Operation Control and Simulation of Supercritical Reheat Back Pressure Turbine

对于以燃煤发电为主体的我国电力行业，煤炭消费占能源消费总量的57%^[1]，碳排放占据了全国碳排放总量的41%^[2]。热电联产可以同时满足社会生产生活的热电负荷需求，是燃煤发电发展的一个主要方向^[3-6]。作为热电联产项目的主要设备，背压式汽轮机在我国发展较早，但是普遍参数较低，容量较小。发展大容量，高参数的超临界、再热型、两级调节工业抽汽背压机已成为必然趋势和选择^[7-8]。

20世纪60年代开始我国的各汽轮机制造厂就相继生产过3 MW及以上容量的各型背压机组，随着时间推移，背压机的参数和容量逐渐升高，2005年出现了80 MW供采暖用汽的背压机，目前有部分300 MW及以上容量机组进行高背压供热改造^[9-12]，主要供采暖用汽。

在背压机组工艺系统及其运行控制方案的学术研究方面，目前国内学者和技术工作者主要开展了中温中压和高温高压等传统非再热型、小容量背压机在工艺系统^[13-17]、运行控制优化^[14,18-19]和运行经济性^[20-22]等方面研究和应用工作。对于超临界、再热型、两级调节工业抽汽背压机，国内的主机厂对该机型均处于研发设计阶段^[23-24]，对其运行的研究偏向工程应用，未涉及具体的建模及仿真^[25]。

本研究在掌握典型超临界再热型背压机组热力系统形式的基础上，对机组的特殊运行模式进行了分析研究，提出了超临界再热型背压机组在不同运行工况下的控制策略，指出了各控制回路的控制关键点；建立了超临界再热型背压机汽轮机侧的仿真模型，对机组的关键控制策略进行了仿真，验证了本文控制策略的正确性和可靠性。

超临界再热型背压机组与常规燃煤发电机组在热力网和电网的侧重点不同，其系统结构及工艺系统设备的运行同常规机组差异较大，原则性热力系统如图1所示。

Figure 1.  Schematic diagram of principle thermal system of supercritical reheat back pressure unit

机组主要做功流程为：锅炉产生的超临界参数蒸汽，进入汽轮机高压缸做功。高压缸排汽（再热冷段）再次进入锅炉，经再热器吸热后，升温形成再热热段蒸汽进入汽轮机中压缸做功。汽轮机高压缸和中压缸驱动发电机发电，中压缸排汽进入低压除氧器，给水泵汽轮机排汽进入回收器。整个回热系统由3级高加+2级除氧器+1级低压加热器组成。对外中压供汽由热再热蒸汽管道上引接，低压供汽由中压缸抽汽提供。

本研究依托工程机组锅炉单机容量350 MW，过热蒸汽压力25.4 MPa，再热器进/出口蒸汽压力5.229/5.097 MPa，汽轮机入口额定参数为24.2 MPa/ 566 ℃/453 ℃，中压抽汽压力5.0 MPa，中压抽汽流量467 t/h；低压抽汽压力1.8 MPa，低压抽汽流量200 t/h，排汽背压0.15 MPa。其主要系统设备特点如下：

依托工程锅炉为超临界参数直流炉，单炉膛、一次再热、循环流化床锅炉。锅炉单独设置启动系统，不设再循环泵，采用高温冷却式旋风分离器进行气固分离。

汽轮机为超临界、一次再热、单轴、双缸、两级调整抽汽、下排汽、背压式汽轮机。汽轮机额定功率158 MW，主汽流量1 112 t/h，具有6级回热抽汽。汽轮机控制系统具有阀门管理功能，可以实现调节阀的顺序阀控制和单阀控制以及高、中压阀门关系的协调。顺序阀和单阀两种控制方式对应两种不同的进汽方式，其中顺序阀方式可以实现机组的喷嘴调节运行；单阀方式可以实现机组的节流调节运行。

主蒸汽、再热冷段和再热热段蒸汽管路与常规再热型抽凝机组相同，分别安装有高压主汽阀及调节阀、高排逆止阀、中压主汽阀及调节阀，与常规机组不同的是：汽机中压缸内部设置旋转隔板、低压供汽管道上设置有低压调节阀（快关）、排汽管道上设置排汽调节阀。在运行各阶段，通过以上调节阀、旋转隔板的配合，保证各负荷下的供汽压力及流量满足需求设定。

旁路系统为高、低压二级串联，高旁容量为87%BMCR，具有快开功能，低压旁路容量满足启动要求，无快开功能。辅助蒸汽系统主要汽源来自再热冷段、汽机三段抽汽、邻机及燃气锅炉。

超临界再热型背压式汽轮机采用高中压缸联合启动方式。首先对汽轮机高压缸及阀壳预暖，完成后高压主汽调节阀和中压调节阀同时开启，高中压缸进汽；待中压排汽压力达到额定背压（0.15 MPa）后，中压排汽管阀门开启，中压缸旋转隔板全开，机组开始冲转；机组冲转到3 000转后，进行暖机，此时通过中压缸排汽管道上调节阀控制机组背压，当背压达到设定值时，机组开始并网带负荷，逐步升负荷至约20%额定负荷（暂定），全部加热器逐步投入运行后，通过高压调节阀控制主汽流量，保证中压排汽用于回收加热。

低压供汽来自汽轮机中压缸调节抽汽，供汽管道上按蒸汽流向依次设安全阀、气动止回阀、快关调节阀和隔离阀。

中压供汽来自再热器出口蒸汽，供汽管道上按蒸汽流向依次设置气动止回阀、快关调节阀和隔离阀。

机组的启动暖机升速和并网都按纯凝汽式机组进行，当达到一定负荷时，满足供汽条件时，投入工业供热系统。投入时，先投低压供汽，后投中压供汽。当低压供汽压力达标时，停止升负荷，确认低压供汽管道各阀门正常，逐步投入低压供汽；解除高调门、中调门比例联动，切换为中调门与低压供汽压力连锁控制，保证低压供汽压力及流量，低旁调节同步逐渐关小；若低旁调节阀全关时尚未满足低压供汽流量需求时，可逐渐增加高调门开度。

当中压供汽压力达标时，投入中压工业供汽。投入中压供汽后中调阀切换至与中压供汽压力联锁。低压供汽压力可通过旋转隔板进行调整。

超临界再热型背压机组重点在供热，锅炉侧的控制关键点是稳定的蒸汽温度和压力，同时保证背压机供汽和发电所需的蒸汽量，故一般不存在同常规火电机组一样的协调控制系统，但仍然需要设置必要的锅炉主控回路，以实现整个机组的高效稳定运行，保证供汽品质和流量。

超临界再热型背压汽轮机在机组供热投入前的主要任务是保证冲转前的转速和并网后的机组功率，确保机组自动、平稳地达到同期、并网转速，并网后自动升负荷到可投低压供热抽汽负荷；供热投入后，中压供热抽汽、低压供热抽汽、机组排汽背压按照各自回路独立调整处理，分别通过调节中压调节阀、旋转隔板以及高压调节阀进行压力控制。供热抽汽压力、背压具有较大惯性，只要控制在一定范围内都可满足外部抽汽供热需要。

在超临界再热型背压机负荷达到可以满足低压供热蒸汽压力时，停止升负荷，投入低压供热抽汽，此时解除高压调门、中压调门的比例联动关系，低压抽汽压力由旋转隔板控制，相应的控制方案如图2所示。

Figure 2.  Low pressure steam supply pressure control scheme

旋转隔板接受低压供汽压力控制回路PID控制器的输出指令，保证低压供汽压力在用户需求的蒸汽压力范围；低压抽汽压力设定值可设置为用户需求的压力值。

在机组低压供热压力回路投入之后，中压抽汽压力由中压调节阀来保证。

在机组投入中压供汽之后，当中压蒸汽压力不能满足用户用汽品质要求时，逐步关小中压调节阀。中压调节阀关小影响低压抽汽压力，故中压调节阀不能无限制关小，在控制逻辑中设计有当低压抽汽压力报警时限制中压调节阀关闭的闭锁回路，同时设计有当中压抽汽切除时的输出指令切换回路，以保证超临界再热型背压机组这一强耦合供热系统各用户蒸汽品质、设备安全以及系统的稳定性。

机组升负荷至可投入低压抽汽供热时，高压调节阀和中压调节阀的联动关系解除，在机组低压供热压力回路投入之后，高压调节阀不再控制机组功率，改为控制整个背压机组的蒸汽流量，保证低压和中压供热蒸汽品质，其具体的控制方案如图3所示。

Figure 3.  Block diagram of steam flow regulation of supercritical reheat back pressure unit

超临界再热型背压机组系统复杂，为确保机组各重要控制回路的正确性，需要结合工艺系统设备配置，对相关系统进行建模，在所建模型的基础上对相应的控制系统进行仿真验证，以保证工程应用时的合理性和高效性。采用模块化建模方法，将涉及到重要控制回路的系统分为主汽轮机系统模型、供汽抽汽及小汽轮机抽汽模型、发电系统模型等，分别进行建模，然后将各个子系统进行联调与校验。

汽轮机模型主要包括油动机模型、汽轮机高调门模型、蒸汽容积模型、再热容积模型、转子模型等。除蒸汽容积和再热容积模型外，其他常规模型均不再详述。

高、中压缸的主要动态特性仿真采用蒸汽容积模型。蒸汽容积特性可用一阶惯性环节描述，经过公式推导及拉式变换可得到阀门开度的拉式变换值x_sz(s)与机组功率x_p(s)之间的传递函数如下：

式中：

T₀——容积时间常数，通常取T₀为0.1~0.3 s，汽轮机蒸汽容积模型可按图4模型表示。

Figure 4.  Steam volume effect simulation model

再热系统模型主要是容积效应，如图5所示。

Figure 5.  Reheat volume effect simulation model

再热器的实际物理位置在高排后，再热蒸汽经过中压主汽阀及中压调节阀进入中压缸，因此，再热器的积分反馈来源于中压调阀阀前压力信号，输入为中压调节阀开度。

小机抽汽模型是主汽轮机与小汽轮机交接处，需要输出抽汽点压力进入小机模型，同时需要从小机模型接入小机抽汽量作为输入量进入主汽轮机模型，因此小机抽汽模型反映了主汽轮机与小汽轮机的耦合现象，鉴于本工程仿真的主要目标是供热抽汽系统及汽轮机自身的控制，故对于小汽轮机抽汽模型的建立，不考虑汽源切换等问题，仅将其同背压机排汽作为一个整体进行考虑。

中压抽汽与低压抽汽会减小抽汽点后汽轮机级组的流量，对主汽轮机的影响规律与小机抽汽一致，仿真模型也基本一致。同时中压抽汽的压力与中压调节阀及主汽阀的阀门开度存在函数关系，低压抽汽的压力与中压调节阀及旋转隔板的开度存在函数关系。供汽抽汽仿真模型如图6所示。

Figure 6.  Middle pressure (industrial ) and low pressure (heating) extraction simulation model

本次仿真试验主要论证抽汽量变化对机组的影响，而背压变化对机组高压缸、旋转隔板前中压缸做功几乎没有影响，对机组功率的影响主要集中在中压缸后半部分：背压变化会引起中压缸后半部分有效焓降变化，从而影响中压缸后半部分做功功率。

经过理论分析及归一化处理，机组的发电功率计算仿真模型如图7所示。由于本研究主要关注的是机组模型对仿真的影响，因此电网模型采用无穷大电网模型进行仿真，忽略发电机组受电网频率和电压等方面的影响。

Figure 7.  Generation power simulation model

超临界再热型背压机组工艺系统特殊，供热抽汽压力、背压具有大惯性、非线性、强耦合等特点。其主要任务是提供给热用户合格的蒸汽，机组长期工作在供热工况，发电则是在保证供热各项控制回路之后系统自动平衡的结果。结合前述章节控制方案和各模块仿真模型，超临界再热型背压机控制方案仿真系统如图8所示。

Figure 8.  Block diagram of control strategy simulation of supercritical reheat back pressure unit

模型搭建过程中考虑了各级回热抽汽量对机组对外供热抽汽量以及抽汽压力的影响。因仿真重点是供热抽汽相关控制回路，对于背压机排汽及发电功率等的仿真则属于相对次要的要求，建模时将中压缸旋转隔板后的部分做了简化，背压机排汽焓的计算仅采用排汽压力对应的饱和蒸汽焓（结合汽机各工况下的热平衡图，低压缸在不同工况下的设计效率变化在2%之内，不影响本研究控制方案的论述）。

分别搭建了汽轮机高压主汽阀、中压调节阀、旋转隔板的控制方案回路，其中高压主汽阀的控制回路中设计有中压和低压供热抽汽流量的微分前馈。理想微分PID算法的微分作用仅局限于一个采样周期有大幅度输出，实际使用时会产出2方面的问题：（1）控制输出可能超过执行机构或D/A转换的上下限；（2）执行机构的响应速度可能无法在短时间内跟踪这种较大的微分输出。而实际微分PID算法由于惯性滤波的存在，微分作用可持续多个采样周期，有效避免了上述问题的产生。因此相关的仿真前馈采用具有更好控制性能的实际微分前馈模型来设计。

针对上节所建模型及控制方案，结合设计典型工况热平衡图内容和机组基本参数，本节重点对超临界再热型背压机各级供热抽汽流量阶跃扰动下的动态特性以及各控制系统控制方案的控制效果进行仿真验证。

图9和图10为分别对低压抽汽流量阶跃扰动4%和10%，且旋转隔板控制回路投入自动状态下的响应曲线，图中绘制了中压抽汽压力和低压抽汽压力两条曲线。

Figure 9.  Response curve of the low-pressure extraction control loop when the low-pressure extraction steam volume is disturbed by 4% under typical operating condition

Figure 10.  Response curve of the low-pressure extraction control loop when the low-pressure extraction steam volume is disturbed by 10% under typical operating condition

由图9、图10可知，当低压抽汽流量在第500 s发生阶跃扰动时，阶跃量较大的工况（10%，图10）已经超出了旋转隔板调节的最大裕度，故最终的低压抽汽压力值未能恢复至需求值；因其余相关的各被控对象未做调整，故背压机主蒸汽流量、中压缸进汽流量等数值均未发生变化；结合低压抽汽压力控制回路仿真曲线，低压抽汽系统压力控制回路基本可以满足工程应用。

图11为中压抽汽流量阶跃扰动10%，且背压机中压调节阀和旋转隔板控制回路均投入自动状态下的响应曲线。

Figure 11.  Response curve of the extraction steam pressure control loop when the medium pressure extraction steam volume is disturbed by 10% under typical condition

由图11可知，当中压抽汽流量在第500 s的时间发生阶跃扰动后，中压抽汽压力调节回路和低压抽汽压力调节回路均可以保证相应的抽汽压力快速调整至用户所需压力，中压抽汽系统和低压抽汽系统的两个压力控制回路基本可以满足工程应用。

图12为主蒸汽流量阶跃扰动10%，机组主蒸汽流量调节回路投入自动，且背压机中压调节阀和旋转隔板控制回路均未投入自动状态下的响应曲线。

Figure 12.  Response curve of heating extraction steam pressure when the main steam flow is disturbed by 10% under typical condition

由仿真曲线可以看出，当主蒸汽流量阶跃扰动后，因其他被控对象均未做调整，故中压抽汽压力和低压抽汽压力均阶跃上升；结合之前的抽汽流量响应曲线，当抽汽流量变化时，对主蒸汽调整回路做前馈，且同时对应调整主蒸汽流量，非常有利于机组供热抽汽压力的稳定，也从侧面反映出本研究课题所提控制方案的合理性。

图13为对主蒸汽流量阶跃扰动2%（考虑到依托工程为循环流化床锅炉响应速度较缓的特点和电网公司对机组一次调频的基本要求，机组响应一次调频波动的主蒸汽流量波动也小于2%，故此处对主蒸汽流量的阶跃量做适当的缩小），机组主蒸汽流量调节回路投入自动，且背压机中压调节阀和旋转隔板控制回路均同时投入自动，由曲线可知，中压抽汽压力和低压抽汽压力经过各自的控制回路调整后，可以满足用户对蒸汽品质的要求。

Figure 13.  Response curve of extraction steam pressure when the main steam flow is disturbed by 2% under typical condition

图14为对中压抽汽流量和低压抽汽流量同时做阶跃扰动5%，机组主蒸汽流量调节回路投入自动，且背压机中压调节阀和旋转隔板控制回路均同时投入自动时中压和低压抽汽压力的响应曲线。由曲线可知，中压抽汽压力和低压抽汽压力经过各自的控制回路调整后，可以满足用户对蒸汽品质的要求。

Figure 14.  Response curve of extraction steam pressure when both medium pressure and low pressure steam flow are simultaneously disturbed by 5% under typical condition

本课题结合超临界再热型背压机组的工艺系统及设备状况，对超临界再热型背压机组的工艺系统进行简要介绍，结合超临界再热型背压机组的运行模式，提出了超临界再热型背压机组在投入供热前和投入供热后的相关控制策略，主要包括：

1）在机组投入供热前，机组的控制方案主要是保证冲转前的转速、并网后的机组功率，其控制方案同常规火电机组类似，只是结合超临界机组的对象特性对相关的控制参数进行调整优化即可。

2）在机组投入供热之后，机组不存在同常规火电机组一样的协调控制系统，其锅炉侧的控制以保证供热蒸汽品质为主，汽机侧的控制则以主蒸汽压力调节为根本，以此控制回路作为汽机侧各子系统控制的最大主控回路，最终保证机组的可靠高效运行。

3）建模仿真结果表明，主蒸汽和抽汽流量扰动量在可调范围之内时，本文提出的控制方案均能够保证中压和低压抽汽压力快速恢复。本文调节方案未投入，或扰动较大超出调节裕度时，被调参数无法恢复至用户需求值。

通过建模仿真，验证了所提控制方案的正确性，为超临界再热型背压机技术的工程示范奠定技术基础。可以指导和引领工业热负荷需要量大、供热参数合适的化工项目或工业园区热电项目采用超临界再热型背压机组控制方案设计及工程应用，同时对现役抽凝机组的供热改造提供借鉴。