300?MW汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大的原因分析及解決措施

陳穎澤，李 峰

(陜西寶雞第二發(fā)電有限公司，陜西 寶雞 721405)

0 引言

某電廠I期4臺(tái)300?MW汽輪機(jī)采用東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N 300—16.7/537/537—4型(合缸)亞臨界、中間再熱、兩缸兩排汽、凝汽式汽輪機(jī)，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)采用東方汽輪機(jī)廠配套生產(chǎn)的純電調(diào)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)。由于I期4臺(tái)機(jī)組采用的美國(guó)西屋公司DCS控制系統(tǒng)老化，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行換代升級(jí)改造。1號(hào)機(jī)組改造后，在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)至 2?600-3?000?r/m in 過(guò)程中，轉(zhuǎn)速始終不太穩(wěn)定，且最高沖至3?090?r/m in，導(dǎo)致OPC超速保護(hù)動(dòng)作調(diào)門(mén)關(guān)閉。此后在該機(jī)組數(shù)次啟動(dòng)過(guò)程中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速均出現(xiàn)波動(dòng)、偏差大等問(wèn)題，DEH轉(zhuǎn)速控制無(wú)法滿(mǎn)足要求。

為徹底解決上述安全隱患，技術(shù)人員分析了DEH系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制策略、控制對(duì)象、DEH閥門(mén)特性曲線(xiàn)及實(shí)際開(kāi)度和控制邏輯，找出了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大的原因，并通過(guò)優(yōu)化控制邏輯、重新整定給定轉(zhuǎn)速升速率值、修改閥門(mén)特性參數(shù)以及增加轉(zhuǎn)速“軟著陸”邏輯等方法，使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速在DEH并網(wǎng)過(guò)程中得到平穩(wěn)控制。

1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理及邏輯

在汽輪發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前，DEH為轉(zhuǎn)速閉環(huán)無(wú)差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其設(shè)定點(diǎn)為給定轉(zhuǎn)速，給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算后，通過(guò)伺服系統(tǒng)控制油動(dòng)機(jī)開(kāi)度，使實(shí)際轉(zhuǎn)速隨給定轉(zhuǎn)速變化，并根據(jù)DEH的啟動(dòng)方式，由中壓調(diào)節(jié)閥ICV或高壓調(diào)節(jié)閥CV控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速。該廠汽輪機(jī)DEH的啟動(dòng)方式為并網(wǎng)前轉(zhuǎn)速由ICV和CV共同控制；并網(wǎng)后ICV全開(kāi)，由CV控制機(jī)組負(fù)荷。

在操作員設(shè)定給定轉(zhuǎn)速后，DEH邏輯自動(dòng)以操作員設(shè)定的升速率向給定轉(zhuǎn)速逼近；當(dāng)進(jìn)入臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，自動(dòng)將升速率改為400?r/m in快速過(guò)臨界。在升速過(guò)程中，通常需對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行中速、高速暖機(jī)，以減少熱應(yīng)力。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在(3?000±2)?r/m in 時(shí)，汽輪機(jī)定速。

2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大的原因分析

根據(jù)原閥門(mén)開(kāi)度-流量特性曲線(xiàn)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)并分析閥門(mén)特性曲線(xiàn)及控制邏輯，認(rèn)為在升速過(guò)程中造成轉(zhuǎn)速波動(dòng)大的主要原因有以下幾方面。

(1)?給定轉(zhuǎn)速計(jì)算回路存在問(wèn)題。在DEH邏輯中，給定轉(zhuǎn)速的升速率是由運(yùn)行設(shè)定升速值與定值A(chǔ)相除得到的；A值為換算時(shí)間系數(shù)，即為經(jīng)過(guò)升速率計(jì)算后在一定時(shí)間內(nèi)的汽輪機(jī)實(shí)際變化轉(zhuǎn)速。給定轉(zhuǎn)速按升速率計(jì)算后，得到給定轉(zhuǎn)速中間值，并與實(shí)際轉(zhuǎn)速求偏差，然后通過(guò)PID運(yùn)算后控制實(shí)際轉(zhuǎn)速。由于定值A(chǔ)與機(jī)組實(shí)際性能不符，造成轉(zhuǎn)速存在較大偏差。

(2)?汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制回路中PID的參數(shù)設(shè)置不理想，造成轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

(3)?汽輪機(jī)調(diào)門(mén)的開(kāi)度-流量特性設(shè)計(jì)不合理?？刂浦校?dāng)調(diào)節(jié)門(mén)輸出指令為0.1?%時(shí)，4個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥指令為9.5?%的開(kāi)度；流量特性曲線(xiàn)太陡，閥門(mén)開(kāi)度與流量曲線(xiàn)不合理，造成進(jìn)汽量突然增大，使轉(zhuǎn)速不能得到精確控制。

3 解決措施

(1)?對(duì)給定轉(zhuǎn)速計(jì)算邏輯的升速率進(jìn)行調(diào)整。在原升速率計(jì)算中，當(dāng)A值為600時(shí)，汽輪機(jī)實(shí)際升速速度為1?r/m in，速率太慢。在閥門(mén)剛剛開(kāi)啟時(shí)，因閥前壓力較大，稍有流量則會(huì)導(dǎo)致沖擊汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子速度不能得到精確控制。因此需要適當(dāng)降低A值，提高汽輪機(jī)實(shí)際升速速度。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)A值修改為450，汽輪機(jī)升速速度達(dá)到1.5?r/m in時(shí)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定，達(dá)到了消除升速過(guò)程中轉(zhuǎn)速偏差大的目的。

(2)?對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制回路中轉(zhuǎn)速PID中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，修改了PID控制器的PI參數(shù)，消除了升速過(guò)程中轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定現(xiàn)象。

(3)?在機(jī)組停運(yùn)后，通過(guò)對(duì)單閥加指令后就地觀察線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器(LVDT)的實(shí)際變化區(qū)間，觀察9.5?%開(kāi)度時(shí)調(diào)門(mén)的實(shí)際位置，根據(jù)閥門(mén)開(kāi)度-流量曲線(xiàn)，對(duì)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的輸出函數(shù)進(jìn)行修改，使閥門(mén)特性曲線(xiàn)更加合理，從而消除了機(jī)組升速過(guò)程中轉(zhuǎn)速波動(dòng)大的問(wèn)題。

(4)?增加轉(zhuǎn)速“軟著陸”邏輯——“剎車(chē)”函數(shù)f(x)，即當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 2?900?r/m in 時(shí)，通過(guò)“剎車(chē)”函數(shù)自動(dòng)判斷并減小機(jī)組升速率，將升速率由100?r/m in 降低為 60?r/m in；在轉(zhuǎn)速接近 3?000 r/m in時(shí)，再將升速率切換為50?r/m in，以避免機(jī)組超速。經(jīng)過(guò)這次邏輯優(yōu)化，DEH原啟動(dòng)中超速至3?090?r/m in的問(wèn)題沒(méi)有再發(fā)生。

4 試驗(yàn)調(diào)整過(guò)程

在1號(hào)機(jī)組啟動(dòng)轉(zhuǎn)速上升過(guò)程中，閥位總給定為0.1?%時(shí)，高調(diào)閥開(kāi)度即為9.5?%(東方汽輪機(jī)廠提供的開(kāi)度-流量函數(shù))，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速波動(dòng)，造成實(shí)際轉(zhuǎn)速比給定轉(zhuǎn)速約高100?r/m in。當(dāng)轉(zhuǎn)速給定值為 1?200?r/m in 時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速值在 1?280-1?310?r/m in。由于機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行，汽輪機(jī)調(diào)門(mén)進(jìn)氣量與機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)的調(diào)門(mén)開(kāi)度函數(shù)不匹配，需優(yōu)化轉(zhuǎn)速控制回路中的函數(shù)。經(jīng)過(guò)前期測(cè)量的調(diào)節(jié)閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度，即LVDT實(shí)際開(kāi)度為250?mm；當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度指令為0.1?%時(shí)，就地閥門(mén)開(kāi)度為9.5?%，即23.75?mm(其中控制死區(qū)為 0.2?%)。根據(jù)原閥門(mén)開(kāi)度-流量曲線(xiàn)，對(duì)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的輸出函數(shù)進(jìn)行修改，將開(kāi)度指令由0.1?%改為3?%，對(duì)應(yīng)就地實(shí)際開(kāi)度為9.5?%，使閥門(mén)特性曲線(xiàn)趨于平緩。此時(shí)觀察汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速不再波動(dòng)，當(dāng)汽輪機(jī)升速至2?000?r/m in時(shí)，偏差穩(wěn)定在2?r/m in以?xún)?nèi)。當(dāng)汽輪機(jī)升速至3?000?r/m in 時(shí)，還存在約 5?r/m in 的偏差。本次處理使汽輪機(jī)閥門(mén)特性曲線(xiàn)與實(shí)際開(kāi)度-流量曲線(xiàn)相符，達(dá)到了穩(wěn)定汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

針對(duì)在額定轉(zhuǎn)速下存在約5?r/m in的偏差，調(diào)整轉(zhuǎn)速控制PID參數(shù),將比例系數(shù)K由0.17修改為 0.28，積分時(shí)間Ti由 450?s修改為 1?000?s(微分時(shí)間Td為0，未做調(diào)整)后，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3?000?r/m in，滿(mǎn)足DEH轉(zhuǎn)速控制的要求。該機(jī)組在之后多次啟動(dòng)過(guò)程中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值與實(shí)際轉(zhuǎn)速跟蹤良好，沒(méi)有再出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大的現(xiàn)象，在整個(gè)升速過(guò)程中轉(zhuǎn)速偏差均能控制在±1?r/m in以?xún)?nèi)，實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的無(wú)差調(diào)節(jié)。

5 結(jié)束語(yǔ)

1號(hào)機(jī)組DEH轉(zhuǎn)速控制經(jīng)過(guò)調(diào)整升速率參數(shù)、重新整定轉(zhuǎn)速PID參數(shù)、優(yōu)化閥門(mén)特性曲線(xiàn)以及增加轉(zhuǎn)速“軟著陸”邏輯功能等，使得該機(jī)組在以后各次啟動(dòng)時(shí)，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)到并網(wǎng)前的過(guò)程中轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，再未出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大的現(xiàn)象，滿(mǎn)足了DEH汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制的要求。該方法在其他幾臺(tái)機(jī)組的DEH升級(jí)改造調(diào)試過(guò)程中得到了較好驗(yàn)證，也為解決其他同類(lèi)發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制提供了方法和經(jīng)驗(yàn)。

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