发电机出力，小机所带加热器投入顺序，压力由低到高依次投入。

同时，给水泵耦合器由自动控制切换到协调控制方式，DCS给出目标转速，根据给水流量要求控制给水泵相应转速，当汽动给水泵出口压力升高至电动给水泵出口压力，汽动给水泵与电动给水泵并列运行，并逐渐减小电动给水泵出力，调节电动给水泵出口调节阀，维持电动给水泵出口压力满足要求，减小流量，同时增加小汽机驱动给水泵出力，直至电动给水泵流量减小到一定程度，停止电动给水泵，完全由小汽机驱动给水泵满足锅炉给水的需要。不同负荷下通过小发电机的电负荷来协调给水泵的出力。

2.3  小机运行调节策略

机组运行时，回热抽汽量由回热加热器自平衡决定，给水泵出力由某工况下给水流量及给水压头决定，各工况下回热小汽机进汽量不可能同时满足给水泵出力和回热抽汽量。部分负荷时小机进汽压力滑低，进汽量减少，给水泵的效率下降，给水流量和压头均减小，整个给水泵组出力减小。全负荷及变负荷工况下，小汽机调门不参与调节，机组负荷随进、排汽参数变化，通过小机带的电负荷来匹配轴功率，各工况下电机功率并不相同，在小电机最高与最低负荷之间。小汽机调门仅在机组启动及小电机功率超限等特殊工况下参与调节。

锅炉给水泵由联轴器及调速装置齿轮箱等设备与小汽轮机相连，调速装置接收锅炉给水流量或转速信号，信号来自CCS输出信号，且与DCS系统联网，通过控制调整调速装置输出转速来满足锅炉给水要求。给水通过调速装置，其流量按机炉控制系统要求的“煤水比”对给水泵的转速进行控制。

2.4  小机停机控制策略

汽轮机的停机分为正常停机与紧急停机。正常停机用于小修、大修等计划停机;紧急停机用于机组发生事故，危及人身、设备安全及突然发生不可抗拒的自然灾害时的停机。

2.4.1  小机随机组正常停机

正常停机过程，小机随大机一起滑参数停机，按如下步骤进行：

（1）当主机负荷下降至低于40%额定值时，打开所有的气动疏水阀，小汽轮机调节阀参与调节;

（2）随着主机负荷下降，CCS自动降低给水泵转速，当大机负荷以稳定速率降低时，给水泵通过调速装置转速随给水调节而自动降速。当大机负荷降至40%～30%时，启动电动给水泵，当汽泵转速下降到10%额定转速时，或发电机功率超过额定功率时，小汽轮机开始降负荷，当小汽机负荷下降到5%额定负荷时，按下操作控制台上“停机”按钮。发电机解列，主汽阀，调节阀、抽汽止逆门全部关闭;

（3）机组脱扣。1）主汽阀与调节阀迅速关闭，相应指示灯亮;2）当机组转速惰走到0 r/min时，盘车装置自动投入并带动主轴转动，机组进入盘车状态;3）盘车装置要连续运行至汽缸温度达150 ℃以下方可停止。

2.4.2  小机紧急停机

紧急停机即非正常停机，如果出现在下列情况下，则汽轮机必须立即打闸停机，紧急停机可通集控室控制台上的手动停机按钮。

（1）机组发生强烈振动，振幅达停机值以上，或机组振动值急剧增加;

（2）汽轮机内有清晰的金属摩擦声和撞击声;

（3）汽轮机发生水击;

（4）轴承钨金温度急剧上升至跳机值或任一轴承回油温度升至跳机值;

（5）轴封或挡油环严重摩擦、冒火花;

（6）启动备用油泵无效，润滑油母管压力低至停机值;

（7）油箱油位低至停机值，补油无效;

（8）油系统着火;

（9）轴向位移超限，而轴向位移保护装置未动作;

（10）汽轮机转速升至跳闸转速值，而机组未遮断。

2.5  背压控制方式

小汽机的背压越低，替代回热系统的范围越大，回热抽汽量也越多，小汽轮机的出力也越大;而背压越高，替代回热系统的范围越小，对应的回热抽汽量也越少，小汽轮机的出力也越小。回热式驱动小汽机的背压不能太低，排汽湿度将严重超限，不利于末级叶片运行。回热式驱动小汽机背压不能太高，当背压达到一定压力时，出力满足不了给水泵耗功，且可能超过低加的工作允许压力，这个背压值便是回热小汽机背压的上限值。不同负荷时小汽轮机背压整定由调压控制系统实现。当背压超过允许范围时，先通过去末级低加的调节阀来维持小汽轮机背压，维持不了再调整前一级低加的调节阀，若背压仍然不能回减，则需要调节小汽轮机的进汽调节阀。

3  特殊运行工况控制策略

3.1  高加切除工况

双机回热系统中，进入回热小汽机的蒸汽全部进入回热系统，THA工况下，回热小汽机所带高压回热抽汽量占主流流量比例较大（主流量指通過前一级的蒸汽流量），高加切除运行对主汽轮机和小汽机的轴向推力影响较大，1000 MW二次再热双机回热机组高加切除方式可采用三种，分别为高加全部切除、高加三三分组切除和高加两两分组切除。

对三种运行模式下主汽轮机和回热式驱动小汽机的轴向推力进行了校核，根据初步核算结果[6]，只有在高加两两分组切除时，主机和回热小汽机的轴向推力的比压值较全部切除工况显著下降。在高加两两分组切除模式下，从轴向推力的设计角度来说，机组可带满负荷运行。机组在高加切除的事故运行时保证小机安全稳定运行，推荐采用两两分组的设计方案。

3.2  低加切除工况

双机回热小机带的前一级低加切除，排汽进入后一级低压加热器，富余的排汽量通过管道接入凝汽器。仅从汽轮机本体结构方面考虑，该方案可行。但低加切除对其他辅助设备是否有影响，还需要进一步评判混合式低压加热器是否可以切除。

末级低加切除后，前一级混合式加热器入口水温度低、吸热增加。此时，回热小汽机排汽不需要排至旁路减温减压装置。当同时切除多台低压加热器时，需要根据切除的加热器个数限制机组负荷。一般来说，当同时切除两台低加时，机组负荷须降低至90%;当同时切除三台低加时，机组负荷须降低至80%;依次类推。另外，回热式小汽轮机排汽系统设置接入凝汽器的旁路，并配置减温减压装置，起到稳定背压的作用。在加热器切除工程中，如果背压超出限制值，投入旁路稳定背压即可。

3.3  甩负荷工况

双机回热系统，甩负荷工况可分为大机甩负荷及小汽轮机甩负荷。

大机甩负荷工况时，当发电机从电网解列信号发出后，所有调节同常规百万机组一样，控制汽轮机转速，当汽轮机转速降至102%额定转速时，超高压、高压和中压调节阀打开维持汽轮机空转或带厂用电。甩负荷时汽机功率急速下降，但锅炉热惯性大，锅炉蒸发量下降较慢，电动给水泵功率达不到锅炉上水量要求，甩负荷过程中给水泵仍由回热小汽机驱动。

当大机甩负荷时，旁路系统投入运行，小汽轮机进汽采用超高压旁路后冷段再热汽源。大机甩负荷时小汽轮机所带回热抽汽不切除，小汽轮机维持正常运行。如果锅炉上水量较小，小发电机功率较大，小汽机调节阀参与调节，满足除氧器压力不超限，小发电机功率不超限。

当小机甩电负荷时，小汽轮机的转速会上升，为了维持3000 r/min，小汽轮机调节阀会参与调节，关小阀门。为避免小汽轮机转速飞升过大，需预关小汽轮机调门到一定位置，再进行转速PID调节。此时，调节阀满足给水系统需要，回热系统重新维持自平衡。给水泵调速装置输入端允许超速15%，而小汽轮机超速范围为10%，调速装置在甩负荷工况下是安全、可控的。

4  结  论

在成熟机组的启动、运行控制技术基础上，对小汽机的控制调节系统、背压控制系统、启动和停机、运行调节进行了研究。制定了切高加运行、甩负荷、RB等特殊运行工况下的控制方法，保证双机回热系统安全稳定运行。

（1）小汽机节流配汽，工作汽源为超高压排汽单一汽源，进汽量取决于给水泵功率、发电机功率和回热抽汽量。正常变工况运行时，小机阀门保持全开状态以保证小机宽负荷高效运行;

（2）给水泵变工况时，小汽机阀门不参与调节，通过调速装置接收来自给水的信号调节给水泵转速、功率，此时，小发电机功率相应变化，协调给水泵出力;

（3）机组启动时，由于小机启动时间比大机短，为了减少蒸汽浪费，小机可在大机启动后采用一次再热冷段蒸汽作为启动汽源启动，因此，建议机组配置30%电动给水泵，先由电动给水泵给锅炉上水，在大机冲转后启动回热式驱动小汽机;

（4）小汽机正常运行时排汽到低加，在低加抽汽管路上设置调节阀，不同负荷时通过调节阀控制小汽机排汽背压。末级低加的调节阀是主要调节手段，前一级低加的调节阀为辅助调节手段，必要时需要调节小汽轮机至大机凝汽器的调节阀;

（5）由于双机回热系统配置复杂，设备繁多，启动运行控制是一个多变量协同控制过程。在未来的工程验证中还要详细研究，确保机组安全运行。

参考文献：

[1] 王亚军，朱佳琪，李林，等.二次再热机组回热系统设计和研究 [J].电力勘测设计，2016（3）：16-24.

[2] 乔加飞，张磊，刘颖华，等.二次再热机组双机回热系统热力性能分析 [J].热力发电，2017，46（8）：59-63.

[3] 赵晓军.超超临界二次再热机组热力系统优化分析 [J].企业科技与发展，2018（2）：95-96.

[4] 韩中合，田欢.1000MW二次再热机组抽汽参数确定与小汽机汽源研究 [J].汽轮机技术，2018，57（5）：377-380.

[5] 王雅倩，付亦葳，张泽雄，等. BEST 系统变工况特性及控制方式研究 [J].热能动力工程，2018，34（5）：42-48.

[6] 龐浩城，王鹤峰.汽轮机轴向推力计算分析 [J].机械工程师，2013（8）：62-63.

作者简介：房吉国（1969.07-），男，汉族，山东即墨人，

本科，金属技术监督专责，研究方向：金属材料监督;杨国强（1989.10-），男，汉族，内蒙古呼和浩特人，节能专责，本科，研究方向：汽机节能;王开晶（1979.06-），男，汉族，山东滕州人，汽机运行高级主管，研究方向：汽机运行。