具有孤網(wǎng)運行方式的DEH系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

楊文強，雷文濤，王林

（1.華能山東發(fā)電有限公司，山東濟(jì)南250000；2.山東魯能控制工程有限公司，山東濟(jì)南250022；3.山東日照發(fā)電有限公司，山東日照276826）

具有孤網(wǎng)運行方式的DEH系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

楊文強1，雷文濤2，王林3

（1.華能山東發(fā)電有限公司，山東濟(jì)南250000；2.山東魯能控制工程有限公司，山東濟(jì)南250022；3.山東日照發(fā)電有限公司，山東日照276826）

針對孤網(wǎng)的運行特性，詳細(xì)闡述傳統(tǒng)大網(wǎng)和孤網(wǎng)的DEH系統(tǒng)的控制策略的不同之處，介紹火電機組含有孤網(wǎng)運行方式的DEH系統(tǒng)的設(shè)計方案，通過實例說明了具有孤網(wǎng)運行方式的DEH系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性。

汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)；孤網(wǎng)運行；轉(zhuǎn)速控制；設(shè)計

0 引言

火電機組已經(jīng)普遍采用汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）。常規(guī)火電機組運行于大電網(wǎng)中，DEH的功能是完成汽輪機的轉(zhuǎn)速控制和負(fù)荷控制。在機組啟動過程中控制汽輪機轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值時發(fā)電機組并網(wǎng)，并網(wǎng)后DEH可參與電網(wǎng)一次調(diào)頻，電網(wǎng)調(diào)度發(fā)送二次調(diào)頻指令到機組DEH控制汽輪機負(fù)荷。常規(guī)DEH基本不設(shè)計孤網(wǎng)運行方式，但在某些情況下孤網(wǎng)運行方式是有用的。文獻(xiàn)［1］為解決區(qū)域電網(wǎng)的安全供電問題提出火電機組單機孤網(wǎng)運行控制方案，文獻(xiàn)［2］提出了當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障解列時機組孤網(wǎng)運行時開放一次調(diào)頻限制的措施，但針對DEH本身的改進(jìn)因客觀條件限制無法實施。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多大型企業(yè)都有自備電廠，從經(jīng)濟(jì)性和社會其他因素的考慮，會選擇孤網(wǎng)運行，這就需要DEH能夠適應(yīng)孤網(wǎng)運行的特點，以保證小網(wǎng)的頻率穩(wěn)定，為企業(yè)的主業(yè)生產(chǎn)提供穩(wěn)定電能。

經(jīng)過近些年的發(fā)展，國產(chǎn)DCS系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到火電機組生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)，技術(shù)日趨成熟，為DEH的研制和應(yīng)用提供了很好的平臺。在LN2000分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)了具有孤網(wǎng)運行方式的DEH系統(tǒng)，并在某公司兩臺60 MW機組應(yīng)用取得成功。

1 DEH控制策略分析

1.1 孤網(wǎng)方式控制策略

常規(guī)DEH控制系統(tǒng)是80年代引進(jìn)的美國西屋公司的技術(shù)，而其技術(shù)主要是應(yīng)用于大電網(wǎng)中的機組，鑒于大電網(wǎng)和孤網(wǎng)的特點不同，需要對其進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)孤網(wǎng)運行的特點。在孤網(wǎng)運行方式下，機組啟動達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后可以并網(wǎng)，并網(wǎng)后控制電網(wǎng)頻率，在負(fù)荷變化的情況下自動保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，實現(xiàn)一次調(diào)頻功能。運行人員關(guān)注的問題不是負(fù)荷調(diào)整，而是通過操作DEH系統(tǒng)的給定值調(diào)整孤網(wǎng)頻率，使之維持在額定頻率附近，完成二次調(diào)頻。由于孤網(wǎng)容量較小，DEH系統(tǒng)應(yīng)具有更高的靈敏度，更小的遲緩率和更快的動態(tài)響應(yīng)［3］。

在大網(wǎng)中，電網(wǎng)調(diào)度會對每臺發(fā)電機組下達(dá)負(fù)荷指令，所以常規(guī)DEH在機組并網(wǎng)后，控制方式多為功率控制方式、協(xié)調(diào)控制方式等，這些控制方式的控制目的都為控制機組負(fù)荷。常規(guī)DEH網(wǎng)頻的調(diào)整由一次調(diào)頻來完成，而且一次調(diào)頻的投入負(fù)荷范圍和調(diào)節(jié)幅度都有一定限度，一般來講，一次調(diào)頻都會設(shè)定調(diào)頻死區(qū)。常規(guī)DEH面向的是大電網(wǎng)，大電網(wǎng)一般不要求上網(wǎng)機組參與二次調(diào)頻，所以常規(guī)DEH不設(shè)計自動二次調(diào)頻功能。常規(guī)DEH的OPC設(shè)定動作值為額定轉(zhuǎn)速的103%（3 090 r／min），當(dāng)機組轉(zhuǎn)速到達(dá)OPC動作值，汽輪機主蒸汽調(diào)節(jié)閥門和再熱蒸汽調(diào)節(jié)閥門都會關(guān)閉，等機組轉(zhuǎn)速低于OPC動作值后才會打開。

以控制負(fù)荷為目的的控制方式在孤網(wǎng)運行時已經(jīng)不適用［4］。孤網(wǎng)運行的負(fù)荷是由實際所需負(fù)荷決定，所以在孤網(wǎng)運行中，DEH的控制對象應(yīng)為轉(zhuǎn)速（或頻率），使得孤網(wǎng)的頻率穩(wěn)定在50Hz（3000r／min），頻率越穩(wěn)定，說明DEH的調(diào)節(jié)效果越好。取消功率控制方式等控制負(fù)荷的閉環(huán)回路，孤網(wǎng)運行下DEH的控制應(yīng)為閥位控制，具有孤網(wǎng)運行方式的DEH系統(tǒng)要求響應(yīng)速度更快。

1.2 提高系統(tǒng)響應(yīng)速度措施

通過增大伺服控制系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)可以減小油動機時間。但過大的放大倍數(shù)會造成伺服系統(tǒng)振蕩。對于常見的積分型油動機，伺服控制器采用比例調(diào)節(jié)器，這樣可有效減小油動機時間常數(shù)。油動機的響應(yīng)時間應(yīng)小于0.3 s。

縮短DEH運算周期。將調(diào)節(jié)周期及延遲時間縮短到50 ms以內(nèi)，可使發(fā)電機組甩負(fù)荷時轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)基本與連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)相當(dāng)。將一次調(diào)頻轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)回路算法獨立出來，組成一個調(diào)節(jié)周期為50 ms的快速調(diào)節(jié)任務(wù)。它們包括轉(zhuǎn)速測量比較、不等率計算、修改總閥位給定、閥門曲線修正、閥門分配管理最終將各閥位給定輸出到伺服板。

修正閥門流量特性曲線。閥門流量特性曲線的死區(qū)會對調(diào)速系統(tǒng)的相應(yīng)速度造成極大的影響，故在孤網(wǎng)狀態(tài)下，閥門流量特性曲線是否符合閥門特性直接影響調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。如發(fā)現(xiàn)閥門調(diào)節(jié)存在死區(qū)，必須對其進(jìn)行修正。

1.3 一次調(diào)頻和二次調(diào)頻

減小調(diào)頻死區(qū)，改善頻率的動態(tài)響應(yīng)。考慮到頻繁出現(xiàn)的微量電網(wǎng)功率余缺，可依賴電網(wǎng)的自然調(diào)頻特性來調(diào)節(jié)供電頻率。但為避免機組功率頻繁波動，可人為設(shè)置一定的調(diào)頻死區(qū)。將一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)為±1 r／min，在單機孤網(wǎng)工況時，應(yīng)將調(diào)頻死區(qū)去掉。

優(yōu)化調(diào)頻限幅。機組轉(zhuǎn)速降低，在一次調(diào)頻作用下開大調(diào)節(jié)閥，利用鍋爐蓄能的支持可增大發(fā)電功率。若鍋爐蓄能不足，可能會使蒸汽壓力下降過大。另外若調(diào)節(jié)閥開度過大，也可能使發(fā)電機功率過大。故可在加負(fù)荷方向上設(shè)置適當(dāng)?shù)南拗?。但為避免機組超速在關(guān)調(diào)節(jié)閥方向必須無任何限制（單機孤網(wǎng)在黑啟動時，調(diào)頻下限應(yīng)由機組負(fù)荷決定，不能無限制）。

一次調(diào)頻對功率的調(diào)整是有差調(diào)節(jié)，即功率的變化是以頻率的偏差為代價，為了使孤網(wǎng)頻率回到50 Hz，必須對調(diào)節(jié)回路中的功率給定進(jìn)行調(diào)整。

二次調(diào)頻為轉(zhuǎn)速PID控制，它在孤網(wǎng)運行時對負(fù)荷擾動具有良好的適應(yīng)性，能自動根據(jù)不平衡功率調(diào)節(jié)機組出力，在機組調(diào)節(jié)范圍內(nèi)實現(xiàn)無差調(diào)頻。二次調(diào)頻的PID參數(shù)整定建議頻率的快速調(diào)節(jié)主要在一次調(diào)頻中實現(xiàn)，故二次調(diào)頻中無需設(shè)置比例作用，積分作用是實現(xiàn)誤差調(diào)節(jié)，如設(shè)置太強，會引發(fā)孤網(wǎng)頻率震蕩，應(yīng)適當(dāng)減小積分作用。微分作為比例和積分的一個補充，主要作用在機組負(fù)荷徒增或者徒減時，實現(xiàn)對頻率的壓制或者提升。

1.4 OPC功能

鑒于孤網(wǎng)運行的特點，如OPC動作會造成負(fù)荷的大幅波動，OPC的反復(fù)動作對于孤網(wǎng)的頻率穩(wěn)定起到了破壞作用，故OPC在并網(wǎng)后，根據(jù)實際情況采用兩種方式。1）直接取消OPC動作功能，或者提供OPC動作值至3 300 r／min，讓其與110%超速同時動作，單機孤網(wǎng)工況時，OPC的控制功能必須取消。2）采用轉(zhuǎn)速加速度來觸發(fā)OPC，避免OPC在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速過程中的反復(fù)動作。

2 DEH系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)配置

具有孤網(wǎng)運行方式的DEH系統(tǒng)采用了LN2000分散控制系統(tǒng)作為平臺，充分利用LN2000控制系統(tǒng)的軟硬件方面的優(yōu)勢，軟件方面在常規(guī)DEH邏輯基礎(chǔ)上，結(jié)合孤網(wǎng)運行的特點，完善一次調(diào)頻功能，增加二次調(diào)頻功能，優(yōu)化OPC功能設(shè)計，開發(fā)具有孤網(wǎng)運行方式的DEH系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，系統(tǒng)配置了1臺工程師站和1臺操作員站，1對冗余控制器，在常規(guī)DEH系統(tǒng)配置的基礎(chǔ)上，硬件配置方面增加調(diào)頻模塊，配合伺服模塊實現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥門的控制。以單抽純凝機組為例，系統(tǒng)配置見表1。

2.2 轉(zhuǎn)速測量

轉(zhuǎn)速測量由超速保護(hù)模塊完成。汽輪機測速采用了3個磁阻式探頭，探頭產(chǎn)生的信號分別送入3個超速保護(hù)模塊測得汽輪機的轉(zhuǎn)速。根據(jù)保護(hù)邏輯快速發(fā)出可靠的汽輪機超速保護(hù)信號，通過繼電器輸出驅(qū)動超速保護(hù)電磁閥和危急遮斷電磁閥，實現(xiàn)汽輪機超速保護(hù)功能，同時將整形處理后的轉(zhuǎn)速信號輸出到控制器。

圖1 系統(tǒng)配置圖

表1 系統(tǒng)配置

汽輪機轉(zhuǎn)速測量齒輪是影響測量精度和測量周期的一個重要因素。在轉(zhuǎn)速測量算法中，通過計數(shù)器的計數(shù)值與占用時間比值計算轉(zhuǎn)速，測速齒輪的加工精度會影響測量精度，選擇與測速齒輪齒數(shù)整倍數(shù)相同的計數(shù)值可以消除其影響。測量周期為汽輪機旋轉(zhuǎn)一周的時間，當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速為3 000 r／min時，測量周期為20 ms。

2.3 伺服模塊

伺服模塊用于閉環(huán)控制系統(tǒng)氣動或液動伺服的閥位控制。輸入指令4～20 mA，指令與LVDT反饋閥位信號進(jìn)行P或PI調(diào)節(jié)之后，輸出±40 mA電流去驅(qū)動伺服閥。伺服模塊主要由2路LVDT信號調(diào)制解調(diào)電路、電壓／電流轉(zhuǎn)換電路、比例積分運算模擬電路等組成。其功能如下：具有LVDT適配器電路，振幅可調(diào)；兩路LVDT信號輸入，對應(yīng)輸出兩路4～ 20 mA閥位信號，零點及滿量程可分別調(diào)整；兩路LVDT信號取大后與DEH來控制信號進(jìn)行比較；可外接停機接點；可調(diào)整的比例，積分調(diào)節(jié)回路；面板上帶有開門／關(guān)門狀態(tài)指示。

2.4 控制算法

DEH系統(tǒng)采用全新的掃描方式，系統(tǒng)對邏輯塊自動排序，避免了邏輯運算中的逆序，此種掃描方式保證了DEH控制系統(tǒng)具有更高的靈敏度和更快的動態(tài)響應(yīng)。增加甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速壓制功能。孤網(wǎng)運行中外部設(shè)備的突然停運或者故障等極端工況，會使得孤網(wǎng)的網(wǎng)頻造成飛升，如DEH無法對機組轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效的壓制，電網(wǎng)會崩潰。研發(fā)了甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速控制功能塊，對孤網(wǎng)運行中的甩負(fù)荷等極端工況下的網(wǎng)頻實現(xiàn)有效控制。

具有孤網(wǎng)運行方式的DEH一次調(diào)頻和二次調(diào)頻組態(tài)如圖2所示。機組并網(wǎng)以后，人工或自動投入調(diào)頻功能，實現(xiàn)一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速控制。一次調(diào)頻功能為根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值與實際轉(zhuǎn)速測量值之間的偏差，經(jīng)過一次調(diào)頻函數(shù)運算后進(jìn)行放大得出一次調(diào)頻的調(diào)頻量。一次調(diào)頻按照轉(zhuǎn)速不等率5%設(shè)定，不設(shè)置下限（孤網(wǎng)單機運行除外），放大倍數(shù)可根據(jù)機組運行實際情況設(shè)定。甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速控制功能是根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值與實際轉(zhuǎn)速測量值之間的偏差，經(jīng)過轉(zhuǎn)速壓制函數(shù)運算后進(jìn)行一定的放大倍數(shù)得出甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速壓制的調(diào)頻量。轉(zhuǎn)速壓制函數(shù)要設(shè)定一定的死區(qū)，一般為10～20 r／min，或者更大，轉(zhuǎn)速偏差越大函數(shù)斜率越大。放大倍數(shù)一般設(shè)定為“1”，除特殊情況，不輕易放大。二次調(diào)頻功能是根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值與實際轉(zhuǎn)速測量值之間的偏差，經(jīng)過PID運算后得出二次調(diào)頻量。三者調(diào)頻量相加得出機組調(diào)頻量，加到DEH閥門流量值，實現(xiàn)對機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

圖2 一次調(diào)頻和二次調(diào)頻組態(tài)

3 具有孤網(wǎng)運行方式的DEH系統(tǒng)應(yīng)用

在方案實施過程中，孤網(wǎng)方式下DEH的調(diào)試過程主要涉及的參數(shù)設(shè)置包括伺服模塊、一次調(diào)頻、二次調(diào)頻等。

伺服模塊的比例設(shè)置。汽輪機多配套積分型油動機，伺服控制器采用比純比例調(diào)節(jié)。設(shè)置時可先把比例值逐步增大，直到調(diào)節(jié)閥門產(chǎn)生振蕩，然后再逐步減小比例值，直到振蕩消除。

一次調(diào)頻的參數(shù)設(shè)置。調(diào)頻的轉(zhuǎn)速不等率一般設(shè)置為5%；死區(qū)的設(shè)置可在調(diào)試中從1 r／min逐步減小，觀察負(fù)荷的動態(tài)曲線，如負(fù)荷不頻繁波動，則可不設(shè)置死區(qū)；另外在單機孤網(wǎng)中，如遇黑啟動情況，一次調(diào)頻的幅度應(yīng)有限制，可根據(jù)機組所帶負(fù)荷的大小決定調(diào)頻的幅度，避免一次調(diào)頻在動作時，甩負(fù)荷過大，電網(wǎng)崩潰。

二次調(diào)頻的參數(shù)設(shè)置。二次調(diào)頻是一次調(diào)頻的輔助，需配合使用。二次調(diào)頻的積分值設(shè)置范圍一般為3～8，如積分過大，會產(chǎn)生振蕩。微分的設(shè)置不易過大，一般微分的設(shè)定范圍為0～2。如有條件可進(jìn)行100%或50%甩負(fù)荷試驗，進(jìn)一步驗證調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)速度、控制精度等技術(shù)參數(shù)。

2011年此套系統(tǒng)首次應(yīng)用，通過數(shù)臺機組的驗證，在孤網(wǎng)運行中，面對各種工況，調(diào)速系統(tǒng)都能滿足生產(chǎn)要求。如圖3所示，某公司機組在單機運行，負(fù)荷為49.36 MW，主蒸汽壓力為8.84 MPa、轉(zhuǎn)速為3 003 r／min。此時用電設(shè)備跳閘，甩掉負(fù)荷27 MW，DEH甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速壓制功能模塊迅速動作，高調(diào)門指令瞬間下降，機組轉(zhuǎn)速得到壓制，最高升至3 067 r／min后逐步回調(diào)，3 min內(nèi)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定至3 000 r／min。

圖3 孤網(wǎng)運行DEH趨勢圖

4 結(jié)語

采用了LN2000分散控制系統(tǒng)作為平臺，充分利用LN2000控制系統(tǒng)的軟硬件方面的優(yōu)勢，軟件方面在常規(guī)DEH邏輯基礎(chǔ)上，結(jié)合孤網(wǎng)運行的特點，完善一次調(diào)頻功能，增加二次調(diào)頻功能，優(yōu)化OPC功能設(shè)計，開發(fā)了具有孤網(wǎng)運行方式的DEH系統(tǒng)。生產(chǎn)應(yīng)用表明，此系統(tǒng)可滿足孤網(wǎng)運行下的各種工況要求。

［1］李俊.火電廠單機帶孤網(wǎng)運行控制策略［J］.中國電力，2008，41（11）：51-54.

［2］何杰，項耀華.孤網(wǎng)方式下火電機組的應(yīng)對措施［J］.江西電力，2009，33（3）：26-27.

［3］劉起超.汽輪機孤網(wǎng)運行控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

［4］蔡筍，馮永新.孤網(wǎng)運行頻率穩(wěn)定控制策略分析研究［J］.廣東電力，2012，25（2）：16-19.

Design and Application of DEH System with Isolated Network Operation Mode

According to the operation characteristics of the isolated network，we described the difference of DEH system control strategy between the traditional net and the isolated network in detail.We introduced the design scheme of DEH system of thermal power unit with the isolated network operation mode.In addition，we illustrated the feasibility of DEH system design scheme with isolated network operation mode.

turbine digital electro-hydraulic control system；isolated network operation；rotating speed control；design

TK263.7

：B

：1007－9904（2014）05－0077－04

2014-06-06

楊文強（1976—），男，工程師，從事火電廠熱工自動化生產(chǎn)管理工作；

雷文濤（1978—），男，工程師，從事火電廠控制系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試工作；

王林（1974—），男，工程師，從事火電廠機組運行工作。