600 MW亞臨界空冷機(jī)組汽輪機(jī)高調(diào)門擺動(dòng)問題的分析及解決方案

呂雪霞，李照忠，邢 媛，鄭耀東，原志國

(1.通遼霍林河坑口發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼028000;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱15000)

0 引言

在實(shí)際中，電網(wǎng)的頻率是不斷波動(dòng)的，如在末端電網(wǎng)，由于許多新能源發(fā)電單元(如風(fēng)電機(jī)組)的并網(wǎng)運(yùn)行，其頻差信號經(jīng)常在±0.05 Hz左右(對應(yīng)轉(zhuǎn)速差為±3 r/min)頻繁變化。而電力系統(tǒng)運(yùn)行的主要任務(wù)之一是對頻率進(jìn)行監(jiān)視和控制，因此，發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻功能對維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定至關(guān)重要。如文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［2］中指出，在電網(wǎng)頻率的波動(dòng)事件中，一次調(diào)頻能力離設(shè)計(jì)值相差甚遠(yuǎn)，很多裝備有快速數(shù)字電液調(diào)速器的機(jī)組沒有參與一次調(diào)頻。文獻(xiàn)［3］中，針對一次調(diào)頻引起EH油管振動(dòng)問題，從硬件的角度提出了在每個(gè)高壓調(diào)門的進(jìn)油管路增加了蓄能器，并對管束支撐進(jìn)行了加固的處理措施，并取得了一定的效果。而文獻(xiàn)［4］中，針對某135 MW亞臨界機(jī)組為例，從DEH系統(tǒng)邏輯上分析了一次調(diào)頻功能在重疊度區(qū)容易引起閥門大幅晃動(dòng)，甚至引起EH油管振動(dòng)的原因;并且，提出在重疊度范圍略微減弱流量—閥位曲線斜率較大的閥門一次調(diào)頻能力，在總體上保證一次調(diào)頻的幅度和精度滿足電網(wǎng)要求，在國內(nèi)首次從軟件優(yōu)化的角度來消除一次調(diào)頻引起的閥門大幅晃動(dòng)和EH油管振動(dòng);同時(shí)，還通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了在CCS與DEH聯(lián)合調(diào)頻方式下，優(yōu)化后可大大降低閥門晃動(dòng)幅度，提高了汽輪機(jī)組的安全穩(wěn)定性。由于，600 MW級別的機(jī)組目前在我國占有很大的比重，許多文獻(xiàn)中提及這個(gè)級別的機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)許多問題［5－10］，而且這些問題隨著機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的升高，問題的嚴(yán)重性以及出現(xiàn)的概率也相應(yīng)地加大。如超臨界機(jī)組的問題就要比亞臨界的多一些，如國內(nèi)大多數(shù)未進(jìn)行系統(tǒng)高調(diào)門配汽優(yōu)化工作的火電機(jī)組，都存在高調(diào)門配汽規(guī)律設(shè)計(jì)不佳的情況。當(dāng)機(jī)組投入順序閥方式運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)了一些由配汽規(guī)律設(shè)計(jì)不當(dāng)而引發(fā)的問題，因此，600 MW級別機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)是非常寶貴的［11－16］。

1 機(jī)組存在的問題分析及解決方案

1.1 優(yōu)化前機(jī)組存在的問題

本廠的兩臺(tái)機(jī)組自投運(yùn)以來，一直存在一些問題，其中最主要的一個(gè)問題就是高調(diào)門的擺動(dòng)問題。當(dāng)機(jī)組在順序閥方式下運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)的綜合閥位(85%左右)剛好處于高調(diào)門的第三個(gè)閥與第四閥重疊區(qū)域附近時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)高調(diào)門的大幅擺動(dòng)問題如圖1所示，高調(diào)門GV4最大擺動(dòng)幅度為±10%左右。并且，調(diào)門的擺動(dòng)還會(huì)直接導(dǎo)致主汽壓的擺動(dòng)以及負(fù)荷的擺動(dòng)，極大地影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，如圖2、圖3所示，主汽壓擾動(dòng)較小，基本在小于0.05 MPa的范圍內(nèi);但是對負(fù)荷的擾動(dòng)較大，最大負(fù)荷擾動(dòng)為±5 MW左右。因此，需要對機(jī)組采用一定的運(yùn)行優(yōu)化策略，解決閥門擺動(dòng)這個(gè)首要問題。

圖1 機(jī)組高調(diào)門擺動(dòng)趨勢圖

圖2 機(jī)組主汽壓擺動(dòng)趨勢圖

圖3 機(jī)組負(fù)荷擺動(dòng)趨勢圖

1.2 高調(diào)門的問題分析及解決方案

為了對機(jī)組存在的問題進(jìn)行深入的分析研究，避免其余干擾因素，所以將機(jī)組切換至閥位控制方式下運(yùn)行，此時(shí)，汽輪機(jī)的綜合閥位剛好處于高調(diào)門的第三個(gè)閥與第四閥重疊區(qū)域附近時(shí)，高調(diào)門的擺動(dòng)問題也存在，并且擺動(dòng)的幅度時(shí)大時(shí)小，因此，需要對機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)及DEH控制邏輯進(jìn)行分析。通過分析DEH控制邏輯發(fā)現(xiàn)，機(jī)組雖然在閥位控制方式下，但是機(jī)組的閥位指令還是處于不斷變化中，因此，也就引起了高調(diào)門的擺動(dòng)現(xiàn)象。最終，通過對引起閥位指令變化的回路的分析，發(fā)現(xiàn)是機(jī)組所處地域的網(wǎng)頻較差，機(jī)組的功頻調(diào)節(jié)回路處于工作狀態(tài)，一次調(diào)頻的動(dòng)作，因此，閥位指令的不斷變化，最終引起高調(diào)門的擺動(dòng)問題。并且，當(dāng)綜合閥位剛好處于高調(diào)門的第三個(gè)閥與第四閥重疊區(qū)域附近時(shí)，第三個(gè)高調(diào)門的開度變化斜率較大，如圖4所示，因此，當(dāng)閥位指令變化較小時(shí)，就會(huì)引起第三個(gè)高調(diào)門的大幅擺動(dòng)，這實(shí)際上是由于高調(diào)門的配汽規(guī)律設(shè)計(jì)不當(dāng)而引發(fā)的問題。

圖4 機(jī)組原高調(diào)門的進(jìn)汽規(guī)律

機(jī)組高調(diào)門配汽規(guī)律設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)引發(fā)機(jī)組的一系列安全性和經(jīng)濟(jì)性以及調(diào)節(jié)性能問題。如順序閥規(guī)律的重疊度設(shè)置不當(dāng)時(shí)，機(jī)組在高調(diào)門重疊區(qū)域的閥位附近運(yùn)行時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生較大節(jié)流損失使機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性下降，還可能引發(fā)高調(diào)門的大幅高頻擺動(dòng)問題，還可能伴隨不同程度的負(fù)荷擺動(dòng)問題，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致停機(jī)。此外，機(jī)組閥門流量特性的準(zhǔn)確程度對汽輪機(jī)也具有極其重要的影響。而在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，由于現(xiàn)場安裝等因素、汽輪機(jī)制造過程中存在差異以及機(jī)組的調(diào)門進(jìn)行檢修或更換等各種因素，造成實(shí)際的閥門流量特性曲線與機(jī)組出廠時(shí)DEH中預(yù)置的閥門流量特性曲線存在不同程度的差異。這種差異較大時(shí)，可能會(huì)引起在機(jī)組變負(fù)荷和一次調(diào)頻時(shí)出現(xiàn)負(fù)荷突變和調(diào)節(jié)緩慢的問題，造成機(jī)組控制困難，影響機(jī)組的安全性和變負(fù)荷能力。因此，對機(jī)組進(jìn)行高調(diào)門的配汽規(guī)律優(yōu)化工作十分有必要的。

如圖4所示，機(jī)組高調(diào)門的原進(jìn)汽規(guī)律存在一些不合理之處，尤其是在重疊區(qū)域附近，不僅#4高調(diào)門在85%的閥位時(shí)存在擺動(dòng)的問題;當(dāng)機(jī)組運(yùn)行至62%左右閥位時(shí)，綜合閥位指令的小幅變化也會(huì)導(dǎo)致#1和#2高調(diào)門出現(xiàn)大幅擺動(dòng)問題。通過對機(jī)組進(jìn)行變工況計(jì)算以及實(shí)際的閥門流量特性的重新辨識(shí)，設(shè)計(jì)出了機(jī)組新的高調(diào)門進(jìn)汽規(guī)律，如圖5所示。新設(shè)計(jì)的順序閥規(guī)律，不僅解決了在重疊區(qū)域先開啟的閥門的開啟過陡問題，還解決了原規(guī)律的線性度差的問題。并且，根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)中的軸系穩(wěn)定性問題，對開啟順序也做了一些優(yōu)化調(diào)整。

圖5 優(yōu)化后的機(jī)組高調(diào)門的進(jìn)汽規(guī)律

2 實(shí)際運(yùn)行效果驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 高調(diào)門擺動(dòng)問題解決的試驗(yàn)驗(yàn)證

新設(shè)計(jì)的順序閥高調(diào)門進(jìn)汽規(guī)律，在機(jī)組DEH中通過閥門管理函數(shù)的修改來實(shí)現(xiàn)，已投入到實(shí)際運(yùn)行中，對新設(shè)計(jì)的規(guī)律進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行效果的驗(yàn)證工作，實(shí)驗(yàn)過程如下圖6～圖8所示。

圖6 驗(yàn)證試驗(yàn)中的高調(diào)門趨勢圖

從圖6～圖8所示的實(shí)驗(yàn)過程中可以看出，優(yōu)化后當(dāng)機(jī)組在順序閥方式下運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)的綜合閥位(85%左右)處于高調(diào)門的第三個(gè)閥與第四閥重疊區(qū)域附近時(shí)，不存在高調(diào)門的大幅擺動(dòng)問題;如圖6所示，高調(diào)門GV4最大擺動(dòng)幅度僅為±1%左右。并且，調(diào)門的擺動(dòng)還會(huì)對主汽壓的擺動(dòng)以及負(fù)荷的擺動(dòng)的影響也較小，機(jī)組基本處于的安全穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài);如圖7和圖8所示，對主汽壓基本無擾動(dòng)了，而對負(fù)荷的擾動(dòng)也較大，最大負(fù)荷擾動(dòng)僅為±1 MW左右。因此，通過對機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化，達(dá)到了解決閥門擺動(dòng)的問題。

圖7 驗(yàn)證試驗(yàn)中的主汽壓趨勢圖

圖8 驗(yàn)證試驗(yàn)中的機(jī)組負(fù)荷趨勢圖

2.2 高調(diào)門配汽優(yōu)化的其他效果

同時(shí)，兩臺(tái)600 MW機(jī)組的現(xiàn)場試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)上下缸體的膨脹偏差也比原來要小，這對改善機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性有很大的幫助。因?yàn)?，上下缸溫差大不僅可能會(huì)直接導(dǎo)致汽缸漏汽，還可能引起汽缸變形，動(dòng)靜碰磨，汽封磨損。由于汽缸變形，啟、動(dòng)、靜碰磨等原因，很容易造成汽封磨損，汽輪機(jī)徑向間隙增大等一系列影響機(jī)組安全與經(jīng)濟(jì)性的問題。此外，由于經(jīng)過細(xì)致的閥門流量特性辨識(shí)，機(jī)組高調(diào)門的順序閥規(guī)律與其實(shí)際特性吻合較好，高調(diào)門流量特性曲線的線性度得到了很大的改善，如圖9和圖10所示，因此，這也就意味著極大地改善了機(jī)組的調(diào)節(jié)性能，如一次調(diào)頻性能和AGC跟蹤性能。

圖9 原高調(diào)門綜合流量特性曲線的線性度

圖10 優(yōu)化后的高調(diào)門綜合流量特性曲線的線性度

3 結(jié)論

本文通過對兩臺(tái)600 MW機(jī)組實(shí)施配汽優(yōu)化，從軟件優(yōu)化的角度來降低高調(diào)門在重疊區(qū)域由于一次調(diào)頻動(dòng)作造成的高頻擺動(dòng)問題，改善機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行性能。目前，國內(nèi)參與調(diào)峰和一次調(diào)頻的汽輪機(jī)組，不少在全程調(diào)頻和順序閥方式時(shí)都出現(xiàn)過高調(diào)門的大幅擺動(dòng)，一些電廠基本都從硬件的角度來采取避免措施，很少從軟件的角度來進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化的，至于從高調(diào)門的整體流量特性的角度出發(fā)來進(jìn)行配汽規(guī)律的優(yōu)化從而解決一次調(diào)頻引發(fā)的高調(diào)門擺動(dòng)問題更是不多。配汽優(yōu)化不僅可大大降低閥門擺動(dòng)的幅度，提高汽輪機(jī)組的安全穩(wěn)定性，還能在總體上保證一次調(diào)頻的幅度和精度，滿足電網(wǎng)要求。因此，希望此文能起到拋磚引玉的作用，以此共同研討出更好措施，消除一次調(diào)頻功能給機(jī)組帶來的安全隱患。這對于600 MW級別的各種類型機(jī)組，無論是亞臨界還是超臨界以及超超臨界機(jī)組，在機(jī)組參與電網(wǎng)的調(diào)峰和調(diào)頻任務(wù)而投運(yùn)順序閥運(yùn)行方式時(shí)，都可以借鑒以上的優(yōu)化策略。

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