燃气-蒸汽联合循环全程旁路系统分析和控制

王燕晋;陈振山

【摘 要】以某发电厂燃气-蒸汽联合循环二拖一机组为例,介绍了全程旁路控制的控制特点和控制方法,并比对了同类型控制方案的优缺点,详细分析了控制过程的控制难点和关键因素.特别针对特殊工况,详细给出了应对方案.此控制方可以作为今后同类型机组控制系统设计的基础和参考. 【期刊名称】《华北电力技术》 【年(卷),期】2014(000)009 【总页数】4页(P14-17)

【关键词】旁路;燃气-蒸汽联合循环;控制策略 【作 者】王燕晋;陈振山

【作者单位】华北电力科学研究院有限责任公司,北京100045;华北电力科学研究院有限责任公司,北京100045 【正文语种】中 文 【中图分类】TM611.31 0 引言

随着环境保护要求的日益发展，能源产业与环境问题的矛盾促使电力行业越来越关注清洁能源的可利用性。在华北地区具体电力要求的政策环境下，越来越多的燃机-蒸汽联合循环电厂投入建设和生产，其装机容量也不断加大。虽然在单发电机容

量领域，多数机组维持在300 MW级，但考虑到其联合循环特性，整体运行的装机容量仅一台二拖一联合循环机组就可达到800 MW以上，机组的安全、稳定运行对电网安全具有重要意义。在典型的二拖一联合循环机组中，为每台燃机均配备了可满足100%工况要求的旁路系统。当燃机或汽轮机出现设备问题时，可通过旁路，来保证机组联合运行中的其他燃机或汽轮机的运行安全，为电网运行的安全、可靠提供保证。由此，旁路控制的可靠性，是二拖一机组安全、稳定的基础。由此全工况运行的全程旁路控制系统成为燃气-蒸汽联合循环二拖一机组控制系统的控制核心和控制难点。本文以某发电厂燃气-蒸汽联合循环二拖一机组为例，介绍基于全程控制的旁路控制特点和在特殊工况下旁路的控制策略要点。 1 旁路系统特点

某燃机发电厂二拖一燃气-蒸汽联合循环机组，燃机为两台GE 9FB级大型燃气轮机，最大发电量可达301 MW;汽轮机为哈汽自主研发三压再热两缸两排汽，高中压转子与低压转子间设置SSS离合器，可纯凝、抽凝或背压供热运行的蒸汽轮机，最大发电量320 MW;余热锅炉为哈锅自主生产三压、再热、无补燃、无旁通烟筒、自然循环、带除氧器、全封闭、卧式余热锅炉，与GE 9FB型燃气轮机匹配。燃气轮机排气进入余热锅炉，产生的蒸汽进入汽轮机余热发电。机组旁路系统采用三压控制，高中压旁路串联布置，接入凝汽器;低旁直接接入凝汽器。具体机组旁路系统布置如图1。

图1 机组旁路系统布置图 1.1 高中旁路布置特点

(1)高旁蒸汽直接进入冷再热管道，经再热器后，由热再管道通过中旁排入凝汽器。这种布置使得再热器从机组启动初期到机组满负荷，一直处于通汽状态，管道中存在不饱和或饱和蒸汽。这种布置可以使再热器在启动初期不处于“干烧”状态，对再热器管道的材质要求可适度降低。

(2)由于高压旁路、中压旁路串联布置，当两者控制相互干扰，尤其在中压旁路发生快关条件时，高压旁路也必须迅速关闭，避免管道发生超压现象。 1.2 旁路的控制需求和特点

(1)启动控制。在燃机点火初期，旁路的作用为保证旁路流量，使机组参数，例如排烟温度与主蒸汽温度的差值、汽包壁温等主要的温度参数得到迅速提升;当流量达到基础要求时，提升机组主蒸汽压力、再热蒸汽压力，使机组快速、平稳地到达汽机冲车所需要的控制条件。

(2)停机控制。当燃机灭火后，旁路需要自动关闭，使得炉膛热量不至于快速散失，主要表征在主汽压力不要快速下降。

(3)汽轮机并网模式。当汽轮机并网后，旁路需要根据汽轮机调门的动作情况，迅速自动动作，使得主汽压力、再热汽压力不会快速下降，并且保证机组压力不出现超压等异常现象。

(4)并汽模式。当投入的燃机为后启动燃机，需要两台燃机并联蒸汽，共同承担汽轮机所需蒸汽时，通过压力设定值的变化，达到自动并汽功能。

(5)退汽模式。当所对应燃机需要退出汽轮机供汽方式时，并且仅由另一台供汽，则需要通过控制旁路门开度，达到平缓退汽的目的。

(6)在旁路的(1)、(4)、(5)控制需求下，旁路控制的特点为稳定，需要参数对应系统鲁棒性要求高，控制参数平滑变化，保证对应的汽包压力、汽包水位、汽轮机负荷等重要参数不出现影响机组安全的大幅波动。在旁路的(2)、(3)控制需求下，由于设备工况本身处于波动期，所以需要重点考虑系统的稳定性，鲁棒性需求不高，仅能达到快速动作要求即可，快速性是此控制需求的唯一指标。 2 旁路系统控制方案

对于三压锅炉而言，高压、中压旁路控制是控制的核心，控制方案和控制精度要求很高;对于低压旁路，由于低压汽包的主要作用是为高中压汽包供水，其汽包蒸汽

需在汽轮机投入低压补汽后方使用，所以控制要求不高，仅完成定压控制需要即可。 2.1 多种控制方案分析

现可以满足燃气-蒸汽联合循环大旁路控制需求的全程控制方案主要有两种。 (1)基于西门子燃机及其全程控制思路的旁路控制方案。此方案基于燃机排烟能量的充分可控。在升压过程中，由于能量快速传递，利用旁路PI控制系统必然存在的相角偏差，结合其偏差的绝对值，不断随动升压。当满足汽轮机基本冲车条件后，同汽轮机系统共同接收协调控制系统下发的旁路控制目标值(高旁、中旁)，在相应存在压力阶梯的条件下，共同控制主蒸汽、再热蒸汽压力。为了区分各个工况的控制要求，改变压力阶梯的幅值，可以很好地控制目标数值，保证高压、中压压力满足各个工况下的要求。此方案在升压过程中，必须很好地预测燃机排烟能量，需要较快速地提升燃机负荷，方可精确地控制整个升压过程。升压过程能量需求大，过程快速。

(2)基于CCI旁路的全程旁路控制方案。此方案包含了机组最小压力控制、压力爬升控制、定压控制、跟随控制，共4种控制模式。当机组启动时，机组旁路的压力控制处于最小压力控制，设定最小控制压力，且存在旁路最小开度。当实际压力大于最小压力，且旁路阀开度大于规定值时，进入压力爬升模式。根据设定好的基于时间函数的压力爬升曲线，压力设定值不断提升。此压力爬升速率同时受到旁路开度的修正，需基本保持旁路开度维持不变。当实际压力大于汽机冲车所需最小压力时，控制模式进入定压控制模式。当汽轮机并网，且旁路开度很小时，旁路控制进入跟踪模式。跟踪实际压力加上一个较高值，从而保证旁路处于关闭状态。此方案升压控制准确，对燃机能量变化要求低。但进入跟踪模式后，不参与基于压力控制，降低了机组运行的安全性和可控性。

综合两种方案，根据某发电厂燃气-蒸汽联合循环二拖一机组的实际情况，结合两种控制方案的优点，吸收了实际调试经验，设计并投入使用新优化的旁路控制方案。

2.2 高压旁路控制

设定高压旁路控制模式分为最小压力控制、压力爬升模式、定压模式、压力跟踪模式、压力设定模式。当燃机点火且实际高压蒸汽压力大于0.2 MPa时，高压旁路最小开度为5%，压力设定值1 MPa，开度上限为20%。最小压力模式主要应对与燃机刚启动时，机组提升流量和温度时的工况。当实际压力大于1 MPa，控制模式切换为压力爬升模式。压力设定值根据高旁阀开度与设定开度(20%)的积分运算得到。压力设定值不断提高，设定值上限5.1 MPa。当实际压力大于5.1 MPa时，控制模式切换为定压模式。定压模式下，当汽机并网，且汽机机前压力大于4 MPa，且对应机组高压并汽主路电动门已开，则机组设定值等于原设定值加0.8 MPa。此逻辑保证机组高压旁路可以在汽机并网条件下快速关闭。当高压旁路调节阀开度小于2%时，汽机并网且汽机机前压力大于4 MPa且对应机组高压并汽主路电动门已开，则这时压力设定值等于协调方式下高压压力设定值加0.8 MPa。此逻辑保证机组高压旁路可以在兼顾汽机压力的条件下，基本保证旁路全关。当燃机灭火且高压旁路调节阀开度小于2%时，控制模式切换为压力跟踪模式。压力设定值为当前压力值加0.8 MPa。此控制逻辑保证高压旁路阀在燃机灭火时旁路关闭，加快下一次机组启动的速度。 2.3 中压旁路控制

中压旁路的控制模式基本与高压旁路控制模式和控制思路相同，可一并理解。必须注意的是，在中压旁路的最小流量控制模式下，在余热锅炉未升压时，须首先关闭中压旁路，防止首先开中压旁路引起的汽轮机真空下降。 2.4 低压旁路控制

低压旁路处于机组压力等级的低端。由于低压汽包的主要作用是给高压汽包、中压汽包供水，所以其提供给汽轮机的蒸汽等级很低，且低压补汽的投入点需在汽轮机负荷20%以上方可投入，所以低压汽包更需要于采用定压控制方式，有利于机组

在启动和变负荷过程中的安全控制。 2.5 旁路减温水控制

高、中压旁路减温水是旁路控制中的另一个难点。在现有介绍的控制方案中，当旁路计算数据丰富且测点准确的情况下，采用旁路焓值计算的控制方案是经过实践证明的最好的控制方案。此方案基于严密的模型计算，控制精确，效果极佳。但是在大多数电厂的旁路减温水控制中，设计厂家未能提供精确的数据计算表，测点采集受测点布置方位的影响，经常出现严重的非线性问题。基于实际工作的经验和特点，认为减温水控制在不能使用焓值控制时，传统PI控制再加上根据旁路压力阀开度的前馈控制是可以满足控制需要的，这种控制方案具有较强的操作性，适应实际控制条件。

3 特殊工况下的控制要点

燃气-蒸汽联合循环二拖一机组旁路系统在维持正常控制的基础上，还要面对当重要设备发生故障和机组控制条件发生变化的控制要求，因此高、中、低压旁路的超驰、快开、快关条件的设定就异常重要。 3.1 高压旁路

快开 无快关条件，且1号锅炉主蒸汽压力＞13.4 MPa快关OR 1号高压旁路减温水压力＜1 MPa高压旁路后蒸汽温度＞400℃，且高旁调阀开度反馈＞5%，且高旁调阀开度指令＞5%1号中压旁路快关条件超驰开OR汽机跳闸6 s脉冲且锅炉主汽压＞10 MPa(三取均);阀门开至60%汽机发电机解列6 s脉且1号锅炉主汽压＞10 MPa(三取均)60 s脉冲;阀门开至60% 3.2 中压旁路

快开OR无快关条件且1号锅炉再热蒸汽压力＞2.85 MPa，二取均无快关条件且1号高压旁路蒸汽控制阀快开条件快关OR凝汽器液位高高＞1 650 mm，三取二凝汽器压力(绝压)＞60 kPa，三取二1号中压旁路蒸汽减温水压力＜1 MPa 1号

中压旁路凝气温度＞180℃，二取二超驰开OR汽机跳闸6 s脉冲且1号锅炉再热汽压＞2 MPa(二取均);阀门开至50%汽机发电机解列6 s脉冲且1号锅炉再热汽压＞2 MPa(二取均);阀门开至50% 3.3 低压旁路

快开 无快关条件且1号锅炉低压蒸汽压力＞0.6 MPa快关OR凝汽器液位高高＞1 650 mm，三取二凝汽器压力(绝压)＞60 kPa，三取二，2 s下降延时1号低压旁路蒸汽减温水压力＜1 MPa 1号低压旁路凝气温度＞120℃超驰开OR汽机跳闸6 s脉冲且1号锅炉低压主汽压力＞0.4 MPa;阀门开至 40%汽机发电机解列6 s脉冲且1号锅炉低压主汽压力 ＞0.4 MPa;阀门开至40% 3.4 超驰与快开的分析

超驰条件与快开的区别主要在于阀门开启的时间和阀门开启的开度。当机组需要将调门开度开到某一规定开度时，一般设计有两种方法。方法一，采用超驰方法，利用普通控制阀门的速度，将调阀开到规定开度。此方法在汽轮机甩负荷时，会造成压力先小幅上升再回归至设定压力。方法二，采用快开方法，快速打开控制调阀，在利用调阀控制指令，将调阀关至规定开度。此方法在汽轮机甩负荷时，会造成压力下小幅下降再回归至设定压力。当调阀开启速度较慢时，建议使用方法二。 4 结语

根据作者实际工作中的调试经验，参考了大量同类型燃气-蒸汽联合循环二拖一机组的设计资料和运行成果，改进并实践了一套可以用于同类型二拖一机组的全程旁路控制系统。针对二拖一机组全程旁路控制系统的控制关键点，详细描述了全程旁路控制的控制特点和控制方法，并比对了同类型控制方案的优缺点，特别针对了特殊工况的控制策略。此控制方案，可以作为今后的同类型机组控制系统设计的基础和参考。 参考文献

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