一种新旁路控制策略的设计和应用

一种新旁路控制策略的设计和应用朱介南1，吴永存1，金麒麟2，张玮2，刘文平3（1.浙江国华浙能发电有限公司，浙江宁波315612；2.上海电力建设启动调整试验所，上海200137；3.西门子电站自动化有限公司，江苏南京211106）摘要：受各种因素影响，目前国内很多电厂的旁路系统使用效果都不佳，只能在机组启停阶段充当锅炉和汽轮机的疏水门，而无法发挥其他功能。在宁海电厂二期1000MW超超临界机组调试过程中，通过对传统旁路控制策略的改进，设计出一种新的旁路控制策略。该控制策略把高压旁路划分为五种控制模式，实现了旁路从机组启动到冲转并网，再到解列和锅炉停炉的全程自动控制，并能实现机组的停机不停炉功能；通过低旁前后蒸汽焓降的计算，可精确预估低旁所需的减温水量，从而确保低旁排汽满足凝汽器的严格要求；其它的功能则与传统旁路系统相当。关键词：旁路；控制模式；安全阀功能；焓值计算；减温水TheDesignandApplicationofANewBypassControlStrategyZhuJienan1,WuYongcun1,JinQilin2,ZhangWei2,LiuWenping3Abstract:Duetovariousfactors,mostpowerplants'bypasssystemjustactasahydrophobicgatetoboilerandturbineintheunitcommitmentstage,andcannotplayotherfunctions.Inthedebuggingprocessofthe1000MWultra-supercriticalunitsinNinghaiPhaseⅡ,theyimprovedthetraditionalbypasscontrolstrategyandworkedoutanewone.ItdividetheHP-bypassintofivecontrolmodetoachievethewholeprocessautomaticcontrol,fromtheunitsstarttotheunitgridandfromsystemdisconnectiontotheboilershutdown.Atthesametime,italsocarryoutthefunctionofShut-downTurbinewhilekeepingtheBoilerinoperation.ThroughthecalculationofthesteamenthalpydropbeforeandaftertheLP-bypass,theinjectwatertrafficcanbeaccuratelypredicted.ItensuretheLP-bypassexhausttomeetthestringentdemandsofcondenser.Theotherfeaturesjustcorrespondtothetraditionalsystem.Keyword:bypasscontrolmode；Securityvalvefunction；enthalpycalculation；injectwater0概述旁路系统主要是协调锅炉和汽机用汽量之间的不平衡。在机组启动期间，对过热器和再热器系统预热、加快启动速度。在机组甩负荷时，将剩余蒸汽通过旁路系统，使锅炉瞬变过渡工况运行稳定。但纵观国内的旁路系统，除少数进口机组如华能石洞口、外高桥二期、珠海电厂外，大部分机组的旁路都只使用了启动疏水功能，并没有起到跳机保持锅炉继续运行的作用。即使是机组启动期间，旁路往往也无法投入自动控制[1]。鉴于这种情况，旁路的简化设计一度成为国内的主流，这更进一步导致旁路蜕化成为锅炉和汽机的大疏水门。但对于大容量超超临界压力机组，为防止汽轮机的颗粒物侵蚀；更好的匹配主汽和汽轮机厚重部件（如阀门体、高中压转子）的温度，减少热应力；冲洗锅炉的氧化皮，旁路的作用又重新得到重视。以宁海二期为例，汽轮机为上海汽轮机有限公司和西门子联合设计制造的N1000-26.25/600/600（TC4F）型超超临界汽轮机。该型汽轮机采用高中压缸联合启动，因此机组在各种工况下（冷态、温态、热态和极热态）启动都必须投入旁路系统，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，减少汽机寿命损耗，实现机组的最佳启动。锅炉是上海锅炉厂有限公司引进Alstom公技术生产的SG3091/27.56-M54X型超超临界直流炉。该型锅炉推荐使用100％BMCR的高压旁路和65％BMCR容量的低压旁路二级串联配置，以便适应机组定压运行和滑压运行复合方式，并替代锅炉过热器安全门的作用，在锅炉超压时能及时动作开启。而外界电网或汽轮发电机组发生故障跳闸，旁路系统可迅速开启，保持锅炉运行，机组随时能重新并网恢复正常运行[2]。面对旁路的这种功能设计，传统的控制策略显然已无法满足，开发一种新的控制策略势在必行。1高压旁路的功能和控制策略高压旁路阀替代了过热器安全阀，又作为主汽压力调节阀。该旁路装置还能跟踪运行压力，只要压力超过设定值阀门就打开，因此这种高旁系统又俗称为“三用阀”系统。它具有机组启动升温升压、再热器保护、主汽压力跟踪、主汽超压快开、过热器安全阀和实现机组FCB等功能，因此在高旁控制策略设计时，首先根据其功能不同划分为五种控制模式，再确定不同模式下的旁路控制方式，从而达到全过程的高旁自动控制。1.1高压旁路控制模式的划分高压旁路运行方式被划分为A、B、C、D、E五种模式，分别表示机组启动模式、机组正常运行跟踪模式、停机不停炉模式、停炉备用模式和停炉检修模式。其中启动A模式又根据启动阶段，锅炉不同的运行要求分为A1、A2和A3三种模式，分别起到关阀、阀位限制和冲转压力控制等作用。跟踪B模式则在机组正常运行期间，跟踪主汽压力，只在机、炉调节过慢，压力上升过高时开启溢流，确保锅炉安全和主汽压力稳定。C模式是100％容量高压旁路性能的最佳体现，即使汽轮机跳闸，通过高压旁路依旧能实现蒸汽的通流，实现停机不停炉，为此机组的横向大连锁取消了机跳炉的保护。D、E模式是锅炉停运后的高旁控制模式，若锅炉是停炉备用，旁路维持较高的主汽压力，避免锅炉热量损失，可以尽快重新投入使用；若是检修模式则根据锅炉的降压速率要求，控制机组压力缓慢下滑直至完全消压。表1高压旁路控制模式的划分模式触发条件转换条件备注A1锅炉有火1）锅炉有火信号消失高旁保持关闭，防止带走锅2）进入A2或A3模式3）进入B、C模式4）发电机并网炉蓄热。A21）锅炉点火12分钟后2）主蒸汽压力11.8MP3）达到锅炉蓄热设定点1）锅炉点火信号消失2）旁路进入A3、B、C模式限制高旁阀位，既能防止再热器干烧，又能避免锅炉蓄热过度的丧失。A31)A2模式持续一段时间2)主汽压力12MPa1）锅炉点火信号消失2）旁路进入B、C模式带阀位限制的压力调节，逐步把主汽压力升至汽轮机冲转压力。B1）所有高旁阀位2％。2）锅炉已点火3）DEH发出全部蒸汽进入汽机的信号以上三个条件相与1)汽机发生跳闸2)发电机跳闸（GCBOFF）3)FCB滑压运行。若主汽压力上升过快，高旁将会调节开启。C1)旁路已进入B模式2）DEH的全部蒸汽进入汽机信号消失以上两个条件相与－控制汽轮机热态冲转压力。D锅炉点火信号消失－锅炉保压。E锅炉点火信号消失－运行人员手动控制压力说明：1）未注明的触发和转换条件均采用或逻辑组态；2）高旁阀位全关，DEH接替高压旁路控制主汽压力，DEH发出全部蒸汽进入汽机的信号，并由RS触发器保持，直至汽机、发电机跳闸，或FCB发生。1.2高压旁路的压力控制尽管高压旁路的控制模式多达七种，但无论何种模式，其调节的对象都是主汽压力。因此高压旁路的控制主回路是一个简答的单回路控制系统：主汽压力与其设定值的偏差经PID调节器后给出高压旁路阀的开度指令。至于主汽压力设定值则根据高压旁路的不同控制模式，有不同的要求，逻辑示意图见图1。图1高压旁路控制原理图锅炉点火瞬间，高压旁路进入A1模式，PID主调节器投入自动，并将调节器的输入偏差切换为－5，因此PID调节器的输出为零，高旁阀可靠的关闭。进入A2模式后，PID调节器的主回路不起作用，而是通过调节器的下限来控制阀门开度。高旁阀先是被限开至5%开度，2分钟后开启至17%。进入A3模式后，PID主调节器开始进行压力调节。此时高旁压力设定值是进入A3瞬间的主汽压力和汽机冲转压力（根据高压转子温度计算而得）两者取大值，并限制在8.5～15MPa之间。此外，还对高旁的阀做了上下限制，即最小开度不小于8％，最大开度不超过50～100％。最小阀位限制在汽机并网或旁路进入D、E模式后取消。随着汽轮机并网带负荷，高旁逐渐关小，直至全关后，DEH发出汽轮机全进汽信号，高旁转为B模式。此时的压力设定值是协调滑压曲线＋1.4Mpa，因此高旁保持全关，直至机组出现扰动，压力突然串升，高旁开始调节主汽压力。出现汽轮机跳闸或发电机跳闸时，高旁转为C模式，将主汽压力逐步下滑控制为汽轮机再次冲转的压力。锅炉灭火后，转入D/E模式，并根据灭火时的主汽压力决定高旁的压力设定值：若主汽压力大于13.5MPa，高旁压力设定值为13.0MPa，否则是13.5MPa。1.3高压旁路的快开和安全阀功能机组出现某些异常工况时，若不能及时开启高压旁路，将会导致锅炉严重超压，因此高压旁路具有快开功能，其触发条件如下：（1）机组负荷大于200MW（或负荷信号坏点），汽机跳闸（2）机组负荷大于200MW（或负荷信号坏点），发电机出口开关跳闸（FCB）（3）主汽压力＞28.5MPa。（4）主蒸汽流量大于50%，高旁处于B模式，主汽压力比压力设定值高2.4MPa（5）主蒸汽流量大于50%，高旁处于C模式，主汽压力比压力设定值高2.4MPa另外，在DCS操作台的后备硬手操上还备有高旁快开按钮，以便保护失灵时，运行人员能通过硬手操开启高旁。但出现以下工况，高旁开启可能会带来不良后果，高压旁路的压力设定值将被设为锅炉的额定压力29.4MPa，闭锁高旁调节开启，只起安全门作用。（1）低旁快关动作（2）主汽温度大于425℃时给水泵全停（3）低旁系统不正常（包括低旁阀故障、低旁油压低、两台油泵都停运）高压旁路的安全门功能是通过安装在就地的压力开关触发实现的。在锅炉每侧引出高旁的三级过热器出口联箱上都安装有三个压力开，一旦主汽压力超限，任一压力开关动作后，高压旁路油动机的上下油缸间的电磁阀失电打开，上下油缸短路，此时高旁将起到安全门作用，在主汽压力的作用下直接开启。另，由于该高旁具有取代锅炉过热器安全门的功能，因此不设置快关条件。2低压旁路的控制策略低压旁路的主要作用是控制再热器压力，满足汽轮机高、中压缸联合冲转的需要。从锅炉点火到发电机并网前，低旁的再热压力设定值是根据锅炉主控计算而得，但限制不超过2MPa。其目的是防止机组低负荷期间，过高的再热器压力影响高压缸排汽不畅通，导致高压缸鼓风摩擦过大。在汽机并网后，压力设定值跟踪实际再热蒸汽压力，且设定值始终不大于2.5MPa。当任意一侧低旁阀位大于70%，且再热蒸汽压力不大于2.5MPa，延时5分钟后，低旁转换成定压控制YNF，此时压力设定值切换成定压2.5MPa。当高旁转为B模式后，低旁压力设定值由锅炉主控与功率信号百分比取大值对应的函数确定，以保证低旁关闭。机组运行中出现发电机解列或汽轮机跳闸等异常工况（高旁切换成C模式）时，再热压力设定值为锅炉主控对应的再热压力，且该压力设定值不超过2MPa。锅炉熄火后，低压旁路压力设定值是主汽实际压力的0.5倍与6MPa取小，从而确保低旁关闭，维持再热器压力。另外，在低旁的主PID调节器上还根据不同的工况设置了不同的阀位限制：（1）点火后，任意一侧低旁阀位大于10％后，低旁最小阀位自动置成10％，当发电机并网或锅炉灭火后，最小阀位限制复位为0。（2）在启动模式下，低旁最大开度为70%，其余工况没