Research on Instrument and Control Design and Control Strategy for Small Steam Turbine in Double-Turbine Regeneration System

回热小机是用于双机回热系统机组中的变转速、抽汽背压式、给水泵汽轮机，用于驱动超超临界1 000 MW等级汽轮发电机组的全容量汽动给水泵。当主汽轮机组负荷的变化，锅炉蒸发量随之变化，给水流量亦将发生变化。回热小机通过调节进汽流量来控制转速，从而改变输出功率，以满足主汽轮机组在不同工况下锅炉的给水需求。只有当回热小机的转速满足当时汽动给水泵负荷的要求时，系统才能处于相对稳定的状态。图1是某超超临界1 000 MW机组双机回热系统方案的配置简图：

Figure 1.  A scheme of double-turbine regeneration system for a ultra-supercritical 1 000 MW unit

该系统的回热小机额定功率为40 MW，进汽汽源为主汽机的高压缸排汽，采用3抽1排的功率平衡方案，即设有三段抽汽，分别供汽给#3高压加热器、#4高压加热器、除氧器，排汽进入#6低压加热器。当汽量不足的时候，可以从中压缸抽汽补充，当汽量多余时，则溢流到7#低加。

为了保证回热小机在各工况的安全可靠和经济地运行，需要在相应的管路上配置相应的阀门，主要有以下6类：

1）回热小机进汽主汽阀和调节阀。

2）回热抽汽逆止阀和隔离阀。

3）排汽逆止阀。

4）溢流和补汽阀。

5）排汽旁路阀。

6）排汽安全阀。

具体的阀门设置详见表1阀门配置表：

其中因为回热小机采用了功率平衡的配置，即回热小机出力与给水泵耗功平衡，排汽进入#6低压加热器。在一定的排汽压力下，排汽过剩时溢流至#7低压加热器，排汽不足时从主汽轮机中压缸抽取蒸汽补充至#6低压加热器，因此在回热小机排汽端设置了溢流调节阀和#6低加补汽调节阀，通过调节这两个阀门的开度，可以改变回热小机的背压值，该部分的控制策略详见2.4章节的背压控制策略。

为了能够实现系统有效的监控，回热小机和其相应的管道上必须设置相应的仪表测点，监视相关的重要参数和状态，以下对双机回热系统汽机本体的和管路上的仪表设置进行介绍。

为了确保机组运行安全。在回热小机本体前、后轴承座内配备了相关监测仪表，与传统的汽轮机配置类似，本部分测点由汽机厂配供，在前、后轴承座内安装的监测仪表有转速、偏心、轴向位移、轴振、键相、转子热胀、缸胀等7种传感器。

共配备7个转速传感器，前轴承座3个、后轴承座4个，其中6个转速探头送入回热小机控制系统MEH监控，1个接现场转送表，用于测量机组转速，防止机组因超速而损坏。

配备有1个偏心传感器，安装于前轴承座内的探头支架上。用于测量转子在运行与安装时的偏心情况，避免因过大的转子偏心使转子在运行时振动过大，从而保证机组的安全运行。

配备3个轴向位移传感器，安装于前轴承座内的探头支架上，用于监视推力瓦烧瓦情况。

配备2个轴振传感器（X向和Y向），安装于轴承座上盖靠近径向轴承的地方，用来监视转子在运行中轴振动的情况。

配备1个键相传感器，安装于后轴承座内的盘车大齿轮罩壳上。通过键相信号配合振动，偏心等其他信号，监测发生振动或者偏心所在的相位。

配有1个转子热胀传感器，安装于后轴承座内的盘车大齿轮罩壳上，用来监视转子在热态下的膨胀。

配备1个缸胀传感器，安装于后轴承座缸胀支架，用以监测汽缸在热态下的膨胀情况，因为本机为落地式轴承座，轴承座不会随汽缸的热胀而一起移动。因此要监测机组的动静差胀，需要配合转子膨胀和缸胀，将两者测得的值进行运算获得。

为了监测运行以及性能试验的需求，本机在汽缸、阀壳、轴承上都设计有蒸汽（或金属、回油）温度测点以及压力测点。这些测点按用途可以分为监测运行与性能试验两大类；按性质可以分为测温与测压两大类；按被测介质来分，可以分为蒸汽、金属、油三大类；共计55项、74个测点。

其中对于内缸金属温度，5抽蒸汽压力、6抽蒸汽压力采用3冗余配置方案。

由于业界对双机回热系统大都处于科研阶段，很少能有落地实施的，本章结合已经投入运行的某某超超临界1 000 MW机组的回热小机系统部分的仪表测点设置展开介绍，希望能对后续工程提供一些有益参考和借鉴。

回热小机的启动分为冷态启动和热态启动两种模式，当回热小机内缸内壁金属温度＜150 ℃时，升速率按图2中冷态启动升速曲线执行。当回热小机内缸内壁金属温度≥150 ℃时，升速率按图2中的热态启动升速曲线执行。

Figure 2.  Lift rate curve of small turbine

在回热小机启动前，回热小机本体、阀门和相应的辅助系统均无异常报警，所有相关设备处于就绪状态。然后启动回转设备，投入盘车，盘车转速维持在103 r/min，对于冷态启动时，回转设备在冲转前至少运行45 min，以避免回热小机转子发生变形后在冲转后产生不应有的振动。随后，对回热小机进行冲转，转速缓慢升速至～1 000 r/min怠速，进入低速暖机，待暖机完成后，汽机转速升速至最低工作转速2 400 r/min，稳定转速后投给水协调控制，回热小机排汽旁路阀跟踪背压设定值。随后依次投入#6号低加，除氧器，#4号高加，#3号高加，最后关闭排汽旁路阀。排汽旁路阀关闭后即可以对电泵和汽泵进行切换操作。

回热小机进汽调阀始终以转速控制为主，通过控制进汽调阀的开度满足泵组的功率目标，该项控制与常规凝汽式给水泵小机相似，但有别于常规的给水泵汽轮机的地方在于高加、低加投切时对转速的影响较大，转速控制器需要快速响应，维持给水流量的稳定。

为保证给水流量的快速响应，回热小机应当保持10%的功率裕量。当回热小机流量指令小于90%时，补汽阀和溢流阀不动作；当回热小机流量指令大于90%时，需关小补汽阀或者开大溢流阀，降低回热小机的背压，以满足回热机功的率裕量。

根据补汽和溢流阀门厂家的要求，补汽阀和溢流阀不应当在开度为0%～10%的区间长期运行。

回热小机会在排汽端设置旁路管道和排汽旁路阀，当回热小机在启动、事故保护和停机时，排汽经排汽旁路阀进入凝汽器。

如果排汽旁路阀出现故障，必须尽快排除故障，以避免由于故障引起回热小机的跳机。在正常运行工况下，如果排汽旁路阀由于故障保持关闭可能会使排汽压力不断升高，触发回热小机排汽压力保护，最终导致跳机和排汽安全阀动作。如果排汽旁路阀由于故障一直保持打开，回热小机会长时间承受高压差荷载，同时也会排汽容积流量剧增，不仅会影响回热小机本体和排汽系统的安全性，也会因为相关蒸汽没有进入到回热系统而影响整个机组的经济性。

因此，建议定期对回热小机的排汽旁路阀进行检查，确保排汽旁路阀处于正常状态。

为了保障回热小机的安全运行，系统分别设置了进汽温度高保护、排汽压力高保护、排汽温度高保护和末级组压比高保护，当机组处于异常工况的时候，进行报警或跳机。相关的设定值可根据汽机厂的要求进行设定。

报警：当回热小机进汽温度达到报警设定值，发出报警信号。同时也需要统计全年进汽温度超过报警值低于跳机值的运行时间，要求不超过80 h/年。跳机：当进汽温度超过设定值则进行跳机保护。

回热小机排汽压力一共设有5挡设定值，根据不同的设定值，执行不同的报警和控制，其相关的保护策略见表2。

报警：当回热小机排汽温度达到报警设定值，发出报警信号。排汽旁路阀自动打开，跟踪背压设定值2。跳机：当排汽温度超过设定值则进行跳机保护。

报警：当#6抽汽压力与#5抽汽压力比大于高1值时，发出报警信号。相应地需要闭锁#6低加补汽调节阀，打开溢流调节阀，5 min后，如果末级组压比大于该数值，排汽旁路阀自动打开，踪背压设定值2。跳机：当#6抽汽压力与#5抽汽压力比大于高2值时，排汽旁路阀自动打开，跟踪背压设定值2，1 min后，如果#6抽汽压力与#5抽汽压力比仍然大于高2值，回热小机跳机。

背压控制的目的是保证回热小机的流量指令不大于90%，限制条件是确保补汽阀和溢流阀的开度不应当在0～10%的区间长期运行。

在转速控制策略一节已经提过，回热小机的第一要务是维持给水流量，进汽调阀以转速控制为主，当回热小机不满足10%功率裕量时，通过背压控制调节#6低加补汽调节阀或溢流调节阀的开度来满足功率裕量。背压控制贯穿于回热小机运行的整个过程，应当考虑补汽阀和溢流阀在不同状态下的控制策略，对于背压控制，可以分两个阶段来考虑背压控制策略，即初始阶段第一级控制策略和稳定运行阶段优化控制策略。

初始阶段控制也可以分为两种情况，详见图3所示：

Figure 3.  Primary control strategy chart of small turbine

1）补汽阀打开，溢流阀关闭。

2）补汽阀关闭、溢流阀关闭/打开。

当补汽阀打开，溢流阀关闭时，首先判断回热小机的流量指令，如果流量指令≤90%，则补汽阀保持阀位不变；如果流量指令>90%，则关小补汽阀，同时判断回热小机的流量指令是否回归到90%以下，若流量指令已回归，则继续判断补汽阀的开度是否满足控制要求，这时如果度补汽阀开度≥10%，则补汽阀保持该阀位不变，若补汽阀开度<10%，则关闭补汽阀。如果关小补汽阀后流量指令仍然>90%，则需要继续判断当前补汽阀的开度，这时如果度补汽阀开度≥10%，则继续关小补汽阀开度，若补汽阀开度<10%，则关闭补汽阀。

当补汽阀关闭、溢流阀关闭/打开时，首先也是判断回热小机的流量指令，如果流量指令≤90%，则补汽阀和溢流阀保持阀位不变，如果流量指令>90%，则开大溢流阀。在开大溢流阀后，如果流量指令≤90%，则继续判断溢流阀的开度：若溢流阀开度≥10%，则溢流阀保持该阀位不变，若溢流阀开度<10%，则溢流阀开度定位10%。如果开打溢流阀后，流量指令仍然>90%，这时如果溢流阀开度<100%，则继续开大溢流阀；若溢流阀开度=100%，则将溢流阀开度定位到100%，结束。

当主汽轮机在一定的负荷稳定运行，给水流量已维持基本稳定的前提下，这时如果还有充足的功率裕量，运行人员可以选择采用性能优化控制策略，通过关小溢流阀、开大补汽阀，提升回热小机的背压，减小回热小机的进汽阀门节流度，以提升回热小机和整个系统的经济性。

回热小机的性能优化策略可以分为一级优化和二级优化，图4显示了回热小机性能优化控制策略的基本流程。

Figure 4.  Performance optimization control strategy chart of small turbine

一级优化：当溢流阀打开，补汽阀关闭时，关小溢流阀，判断回热小机的流量指令。如果流量指令≥88%，这时如果溢流阀开度≥10%，则溢流阀保持该阀位不变，如果溢流阀开度<10%，则溢流阀开度定位10%。如果流量指令<88%，则继续关小溢流阀；若溢流阀开度<10%，则关闭溢流阀，关闭后需要继续判断流量指令。如果流量指令≥88%，溢流阀定位10%；如果BEST汽轮机的流量指令<88%，溢流阀定位0%，结束或者进入二级优化控制。

二级优化：当溢流阀关闭，补汽阀关闭/打开时，开大补汽阀，判断流量指令。如果流量指令≥88%，此时若补汽阀开度≥10%，则补汽阀保持该阀位不变，若补汽阀开度<10%，则补汽阀开度定位0%，如果流量指令<88%，则继续开大补汽阀，直至补汽阀开度=100%，此时可补汽阀开度定位0%。

机组运行时，建议按以下原则来进行操控：

1）当主汽轮机负荷低于600 MW时，自动投入一级优化，二级优化为运行人员手动投入。

2）当主汽轮机负荷高于600 MW并且低于900 MW时，一级优化、二级优化均为运行人员手动投入。

3）当主汽轮机负荷高于900 MW时，运行人员不应当投入二级优化。

本文介绍了一种双机回热小机系统阀门和测点监控布置设计方案，提出了一种基于双机回热机组系统回热小机的启动控制、转速控制、保护控制及背压控制的策略，该控制策略已成功应用在拥有全球首台以变转速抽背式给水泵汽轮机（回热小机）的某1 000 MW超超临界机组中，机组投运后，运行安全稳定。双机回热系统由于高温回热蒸汽从回热小机中抽取，可提高循环能级效率和通流效率达90%以上，使整个机组的热耗水平在一次再热机组中达到最优，接近二次再热机组的水平，也是未来火电机组发展的一个重要方向，本文所提出的控制策略对后续采用双机回热系统的控制具有一定的参考意义。