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2主要热力系统设计
2.1汽机旁路系统
(1)高压旁路(以下简称高旁)阀一般按照60%锅炉最大连续蒸发量(BMCR)设置[2],锅炉过热器出口PCV阀系统按40%BMCR主汽量设置,这样可以确保100%的蒸汽通流量,确保FCB工况投入初期锅炉过热器安全阀不打开。许多欧洲国家以核电和水电作为基本负荷,用大型火电厂调峰,常采用100%BMCR的高旁。
(2)低压旁路(以下简称低旁)容量按高旁出口流量配置,包括高旁减温水量。
(3)高、低旁采用液动旁路。高旁具有快开功能;低旁具有快开和快关功能。
2.2除氧器
FCB瞬时除氧器出水与进水工质存在差值。FCB会造成除氧器水位急剧下降,故要求除氧器具有一定水容积。适当增加水箱容积,增加投资不大,但可以有效提高FCB瞬时机组安全性。除氧器有效容积可为在除氧器凝结水断水时,满足BMCR工况运行8 min的给水流量。除氧器有效容积此时为正常水位与低水位间容积差。
FCB工况时汽机四段抽汽已经解列。除氧器加热汽源为再热冷段,从辅汽联箱引接管道至除氧器的加热蒸汽管道。再热冷段至辅汽联箱管道和辅汽至除氧器管道上设置快开调节阀。辅汽联箱本身就有稳压的作用,快开调节阀全部打开仅需要2 s,而一般调节阀设计开度不大于75%,所以系统完全可以满足FCB瞬态加热要求。而且该系统简单,投资较少。
2.3给水泵
对于汽动给水泵,正常汽源为四段抽汽,当FCB瞬态时,需要切换到备用汽源再热冷段,控制较复杂[3];若采用电动给水泵则不存在切换问题,有利于FCB工况瞬态的机组稳定运行。
2.4高压缸排汽通风阀
机组投入FCB带厂用电运行时,中压缸带厂用负荷运行[2]。在汽轮机高压缸排汽管路设置高压缸排汽通风阀(以下简称高排通风阀)。高排通风阀的设计通风流量应满足高压缸不超温,防止机组高排通风阀超温跳闸。高排通风阀应直接接入排汽装置或凝汽器,接口处应设置减温消能装置。
2.5末端冷却装置
机组外部负荷甩掉时,低旁阀打开,进入末端冷却装置(空冷或水冷凝汽器)的热量瞬间激增,此时需校核热量增加时机组背压变化,需确保不因背压升高引起跳机。
2.6再热压力选取
FCB工况设计的关键是再热压力的选取。由于甩负荷带厂用电负荷率较低(一般为5%到10%),所需进汽量小。若再热蒸汽压力过(以下简称再热压力)低,蒸汽比容增大,则必须增加低压旁路系统容量以维持低旁额定流量,导致投资增加,布置困难;若再热压力过高,则中压调节阀(以下简称中调阀)开度较小。再热压力为1.5 MPa,3.0 MPa时中调阀开度与流量的关系曲线如图1所示:中调阀开度较小时,流量变化很大,易造成负荷波动大;为了稳定负荷、降低再热汽压力,增大阀门开度,此时流量对阀门开度敏感性较差。
图1 中调阀开度与流量关系曲线
FCB工况设计的再热压力通常选取1.2 MPa。
2.7运行方式选择
鉴于FCB运行时机组处于低负荷运行,应优先选择中/低压缸进汽、高压缸不进汽的运行方式,以提高机组运行安全性,其优点如下。
(1)高压缸不进汽使高压缸高温部件金属温度与蒸汽温度间无负匹配,避免产生大的热应力。
(2)高压缸不进汽做功可增大中压缸进汽流量,直接增加低压排汽流量,有利于低压冷却。
(3)高压缸不进汽,只需调节中调阀开度即可控制转速、负荷,调节方式简单。
2.8汽轮机入口参数要求
为避免中压进汽部分金属温度与蒸汽温度间负匹配太大,应控制中压蒸汽的温度:前期温差越小越好,最高不超过40 ℃;机组稳定后蒸汽温度可降至机组极热态启动时的温度,温降率控制在2 ℃/min以内。
3FCB工况时机组的运行控制调节
3.1FCB投运至稳定运行的过渡阶段
FCB过渡阶段,锅炉、汽机及相关辅机均处在负荷及参数急剧变化的阶段,通过相关的调节手段,保证机组不报警跳机,锅炉安全阀不打开,使机组达到FCB稳定运行的参数条件。
FCB工况发生时,汽机数字电液控制系统(DEH)快速关闭,高压调节阀(以下简称高调阀)和中调阀延时2 s,同时将协调控制方式切换为转速调节;若2 s后转速持续超过3 000 r/min,则超速保护控制(OPC)动作;待OPC动作恢复后,中调阀重新打开;此后由DEH通过比例-积分-微分(PID)控制器对转速进行控制,维持机组在3 000 r/min运行。
FCB稳定运行阶段,汽机采用中压缸进汽带厂用电负荷,自动调节中调阀带厂用电运行,维持汽机转速3 000 r/min,并通过高排通风阀维持高压缸温度不过热。
3.2FCB结束阶段
按汽机中压缸启动程序,即可并网升负荷至满负荷。
4FCB工况案例分析
截至目前,沙特660 MW亚临界机组、兰溪600 MW超临界机组、伊朗ARAK 325 MW亚临界、印尼龙湾300 MW亚临界机组等已成功完成了FCB功能试验。以沙特660 MW亚临界机组FCB试验为例进行试验分析,其典型时刻分散控制系统(DCS)显示值见表1。
表1沙特660MW亚临界机组FCB试验典型时刻汽机参数
注:统计点间隔为13 s。
机组从15:41:27(第44个统计点)开始进行试验,在接下来一个统计点(13 s)内,4个高调阀和2个中调阀迅速关闭,高、低旁阀迅速打开,同时转速由3 611 r/min增加到3 778 r/min;主汽压力由16.7 MPa升高到17.1 MPa;汽机负荷由额定迅速降低至39.7 MW。大约进行7个统计周期(91 s)后:转速经过调速控制下降至3 628 r/min;主汽压力开始下降至16.6 MPa;中调阀开度至约14%;汽机负荷小幅升至44.7 MW。经过一段时间的调整,机组达到FCB工况稳定运行状态,在16:18:51时:转速稳定在额定3 600 r/min左右;中调阀开度至约16%;再热压力为1.2 MPa。
整个试验过程机组主要参数变化趋势如图2所示。由图2可以看出,在FCB工况投入初期(过渡状态),汽机高调阀和中调阀快速关闭,高、低旁阀快速打开,主汽压力升高,转速飞升;而后中调阀打开,中压缸进汽,机组做功;经过短暂的调整,转速恢复额定,主汽压力、主汽流量和功率经过振荡调整后维持稳定,达到稳定状态。
图2机组FCB过程中主要参数变化趋势
沙特660 MW亚临界机组的FCB试验中:当统计点为45~300个,再热压力为3.00~1.50 MPa,再热阀开度为11%左右,负荷和流量处于波动状态;当统计点为320~450个时,机组处于稳定厂用电状态,再热压力为1.17 MPa左右,再热阀开度约为16.9%。试验验证了再热压力选取的正确性。
5结束语
通过对汽轮机主要系统的设计选型,并结合试验数据的分析,验证了机组FCB功能的可行性。其他FCB机组设计时可以借鉴。
参考文献:
[1]沈丛奇,周新雅,姚峻.火电机组FCB功能及其在电网恢复中的应用[J].上海电力,2007,20(3):251-154.
[2]高升,郭荣,肖伯乐.一类超临界机组的FCB功能[J].东南大学学报(自然科学版), 2012,42(A02):297-301.
[3]冯伟忠.900 MW超临界机组FCB试验[J].中国电力,2005,38(2):74-77.
注:原文发表于《华电技术》2018年第12期,标题为:火电机组FCB设计及试验分析
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