某火电机组汽电双驱引风机小汽轮机热态甩负荷时调门超驰开度对炉膛负压的影响.pdf

第54卷第4期2023年7 月【运行与改造】某火电机组汽电双驱引风机小汽轮机热态甩负荷时调门超驰开度对炉膛负压的影响李展，尤默，冯斌，秦天牧，邢智炜，尚勇，刘磊，高爱国，康静秋1（1.华北电力科学研究院有限责任公司，北京10 0 0 45；2.华北电力科学研究院有限责任公司西安分公司，陕西西安7 10 0 6 5）锅炉技术BOILERTECHNOLOGYVol.54,No.4Jul.,2023摘要：为研究某火电机组风烟系统采用汽电双驱型引风机时，引风机小汽轮机发电机甩负荷对小汽轮机及炉膛负压的影响，通过机组热力系统模型的搭建及仿真研究，提出在热态工况发生引风机小汽轮机发电机甩负荷的情况下，可通过超驰逻辑对小汽轮机调门进行控制，实现机组不发生辅机故障减负荷（RB)的事故，同时可维持炉膛负压在合理的范围内。仿真结果发现在不同负荷下进行甩负荷，可以得出一个较优调门超驰值，并通过试验验证了此方法的可行性。关键词：汽电双驱；引风机小汽轮机；甩负荷；较优；超驰值中图分类号：TK227文献标志码：A文章编号：16 7 2-47 6 3（2 0 2 3)0 4-0 0 52-0 7电双驱型引风对炉膛负压的影响模型，探讨在小0前言汽轮机甩负荷情况下，不跳闸小汽轮机，而通过随着国家碳中和要求的提出，火电厂作为碳小汽轮机调门的超驰动作调节炉膛负压的效果。排放的大户，节能要求越来越高。引风机是电厂1系统方案中的耗能大户，而电厂风烟系统采用汽电双驱型引风机的设计，可以有效减少厂用电率，减少电厂的碳排放，近几年陆续有多家新建电厂采用此设计方案。如孔祥杰等以某电厂6 6 0 MW机组为例，提出汽电双驱引风机技术可以明显减少厂用电率，并对引风机及电动机的保护逻辑进行了探讨。姚君等2 提出汽电双驱型引风机可以实现降低厂用电及高效供热的完美结合，大大提高电厂的经济效益。倪磊3 对汽电双驱型引风机电机的设计、选型、启动等问题进行了研究，总结了异步电动机的保护逻辑设置。国内专家、学者虽然围绕汽动引风机或汽电双驱引风机做了一些研究，但是目前还没有人对汽电双驱引风机在发电机甩负荷情况下的处理措施进行探讨。在实际工程中将发电机甩负荷作为小汽轮机的跳闸保护条件，直接触发引风机故障跳闸甩负荷即引风机辅机故障减负荷（RB)，此种处理方法虽然简单，但是会对电厂的经济性、安全性造成较大影响。本文提出通过搭建汽收稿日期：2 0 2 2-0 4-12作者简介：李展（1990 一），男，硕士，工程师，主要从事火电厂基建调试及电厂控制系统优化方面工作。1.1系统简介某新建机组为减少厂用电的消耗，采用了汽电双驱型引风机的设计，设备示意图如图1所示。在机组低负荷运行时，通过电动机即可驱动引风机正常运行，当机组负荷高于40%额定负荷时，需要启动小汽轮机驱动，同时小汽轮机也可通过电动机6 kV开关向厂用电反送电能。小汽轮机额定转速52 2 0 r/min，经过变速离合器（齿轮箱）后引风机的额定转速变为7 50 r/min左右。小汽轮机进汽8+齿轮箱电动/发电机小汽轮机排汽图1汽电双驱型引风机系统图1.2热态下小汽轮机甩负荷控制方案目前投运使用汽电双驱型引风机的机组中6kV母线电动机/发电机开关引风机第4期当电动机/发电机的6 kV开关在某一故障情况下突然跳开后，为防止小汽轮机超速及炉膛负压大幅波动，一般的做法为直接将引风机小汽轮机及引风机联锁跳闸，进而触发传统的引风机RB逻辑。但这样做的话，机组自动发电控制(AGC)将会解除，并触发机组故障减负荷运行，且后期升负荷后引风机小汽轮机需重新暖机、冲车、定速、并网等操作，费时费力，对机组造成较大的经济损失。本文提出一种新的思路，即当发电机出口6 kV开关跳开后，可以将小汽轮机转速设定为52 2 0 r/min，并将小汽轮机阀位超驰到一定的开度，只带引风机运行，而维持锅炉负压的稳定，进而无需机组减负荷运行，减少机组的经济损失。基于小汽轮机甩负荷及引风机动力学模型，进行小汽轮机甩负荷仿真及试验研究。2汽电双驱引风机系统模型分析汽电双驱型引风机系统模型主要包括小汽轮机汽缸容积模型、小汽轮机转子模型、引风机动力学模型、炉膛负压动力学模型。汽缸容积模型主要对蒸汽做的机械功进行计算；转子模型主要对转子的受力和转动过程进行模拟；引风机动力学模型主要对引风机小汽轮机甩负荷后的转速进行模拟；炉膛负压动力学模型即转速及动叶对炉膛负压影响模型。2.1小汽轮机汽缸容积模型依据气体流动的连续性，小汽轮机汽缸内蒸汽的流量变化等于密度与其体积的乘积，根据小汽轮机调节阀的特性可以得到小汽轮机的容积方程为：,(s)(s)1+nqoLoAT。nAUoponUo式中：一名容积内蒸汽做功的变化率；一小汽轮机调阀开度的变化率；S一拉普拉斯变化算子；V一一小汽轮机汽缸容积，m；额定状态下蒸汽密度，kg/m；一蒸汽额定流量，m/s；T。一汽汽缸的容积时间常数，S；l一进汽管道长度，m；李展，等：某火电机组汽电双驱引风机小汽轮机热态甩负荷时调门超驰开度对炉膛负压的影响进汽管道的横截面积，m；蒸汽的流动速度，m/s。2.2小汽轮机转子动力学模型依据力学原理，小汽轮机转子动力学方程式（3）、式（4)由进入小汽轮机中的蒸汽转矩、摩擦力矩、引风机负载力矩、发电机功率决定。d=M,Mi M,MT。=ap-c-L,-aw-andt式中:J-小汽轮机转子转动的惯量，kgm；一小汽轮机转子的角速度，rad/s；M,一一引风机小机蒸汽转矩，Nm；M引风机小机摩擦力矩，Nm；M,一引风机小机负载力矩，Nm；M引风机小机发电机输出功率，W；t时间，S；蒸汽轴功率的变化率；摩擦力矩功率变化率，y引风机负载反转矩功率相化率；w小汽轮机发电机功率变化率；转子角速度变化率；一小汽轮机转子的自平衡系数大小。式（3)中引风机负载力矩可以通过式（5）进行计算。H.+HrM,=3(Q1+Q2)3.6X10m%式中:H。引风机出口动能损失，Pa；HR管道助力,Pa;引风机折算全压效率；Q锅炉一次风流量，m/h；Q2锅炉二次风流量，m/h。11Voo1+Tos153A一(3)(4)(5)将式（4)进行拉氏变换后得：(1)p(s)-a(s)一y(s)-u(s)-a,(s)=T,.s.a,(s)（2)依据式（1）、式（5）、式（6）即可对汽电双驱引风机在甩负荷情况下的动态模型进行建立。2.3炉膛负压动力学模型炉膛负压可以通过变速调节或引风机动叶调节2 种方式调节。小汽轮机变速调节炉膛负压时，由于要经过小汽轮机调门开度及小汽轮机转速的变化才能达到调节负压的目的，这将导致变速调节负压的滞后时间较长，负压波动大，不易控制。在小汽轮机甩负荷时可以将小汽轮机转速给定到额定转速，同时通过保持引风机动叶（6)54开度，防止负压出现震荡。为研究变速调节对负压的影响，下面将转速对负压的影响模型进行搭负压设定一3仿真模型搭建及结果分析以上述的模型分析为基础，可以进行引风机OPC动作转速反馈主汽门指令功率反馈MEH调门指令控制模型并网信号主阀反馈甩负荷信号调阀反馈流量指令图3 汽电双驱引风机小汽轮机系统动力学模型引风机小汽轮机甩负荷逻辑，如图4所示。下降延时间引风机处于汽电双驱状态发电机6 kV开关跳闸下降延时间引风小汽轮机发电机功率大于某定值图4引风机小汽轮机甩负荷逻辑3.1负荷对负压的影响不同负荷下进人小汽轮机的蒸汽参数不同，负荷越高，进汽参数越高，小汽轮机调门开度也越大。不同负荷下锅炉的总风量不同，引风机小汽轮机的负载功率也不同。由于这几方面的综合影响，导致小汽轮机在甩负荷时，假设小汽轮机调门都关到同一开度的情况下，小汽轮机的转速飞升量将会出现较大差异，对负压的影响也会大不相同。同样假设在同一负荷下，在甩负荷瞬间，如果调门的超驰开度不一致，那么进入小汽轮机汽缸的蒸汽量不同，这将对小汽轮机初期的飞升高度有大的影响，进而导致负压的波动特性不同。下面重点对负荷及调门开度两个重要参数对飞升转速及负压的影响进行仿真分析。锅炉技术建，如图2 所示。图2 中被控对象的特性参数，可以通过热态工况下的扰动试验获得。转速/动叶扰动被控对象PID控制器执行器图2 转速或动叶扰动对负压的影响小汽轮机系统热态工况下甩负荷综合模型的搭建，如图3 所示。发电机功率模型主汽阀模型小汽轮机机械功率模型调阀模型轴功率模型为了定性的分析负荷对小汽轮机转速及炉膛负压的影响，对图5图12 中不同负荷下，调门超驰都为10%开度时的结果作比较分析。脉冲时间引风机AND小汽轮机甩负荷触发第54卷炉膛负压特性小汽轮机转子动力学模型引风机炉膛负压模型1500炉膛负压1000500040010005000-5004005.40052005000小汽轮机转速4.8004.600450时间/s图520%负荷炉膛负压小汽轮机转速450时间/s图6630%负荷5.6005400520050004800第4期李展，等：某火电机组汽电双驱引风机小汽轮机热态甩负荷时调门超驰开度对炉膛负压的影响555000-5004002000200400-600400-1500,1000/5000-500-1 0009901 000 1010 1020 1030 1040 1050 1060图975%负荷2.000炉膛负压0水汽轮机转速-1 001000从图5图10 中可以发现，在引风机动叶未参与负压调节的情况下，转速变化对负压的影响延迟性较大，即为带有迟滞环节的一阶惯性环节。75 600炉膛负压54005200小汽轮机转速50004800450时间s图740%负荷炉膛负压小汽轮机转速450时间s图 8 50%负荷炉膛负压小汽轮机转速1时间/s10201040时间/s图10100%负荷6 000-(i-uu.最低转速5800560020图11小机转速变化量曲线02.50058001500560010005400520050004.800600055005.0006000(r-uru.55005000145001060最高转速转速偏差4060负荷率/%负压最大值负压最小值负压偏差值-600%5001000-8005002040图12 炉膛负压变化量曲线从图11可以看出当调门的开度一定时，小汽轮机的最高转速、最高与最低转速偏差值都是随着负荷的升高而升高的，这是由于负荷率越高，在甩负荷那一瞬间，如果超驰的开度一定，那么蒸汽参数等级越高，做功能力也越强，小汽轮机转速飞升越大，同时由于PID调节是滞后的偏差调节，也会导致转速回头量过大，导致转速波动大。从图12 可以看出随着转速及转速偏差的升高，炉膛负压的最小值呈现下降的趋势，即在甩负荷的过程中，小汽轮机转速的变化量需要控制在一个范围，仿真负压回调过大，产生负压正向过大而跳机。从图12 中可以看到负压的偏差值在负荷为40%50%之间时最小，这说明不同负荷下的甩负荷，调门有一个较优的超驰开度，这个开度可以有效减少负压的波动范围。3.2调门开度对负压的影响从3.1可以看出，不同负荷下，有一个较优的调门开度值。这里选取一个负荷点，即50%负荷进行模拟，如图13 图18 所示。如果调门开的太小，虽然在起始时刻，引风机转速上升较小，负压下降较小；但下个周期由于小汽轮机调门进汽量太小，蒸汽做功能力不足，导致转速下降量较大，炉膛容易冒较大正压，如图13。除此，如果调门在初始时刻开度较大，就会造成小汽轮机转速55005000.uTu4.900元100048008004700小60080100-20040015006080负荷率/%14001200200010056升高太大，负压第一周期下降较大，也会对机组造成损坏，如图17、图18，则综合来看，调门的超驰开度既不能太大，也不能太小。从图19可以看出在50%负荷时甩负荷，调门阀位超驰到10%左右时，负压的变化量最小，波动幅度也最小。7575010005500750小汽轮机转速500/2500250-500-750410415420425430435440445时间/s图13调门开到 3%10007505002500250-500-750410415420425430435440445450时间/s图14调门开到 5%2001000-100-200-300-400-500-600-700410415420425430435440445450时间/s图15调门开到 10%1 000炉膛负压5000500-1000-1500400锅炉技术20001000F/0-1000-2 000-3 000410 41542042554304354404454505250时间s炉负压图17调门开到 3 0%5000200047504.50045057505500小汽轮机转速52505000炉膛负压4.75014.5005800炉膛负压5 60054005200小汽轮机转速50004.80058005700(i-.1/转4560055005.400小汽轮机转速5300520051005 000450时间/s图16调门开到 2 0%第54卷6000炉膛负压5.500小汽轮机转速525050004.750炉膛负压6.50006000-2.000小汽轮机转速-4.000-6 000410420430440450460 470480490时间/s图18调门开到 40%076 000负压最小值1500125000075050025000依照上述结论，经多次仿真，以寻找某负荷下较优的调门阀位超驰值。图2 0 为仿真寻到机组在多个负荷点下甩负荷时的较优开度值曲线。从图2 0 中可以看到，负荷越高，较优调门开度值越小。在实际试验中，以此为依据，经过热态扰201816146420图2 0调门较优开度值曲线5500500014.500-10005000-2.0004000负压偏差值3000-4.0002000出负压最大值-5000-6.0001020阀门开度/%图19炉膛负压变化曲线2040负荷率/%-000030406080100第4期动实验及仿真结果，确定开度最优值，同时可以将调门前压力、温度作为修正量，只有这样才能保证甩负荷时机组的安全运行。3.3引风机动叶对负压的影响当在汽电双驱引风机小汽轮机发生甩负荷时，假设在小汽轮机调门超驰到一定开度时，引风机动叶也同时参与调节的话，如图2 1是小汽轮机在50%负荷下发生甩负荷，转速及动叶同时参与或只在转速一种方式参与调节情况下的仿真曲线。1 000500/0-500400图2 1动叶、转速调节负压对比图从图2 1和图2 2 中可以看出当同时参与调节时，负压虽然在开始时下降的程度偏小，且后期收敛速度也较快，但是负压波动相对于转速的单2.000301200281 0002610002422MN/率02016-10001412-2.000L104从图2 3 中可以看出引风机小汽轮机在发生热态甩负荷后，依据图2 0 的较优超驰开度，将小汽轮机综合阀位超驰到4%左右，在经过上下震荡多次调节后，小汽轮机稳定到52 2 0 r/min左右。此试验期间，机组功率、主蒸汽压力、主蒸汽温度均保持稳定状态。引风机小机转速最高升为6 190 r/min，最低50 58 r/min；炉膛负压最高李展，等：某火电机组汽电双驱引风机小汽轮机热态甩负荷时调门超驰开度对炉膛负压的影响1000转速与动叶同时调节500F0-500100071000800转速与动叶同时调节600500/400转速调节2000-200炉膛负压设定值-400-500450500时间/s主蒸汽压力800600400200057独调节来说，稳定性偏弱。所以在小汽轮机发生甩负荷后，由于工况波动剧烈，则优先选择转速单独调节方式。10001410411时间/s图2 2动叶、转速调节负压对比放大图4试验分析某火电机组在2 0 2 1年3 月2 2 日17：3 6 进行了引风机小汽轮机热态甩负荷试验，即在机组90%负荷时人为断开引风机发电机出口6 kV断路器。依据上面的仿真分析得出，在引风机小汽轮机发电机甩负荷时，将引风机小汽轮机转速目标值设定为52 2 0 r/min，引风机动叶不参与调节，试验结果如图2 3 所示。主蒸汽温度200180160140功率%/1205.500_uT炉膛负压100小汽轮机转速80引风机发电机甩负荷触发6040综合阀位200-1017:38:23.13017:41:17.130时间/s图2 3 引风机小汽轮机热态甩负荷试验为50 0 Pa，最低为一12 50 Pa，机组整体运行稳定。5结语通过对汽电双驱引风机的热力系统进行研究，建立了汽电双驱引风机系统的动力学模型并进行了仿真分析及试验研究，得出以下结论：1000800600500400转速调节200炉膛负压设定值-200-400-5004124137500765070006006.500550500600045035050003004.5002504000转200350015030001002.500502.000058（1）通过进行实际甩负荷试验研究，得出本文建立的仿真试验模型与实际情况匹配度较高，具有较大的使用价值。（2）甩负荷瞬间，当调门的开度一定时，小汽轮机的最高转速、转速偏差值都是随着负荷的升高而升高，而炉膛负压的最小值呈现下降趋势。（3）同一负荷下，如果调门开的太小，在最初时刻，引风机转速上升较小，负压下降较小。但第二个周期往往会因为进汽量太小，蒸汽做功能力不足，导致转速下降量较大，将冒较大正压。同样如果调门在初始时刻开度较大，就会造成小汽轮机转速飞升太大，负压第一周期下降较大，同样也会造成跳机。锅炉技术（4）小汽轮机调门较优开度值随着负荷的升高呈下降趋势。在实际工程试验中，可以综合考虑调门前压力、温度为修正量，对调门开度进行进一步修正，以达到最优的实验效果，维持机组的安全运行。参考文献：1孔祥杰，朱跃华，任继才火力发电厂汽电双驱引风机应用分析J.能源与节能，2 0 18（6）：59-6 1.2姚君，蔺琪蒙，施刚夜，等高效灵活汽电双驱引风机技术及工程应用J.勘测设计，2 0 2 0（4）：11-15.3倪磊.汽电双驱机组异步电动-发电机设计与研究D.上海：上海交通大学，2 0 19.4 王立健，何青，李国庆汽轮机甩负荷对转子寿命损耗的仿真分析研究J.中国电力，2 0 18,51（10）：150-155.第54卷Influence of Optimal Gate Override Opening on Furnace Negative Pressurefor a Thermal Power Unit With Steam-Electric Dual-Drive InducedDraft Fan Steam Turbine in Thermal State Load SheddingLI Zhan，YO U M o ，FENG Bi n，Q IN T i a n mu ，XING Z h i w e i,SHANG Yong，L I U L e i ，G A O A i g u o ，K A NG Ji n g q i u(1.North China Electric Power Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100045,China;2.North China Electric Power Research Institute(Xian)Co.,Ltd.,Xian 710065,China)Abstract:To study the impact of load shedding by the small turbine generator of induceddraft fan on the negative pressure of the small turbine and furnace when the air and flue gassystem of a thermal power unit adopts a steam-electric dual-drive induced draft fan,throughthe construction and simulation research of the thermal system model of the unit,it isproposed that in the case of load shedding of the induced draft fan small turbine generatorunder hot working conditions,the control of the small turbine regulating valve can beachieved through override logic,so as to avoid the occurrence of auxiliary equipment failureand load shedding runback(RB)in the unit,while maintaining the furnace negative pressurewithin a reasonable range.The simulation results found that an optimal throttle overridevalue can be obtained by load shedding under different loads,and the feasibility of thismethod was verified through experiments.Key words:steam-electric dual-drive;shedding;better;override valueinduced draft fan small steam turbine;load