孤網(wǎng)運(yùn)行汽輪機(jī)控制研究

【摘 要】針對目前電力市場上用戶的要求，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)需具備孤網(wǎng)運(yùn)行控制能力。本文從孤網(wǎng)運(yùn)行的控制策略出發(fā)，提出了汽輪機(jī)控制系統(tǒng)（DEH）滿足孤網(wǎng)運(yùn)行的設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵詞】孤網(wǎng)；控制系統(tǒng)

1、概述

截至2011年底，全國發(fā)電裝機(jī)容量已突破9億千瓦，成為世界第二電力大國。我國電力行業(yè)已進(jìn)入電網(wǎng)大、機(jī)組容量大、高電壓輸電、高度自動(dòng)化的新時(shí)代。據(jù)此，國內(nèi)五大集團(tuán)的正規(guī)電廠對機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行的能力要求不高或無要求，一般至多是要求滿足FCB（fast cut back）工況控制即可。目前仍然存在孤網(wǎng)運(yùn)行要求的是一些企業(yè)的自備電廠特別是民營企業(yè)由于多方面原因要求采用孤網(wǎng)運(yùn)行方式；出口國外（發(fā)展中國家，例如印度）機(jī)組也要求孤網(wǎng)運(yùn)行。孤網(wǎng)運(yùn)行在應(yīng)對自然災(zāi)害及電網(wǎng)的特殊故障的情況下，顯得尤為重要。以哈汽公司為例，今年以來就有許多非電力系統(tǒng)用戶和國外用戶在訂貨時(shí)將汽輪機(jī)控制系統(tǒng)（DEH）具備孤網(wǎng)運(yùn)行功能作為必備條件，有些用戶還需哈汽提供專題報(bào)告。因此，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)（DEH）具備孤網(wǎng)運(yùn)行能力是滿足客戶需要的前提。本文通過對孤網(wǎng)運(yùn)行方式的分析，提出了在設(shè)計(jì)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)（DEH）中需重點(diǎn)注意的問題。

2、系統(tǒng)的組成

2.1整體配置

整個(gè)系統(tǒng)由機(jī)房、余熱鍋爐、煙筒和輔機(jī)構(gòu)成。在機(jī)房中燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)為單軸布置，還配置有與主機(jī)相關(guān)和汽輪機(jī)的冷凝器。

余熱鍋爐緊挨著機(jī)房，在燃?xì)廨啓C(jī)的排氣端一側(cè)。燃?xì)廨啓C(jī)的排氣通過余熱鍋爐和排煙通道，由煙筒排出。在余熱鍋爐內(nèi)部設(shè)置有脫硝裝置用的輔機(jī)和排水裝置。

控制裝置和電氣設(shè)備在機(jī)房側(cè)面，中間隔有通道?？刂蒲b置采用模塊式結(jié)構(gòu)，控制、電氣、蓄電池、高低壓配電裝置、啟動(dòng)裝置等結(jié)構(gòu)都很緊湊。電氣設(shè)備由母線導(dǎo)管、廠內(nèi)變壓器和升壓器構(gòu)成。

2.2軸系設(shè)備的構(gòu)成

2.2.1概要

在本聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)上，由燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)及汽輪機(jī)構(gòu)成的軸系設(shè)備的配置情況。

燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)配置在同一軸上；發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)之間有離合器；采用地面安裝方式。

有以下特征：設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，汽輪機(jī)通過離合器與燃?xì)廨啓C(jī)分開，而燃?xì)廨啓C(jī)可以利用發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，單獨(dú)負(fù)荷運(yùn)行。然后，利用燃?xì)廨啓C(jī)的排氣使余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，以啟動(dòng)汽輪機(jī)（不需要輔助鍋爐）；萬一汽輪機(jī)跳閘，仍利用離合器的作用，把汽輪機(jī)自動(dòng)斷開，而燃?xì)廨啓C(jī)可以繼續(xù)單獨(dú)運(yùn)行；地面安裝方式比機(jī)座式安裝方式的基礎(chǔ)費(fèi)用要低。同時(shí)維修也方便。

2.2.2發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)只有1臺，由燃汽輪機(jī)和汽輪機(jī)共用。這是一種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的二極三相發(fā)電機(jī)。

2.2.3汽輪機(jī)。汽輪機(jī)是雙缸軸向排汽冷凝式結(jié)構(gòu)，安裝在地面基礎(chǔ)上，在50～100%負(fù)荷范圍內(nèi)采用滑壓運(yùn)行。設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，汽輪機(jī)利用離合器可以與發(fā)電機(jī)脫開，此時(shí)，（由余熱鍋爐）產(chǎn)生的蒸汽全部旁路。

2.2.4離合器。離合器安裝在發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)之間的汽輪機(jī)高壓側(cè)軸承箱內(nèi)。燃汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)，離合器使汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)脫開，而在燃汽輪機(jī)運(yùn)行后，大量蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)（汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速超過燃汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速）的同時(shí)，離合器自動(dòng)嚙合，向發(fā)電機(jī)傳送動(dòng)力。離合器中嚙合后處于與齒形聯(lián)軸同樣的結(jié)合狀態(tài)，沒有滑動(dòng)部分，確保高可靠的運(yùn)行。

2.2.5余熱鍋爐。余熱鍋爐是三壓再熱自然循環(huán)結(jié)構(gòu)。脫硝裝置設(shè)置在余熱鍋爐的蒸發(fā)管束之間。

2.2.6設(shè)備的運(yùn)行方式

（1）全負(fù)荷運(yùn)行方式。這是設(shè)備對應(yīng)于大氣條件的最大出力運(yùn)行方式。在這種運(yùn)行方式下，設(shè)備的出力在保證透平進(jìn)口溫度一定的狀態(tài)下進(jìn)行控制運(yùn)行。在此狀態(tài)下，如果燃機(jī)排氣溫度控制裝置或高壓/再熱蒸汽溫度控制裝置動(dòng)作時(shí)，出力即受到限制。

（2）部分負(fù)荷運(yùn)行方式。根據(jù)事前在負(fù)荷分配裝置上設(shè)定的廠用負(fù)荷值，由燃機(jī)負(fù)荷控制裝置保持按廠用負(fù)荷運(yùn)行。

（3）并網(wǎng)運(yùn)行方式。根據(jù)速度不等率特征，可以在40～95%負(fù)荷范圍內(nèi)與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。

2.2.7啟停操作

根據(jù)汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)其轉(zhuǎn)子的溫度不同，有熱態(tài)啟動(dòng)、溫態(tài)啟動(dòng)和冷態(tài)啟動(dòng)三種方式。無論在哪種啟動(dòng)方式下，燃汽輪機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間不變，余熱鍋爐也不會制約燃汽輪機(jī)帶負(fù)荷的時(shí)間。所以，設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間主要取決于汽輪機(jī)的帶負(fù)荷時(shí)間。為了降低汽輪機(jī)的熱應(yīng)力，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度在達(dá)到某種設(shè)定值之前，燃汽機(jī)的負(fù)荷需控制在25%以下：一旦汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度達(dá)到設(shè)定值，燃汽輪機(jī)負(fù)荷可以馬上連續(xù)升高。

停機(jī)操作可按與啟動(dòng)操作的相反順序進(jìn)行。設(shè)備停機(jī)時(shí)間通常50分鐘。

2.2.8特殊運(yùn)行方式如下所述

（1）獨(dú)立運(yùn)行方式。在設(shè)備與電網(wǎng)解列時(shí)，汽輪機(jī)跳閘。這時(shí)，離全器脫開，汽輪機(jī)開始單獨(dú)減速、停機(jī)，另一方面，燃汽輪機(jī)在低負(fù)荷下繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，向本設(shè)備持續(xù)運(yùn)行所需的輔機(jī)設(shè)備供給電力。然后，根據(jù)運(yùn)行工作人員的判斷，設(shè)備可以重新達(dá)到全負(fù)荷，或停機(jī)。

（2）轉(zhuǎn)子盤車運(yùn)行方式。燃汽輪機(jī)和汽輪機(jī)配置有各自的盤車裝置。設(shè)備停機(jī)后，為了轉(zhuǎn)子能均勻冷卻，自動(dòng)地轉(zhuǎn)入這種盤車運(yùn)行方式。

3、目前在針對有孤網(wǎng)運(yùn)行要求機(jī)組的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要從以下方面考慮：

（1）DEH系統(tǒng)采用的硬件CPU控制器主頻要求盡可能快，調(diào)頻控制回路的控制任務(wù)運(yùn)算周期必須保證小于100ms，達(dá)到50ms更好。

（2）轉(zhuǎn)速不等率設(shè)置在5%左右（一般常規(guī)要求）。

（3）設(shè)計(jì)的控制邏輯要求缺省投入一次調(diào)頻功能（在大網(wǎng)及孤網(wǎng)的情況下）。一次調(diào)頻的計(jì)算輸出作為功率PID的給定。同時(shí)將其直接輸出到PID的出口上，這樣可使得一次調(diào)頻的快速性得到保證，另外對一次調(diào)頻死區(qū)進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)情況增大或減小，直至取消。

（4）在并網(wǎng)后，取消103%額定轉(zhuǎn)速OPC功能，或針對需要孤網(wǎng)運(yùn)行的機(jī)組其DEH系統(tǒng)的OPC動(dòng)作定值適當(dāng)提高（最好定值根據(jù)需要可調(diào)），但要對110%電超速及機(jī)械超速做好實(shí)驗(yàn)，保證可靠動(dòng)作。

（5）提高伺服系統(tǒng)快速響應(yīng)性，油動(dòng)機(jī)的關(guān)閉時(shí)間應(yīng)小于0.15s。伺服控制器（伺服卡）在采用數(shù)字控制時(shí)要求響應(yīng)要快，采用比例調(diào)節(jié)（也可加入積分），在確保伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，盡量提高伺服控制器的比例增益。

4、結(jié)論

通過在DEH控制系統(tǒng)中編制孤網(wǎng)控制邏輯，哈汽已在一些電廠的機(jī)組上取得了業(yè)績，例如廣西某自備電廠2×150MW機(jī)組（采用西門子硬件PCS7系統(tǒng)），一用一備運(yùn)行，待廠用負(fù)荷；內(nèi)蒙某電廠2×300MW機(jī)組（國電智深硬件EDPF系統(tǒng)），帶用戶負(fù)荷；印尼百通2×600MW機(jī)組（西屋硬件，通過FCB實(shí)驗(yàn)），上述三個(gè)電廠都已穩(wěn)定運(yùn)行。哈汽出口機(jī)組只要用戶要求都具有孤網(wǎng)運(yùn)行程序。機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行需要各專業(yè)，各個(gè)系統(tǒng)（汽輪機(jī)，鍋爐，發(fā)電機(jī)，旁路等）的配合，電廠需整體考慮，但頻繁的調(diào)節(jié)，對整個(gè)電廠的設(shè)備都是一個(gè)考驗(yàn)，對設(shè)備的壽命都是有影響的。所以，從安全及穩(wěn)定性考慮，能并上大網(wǎng)是最終的出路，孤網(wǎng)運(yùn)行不是長久之計(jì)。