引言

新一代潔凈煤發電技術發展的重要方向是大幅提高能源轉換效率，提高機組性價比。進一步提高發電機組的運行參數是超超臨界機組未來發展的方向之一，但材料的性能是制約蒸汽參數大幅度提高的主要技術瓶頸。二次再熱技術是提高機組熱效率的一種有效方法。所謂二次再熱，是指將傳統一次再熱汽輪機中壓缸排汽經過二次再熱器加熱以后，繼續進入汽輪機膨脹做功。31． 0 MPa /566 ℃ /566℃ /566 ℃的二次再熱技術相比傳統的 24． 1 MPa /566℃ /566 ℃的一次再熱技術，其熱效率可提高大約5%［1］。

 

國家能源集團泰州發電有限公司( 以下簡稱泰州發電公司) #3 機組是世界首臺 1 000 MW 超超臨界二次再熱發電機組，與傳統一次再熱機組相比，其高壓加熱器( 以下簡稱高加) 系統在結構及運行工藝上均有所改進，原有的控制方式已經不能滿足實際生產運行的要求。因此，有必要結合改進后的高加系統設計結構和運行工藝，尋求合適的控制策略，在保證高加系統安全可靠運行的前提下，進一步提高系統的回熱效率。

 

1 高加系統概況

高加是一種表面式加熱器，它利用汽輪機抽汽來加熱鍋爐給水，以提高鍋爐給水溫度、減少凝汽器中的熱損耗，從而提高電廠的熱效率并保證機組的出力［2］。由于被加熱水來自給水泵出口，水側管路壓力很高，故稱之為“高壓”加熱器。泰州發電公司二次再熱機組高加由上海電氣集團( 上海動力設備有限公司) 制造。每臺機組配置 2 × 4 臺 50% 容量的臥式高加，雙列布置。每臺加熱器均按雙流程設計為全焊接結構。每臺加熱器( 包括除氧器) 均設有啟動排氣和連續排氣。所有高加的汽側啟動排氣和連續排氣均接至除氧器。

 

高加為臥式 U 形管，半球形水室有橢圓形自密封人孔，#1，#3，#4 高加的傳熱區段有過熱蒸汽冷卻段、凝結段和疏水冷卻段 3 個傳熱區段，而 #2 高加的傳熱區段只有凝結段和疏水冷卻段兩個傳熱區段。

 

對于典型的超超臨界二次再熱機組的熱力系統，除增加一套二次再熱系統外，機組還需采用外置式蒸汽冷卻器。外置式蒸汽冷卻器有獨立的加熱器外殼，其位置布置靈活，給水溫度的提高不是通過提高zui高一級抽汽壓力來實現而是利用抽汽過熱度加熱回熱系統給水，提高鍋爐給水溫度，從而獲得更高的經濟性。

 

泰州發電公司 #3 機組設有 10 級非調整抽汽，其中 1 ～ 4 級抽汽分別向 #1 ～ #4 高加供汽，抽汽參數見表 1。

機組運行過程中，當抽汽過熱度較大時，2，4 級抽汽首先分別進入 #2 和 #4 外置式蒸汽冷卻器，充分利用抽汽過熱度來提高給水溫度。抽汽放熱接近飽和蒸汽狀態后分別進入 #2 和 #4 高加。#2，#4 外置式蒸汽冷卻器分別串聯在每列 #1 高加后。每列4 級高加及外置式蒸汽冷卻器采用給水大旁路系統，當每列中任一臺高加或外置式蒸汽冷卻器故障時，該列高加同時從系統中退出，給水能快速切換到該列給水旁路。高加系統布置如圖 1、圖 2 所示。

此外，泰州發電公司 #3 機組還設置了鄰機加熱裝置，1，3 級抽汽母管中各接入一路來自一期老機組的抽汽管路。機組啟動時，利用相鄰運行機組的抽汽加熱機組的給水，以完成熱態沖洗和機組啟動過程。這種設計方式有利于縮短啟機時間，降低鍋爐損耗，減少堵管造成的超溫爆管。

2、高加水位測量與控制

高加是火電廠內在zui高壓力下運行的設備，運行過程中，機組負荷突變、給水泵故障、旁路切換等引起的壓力和溫度的劇變都會給高加帶來損害，給機組運行帶來很大的安全隱患。高加水位過高容易使凝結水倒流回汽輪機缸內，造成汽輪機進水，對汽輪機轉子、葉片造成損害，直接影響機組整體運行的安全性。因此，除了在設計、制造和安裝時必須保證質量外，實際運行過程中必須加強對高加水位的測量和監視，保證高加水位能控制在正常范圍內，確保高加系統長期安全運行。

 

2． 1 高加水位測量

泰州發電公司 #3 機組高加水位測量采用導波雷達液位計。與差壓法測量相比，導波雷達測量裝置安裝調試更加方便，可以消除負荷和真空度變化等因素對水位的影響，提高水位測量的精度。每臺高加布置 3 套導波雷達水位測量裝置，3 組模擬量測量信號分別傳送到分散控制系統( DCS) ，經高低限報警器處理后得到高( 低) 一值、高二值、高三值開關量信號，用以實現高加水位報警和聯鎖保護; 同時，對 3 組模擬量進行三取中及壞點質量判斷等處理，用于高加水位顯示與調節。

 

2． 2 高加水位常規控制

系統正常運行時，每列高加的疏水均采用逐級自流方式，即靠上下兩級高加汽側的壓力差，將疏水自動導入壓力較低的下一級加熱器，#4 高加出口的疏水則自流到除氧器; 各級高加還設有危急疏水管路，危急疏水直接排入凝汽器疏水立管，經擴容釋壓后排入凝汽器［3］。當機組運行異常，發生高加水側解列時，控制邏輯超馳關閉正常疏水調節閥; 當高加水位達到高二值或發生高加汽側解列時，控制邏輯則超馳打開危急疏水調節閥，以防止水位進一步上升。

 

常規的高加水位自動控制系統是一個簡單的單回路比例 － 積分 － 微分( PID) 控制系統，水位設定值由運行人員手動設置，設定值和實際測量值的偏差送入 PID 模塊進行運算，輸出 4 ～ 20 mA 的電流信號，控制疏水門開度，實現高加水位的自動調節。如圖 3 所示，實際生產運行過程中，受疏水閥門特性、機組運行狀況等多因素影響，采用這種簡單的控制策略控制效果較差，疏水閥門頻繁動作，導致高加水位在設定值附近波動，有必要對控制策略進行優化。

3 高加保護解列策略

高加水位保護是大型汽輪發電機組的一項重要保護，由于運行過程中影響高加水位的因素較多，高加系統容易出現水位過高或過低等異常現象，給機組的安全運行帶來隱患。為保證機組的安全性，高加系統必須能夠快速準確地進行保護解列動作。根據現場高加系統結構布置的特殊性，設計了高加系統保護解列控制策略，當以下任一情況發生時，高加系統解列( 分水側解列和汽側解列兩種情況，如圖 4所示) : ( 1) 汽輪機跳閘; ( 2) 發電機解列; ( 3) A( B)列任一高加水位達高三值( ＞ 138 mm) ; ( 4) 手動解列; ( 5) A( B) 列液動三通閥全關。

3． 1 水側解列

高加系統任何一列發生水側解列后，聯鎖關閉該列高加液動三通閥，水側切換至旁路管道運行; 同時，該列高加汽側聯鎖關閉氣動逆止閥和電動隔離閥。

 

為了避免由于測量信號不準確而導致高加系統保護誤動，蒸汽冷卻器水位高只作報警信號，不作聯鎖邏輯。

 

3． 2 汽側解列

由于增加了兩個外置式蒸汽冷卻器，使得二次再熱機組的高加系統汽側解列保護邏輯比一次再熱機組的復雜，A，B 側高加汽側解列條件分別見表 2、表 3。根據工藝流程，二級抽汽先通過 #2 蒸汽冷卻器后再分別送入 A2，B2 高加，由于 #2 蒸汽冷卻器布置在 A 列高加，所以當 A 列高加水側解列后，#

2蒸汽冷卻器水側沒有給水流通，#2 蒸汽冷卻器進汽電動閥關閉，聯鎖 B2 汽側解列; 同理，B 列水側解列后，#4 蒸汽冷卻器水側沒有給水流通，#4 蒸汽冷卻器進汽電動閥關閉，聯鎖 A4 汽側解列。

二級抽汽通過 #2 蒸汽冷卻器后，由于 A2 和 B2抽汽隔離閥前均未裝設逆止閥，B2 高加水位高時，為防止 B2 高加水位過高而導致凝結水倒流入抽汽管道，從而影響 A2 高加的安全投運，當 B2 高加水位達高三值時，#2 蒸汽冷卻器進汽電動閥關閉，聯鎖 A2 汽側解列; 同理，當 A4 高加水位達高三值時，#4 蒸汽冷卻器進汽電動門關閉，聯鎖 B4 汽側解列。

4 高加系統控制策略優化

某日，機組正常運行過程中，B2 高加正常疏水調節閥在控制指令未變化的情況下突然全開，導致B3 高加水位快速上升，達到高三值后 B 列高加解列。該過程中，B3 高加正常疏水閥、危急疏水閥的開度變化，響應控制指令及超馳指令的速度正常，無動作遲緩現象。

 

             此次事故暴露的主要問題是高加系統正常疏水閥水位調節速度慢，沒能及時控制高加水位的快速上升，zui終導致高加解列。泰州發電公司二次再熱機組設計了凝結水節流輔助調頻，當采用凝結水輔助調頻時，為了防止除氧器水位下降過多而影響凝結水輔助調頻的正常投運，需要增加高加系統至除氧器的正常疏水流量，保證除氧器水位在正常控制范圍內。針對這些問題，結合設備的運行參數、疏水調節閥的控制特性以及運行人員的操作習慣，對高加系統控制策略進行以下優化。

             ( 1) 當下級容器水位高時( 高加水位 ＞ 88 mm，除氧器水位 ＞ 500 mm) ，超馳關上級高加正常疏水閥，以防止上級疏水閥異常開啟導致下級水位過高，使得高加系統保護誤動。

             ( 2) 高加水位≥88 mm 時立即超馳開對應的高加危急疏水閥，取消原先的 3 s 延時，加快緊急情況下危急疏水閥的動作響應速度。

             ( 3) 凝結水節流輔助調頻技術投入時，高加水位設定值在原手動設定值基礎上自動減小 10 mm，保證機組凝結水輔助調頻技術的正常投用。

             ( 4) 當高加水位上升速度較快時，該高加正常疏水閥開度指令相應增大，提高疏水閥的動態響應特性。如圖 5 所示，此前饋作用在高加水位 ＞ 45 mm時才輸出。

             控制邏輯優化后，高加系統重新投入運行，正常工況下，系統進出水溫度在正常運行范圍內，疏水閥水位自動控制正常，水位變化平穩。對比圖 3 和圖6，在機組降負荷過程時，高加水位波動比控制邏輯優化前明顯減小，疏水調節性能更為平穩，控制效果得到明顯改善。

5 結束語

             結合泰州發電公司 1 000 MW 超超臨界二次再熱機組高加系統的運行特性，對高加系統控制策略進行了優化，保證了二次再熱汽輪機組運行的可靠性和安全性。近幾年來，國內陸續有多臺二次再熱機組投入建設，二次再熱技術研究必定朝著深入的方向發展。為解決機組實際運行過程中遇到的問題，需對高加系統原有的調節和保護邏輯定期進行改進和完善，不斷提高機組的安全性和經濟性。