火電汽輪機高調(diào)門調(diào)頻能力的實時評估方法

寧有智， ，，，，

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057; 2.哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程博士后流動站，黑龍江 哈爾濱 150001; 3.哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程及自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001; 4.大唐東北電力試驗研究所有限公司，吉林 長春 130012)

0 引言

目前，火電機組主要依靠高調(diào)門動作參與調(diào)頻任務(wù)。然而，大規(guī)模新能源電力的并網(wǎng)消納使得更多的大功率火電機組更為頻繁地參與調(diào)頻運行，甚至包括大量原本以熱定電的供熱機組[1]；因此，參與負荷調(diào)節(jié)的高調(diào)門驅(qū)動連接件的可靠性面臨嚴峻考驗[2]，硬件磨損加大導致故障率增加。當高調(diào)門存在硬件連接故障時會導致汽輪機在順序閥運行方式下發(fā)生負荷突變、振蕩等影響機組調(diào)頻功能的問題[3-4]。

目前，能源結(jié)構(gòu)特殊性決定了中國火電調(diào)頻的必要性，所以國際上的成果大多為中國學者所發(fā)表；因此，國內(nèi)此方面的相關(guān)研究現(xiàn)狀基本可以體現(xiàn)國際主流研究方向。并且，大部分學者的研究重點都集中在高調(diào)門流量特性曲線設(shè)計、閥門重組解決機組軸系失穩(wěn)故障以及主蒸汽壓力尋優(yōu)等方面[5-6]。同時，也有一部分學者關(guān)注汽輪機的一次調(diào)頻能力[7]。文獻[8]研究了補汽閥調(diào)節(jié)、低壓加熱器、高壓加熱器回熱系統(tǒng)及抽汽供熱系統(tǒng)蓄能利用等技術(shù)，綜合利用上述技術(shù)可以在高壓調(diào)節(jié)門全開方式下，當電網(wǎng)低頻動作時較快地增加相應(yīng)負荷，滿足一次調(diào)頻性能要求。文獻[9]在數(shù)學解析式基礎(chǔ)上對不同環(huán)境溫度和迎面風速下含空冷機組的電力系統(tǒng)調(diào)頻能力數(shù)值進行計算及分析。文獻[10]為了表征調(diào)頻死區(qū)對電網(wǎng)一次調(diào)頻能力的影響，提出利用均方差定義電網(wǎng)一次調(diào)頻能力指標。然而，對于調(diào)速系統(tǒng)卡澀等硬件故障引發(fā)的調(diào)頻能力降低問題研究較少[11]。文獻[12]針對順序閥方式下由于汽輪機調(diào)門硬件連接不緊密問題而導致的負荷突變故障，提出了基于高調(diào)門開關(guān)試驗的有效診斷方法，可快速對故障進行測試診斷、有效判斷出故障的類別和原因。然而，由于試驗過程需要時間和一定的技術(shù)處理手段，對于通過調(diào)門實際故障預警來評估機組調(diào)頻能力就存在不足。雖然，實際中存在高調(diào)門問題而引發(fā)的負荷突變故障案例，但是研究者都將研究重點集中在機理揭示和有效解決措施提出等方面。而如何通過調(diào)門硬件故障預警來評估機組調(diào)頻能力，目前公開文獻資料對其詳盡闡述的較少。

本文針對汽輪機順序閥方式下由于高調(diào)門硬件問題導致的機組負荷經(jīng)常失控、不滿足實時調(diào)頻需求的問題，提出了一種基于通過增加高調(diào)門閥后壓力測點的高調(diào)門調(diào)頻能力實時評估方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在不進行專門實驗的基礎(chǔ)上有效識別經(jīng)常發(fā)生的由高調(diào)閥硬件鏈接松動等導致汽輪機調(diào)頻能力下降的問題。最后，還進行了典型案例分析驗證試驗。

1 機組高調(diào)門的調(diào)頻能力受限機理及傳統(tǒng)測試方法局限性

1.1 調(diào)頻能力受限機理分析

硬件故障導致調(diào)頻能力受限的問題研究較少，文獻[12]針對高調(diào)門連接部件松動問題為例進行了較為細致的闡述。如圖1所示，高調(diào)門在正常無故障狀態(tài)下的位置如圖1(b)所示，當閥桿與閥頭出現(xiàn)連接不緊密故障時，閥桿提升時就會出現(xiàn)空行程；如圖1(a)所示，即閥桿提升而閥頭的位置不變。如圖1(d)所示，閥頭組件本身受到一個向下的重力G和一個向上的汽流力F；當機組主蒸汽壓力降低至某一合適值時，作用在閥頭的汽流支撐力F會小于閥頭組件的重力G，此時閥頭組件就會掉落至圖1(c)所示的位置，相當于閥門開度自動突然關(guān)小，導致機組出現(xiàn)負荷失控。機組存在此硬件問題時，即便是在單閥方式下負荷失控現(xiàn)象也是不可避免的。因此，機組參與AGC和一次調(diào)頻的能力受到了極大的限制和影響。

圖1 負荷突變故障機理示意圖[12]

1.2 試驗測試方法及局限性

實際中，對于高壓調(diào)節(jié)閥門故障引發(fā)的機組負荷突變問題，文獻[12]提出了一種基于高調(diào)門開關(guān)試驗的診斷方法。該方法通過采集DCS數(shù)據(jù)進行精確分析，基于弗留蓋爾公式進行相對流量計算，從而判斷是否存在故障。實際應(yīng)用案例顯示：該方法采用對角開關(guān)測試，不僅有利于機組的軸系穩(wěn)定性，保證試驗過程的機組安全性；同時，還能夠快速有效測試診斷由于高調(diào)門軟硬件故障而引發(fā)的機組負荷突變問題；最終，還能對機組的高調(diào)門順序閥流量特性曲線進行校核，極具應(yīng)用價值。

然而，對于實際智能電廠所需的故障預警及機組調(diào)頻能力評估問題，該方法就存在時效性缺陷。即該方法只能用于事后診斷，而不能及時預警一些機組部件松動、及時評估調(diào)門組件的調(diào)頻能力。

2 實時評估方法及案例分析

2.1 實時評估方法

根據(jù)上一節(jié)的硬件故障基本原理，調(diào)門硬件故障發(fā)生時對流量特性是會產(chǎn)生影響的。因此，不論是預警硬件故障(閥門關(guān)鍵部件松動、脫落等)還是預警軟件故障(流量特性發(fā)生偏移)，都是汽輪機調(diào)頻能力下降的一種體現(xiàn)；因此，實時監(jiān)測調(diào)門的軟件和硬件故障都可以對汽輪機高調(diào)門的調(diào)頻能力進行實時評估；當有影響調(diào)頻能力的故障將要發(fā)生時，及時對故障征兆進行提示和預警，便于采取有效措施保證機組的調(diào)頻能力實時處于最優(yōu)。

由于壓力是閥門的一個關(guān)鍵表征參數(shù)，然而目前閥門的壓力測點只有閥前有，而閥后沒有，因此，可以通過增加閥后壓力測點來完善閥門的狀態(tài)監(jiān)測；并且，閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)部件有異常時，閥前壓力是基本不變的，但是閥后壓力是會發(fā)生變化的。所以，從閥門的內(nèi)部流場基本原理來看，增加閥后壓力測點是調(diào)門調(diào)頻能力實時評估的一種可行方式。

2.2 實際案例分析

2.2.1 驗證試驗設(shè)計及操作過程

為了更好的印證該方法的有效性，以一臺200 MW供熱機組為例，采用文獻[12]已經(jīng)驗證過的有效方法作為對比。如圖2所示，為機組的噴嘴布置圖，以此來確定調(diào)門開關(guān)順序及組合。

實際中，需要注意每一步高壓調(diào)節(jié)閥門開度的調(diào)整量要盡可能小，如果某種閥門順序開啟試驗的振動、瓦溫、瓦振等一者發(fā)生異常、可能危害機組安全，則迅速停止該種試驗，然后進行下一種試驗。此外，試驗過程中的異常處理方式，也參考文獻[12]。如圖3所示，結(jié)合文獻[12]的方法，依次進行如下的閥門順序開關(guān)試驗；關(guān)鍵點在于設(shè)計對角開關(guān)試驗，確保機組的軸系穩(wěn)定性、試驗過程中的機組安全性。

圖2 機組的噴嘴布置圖

圖3 文獻[12]中的試驗法測試過程

圖4 機組GV2開關(guān)過程出現(xiàn)的負荷失控故障

2.2.2 試驗結(jié)果及分析

試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)4個高調(diào)門都有不同程度的間隙故障，其中以GV2的故障最為嚴重，出現(xiàn)兩次明顯的故障現(xiàn)象，如圖4所示。通過文獻[12]的計算方法可以看出：GV2在30%開度時，開度增加但流量先降后增，流量波動值變化占整個調(diào)門流量的13%左右；而在43%開度處，有負荷突變(占整個調(diào)門流量的10%左右)，如圖5所示。

圖5 高調(diào)門GV2開度與實際流量的關(guān)系

圖6 高調(diào)門GV2故障時的運行參數(shù)

實際中，如果調(diào)門動作緩慢一些，負荷突變會再小一些；雖然這也影響機組的調(diào)頻能力，運行人員就比較難以發(fā)現(xiàn)問題所在。相比之下，采用本文提出的增加閥后壓力測點的方法，就很容易看出這兩個負荷突變的存在；如圖6所示，兩個閥后壓力測點變化圖分別與圖4中的兩個圖相對應(yīng)。因為閥后壓力的相對變化量是比較大的；此外，閥后壓力在日常運行中作為一個檢測變量，可以用來實時評估機組調(diào)門的調(diào)頻能力；尤其是機組調(diào)門存在小的間隙、對負荷影響小于2 MW時，也可以通過觀察閥后壓力來判斷故障點在哪一個調(diào)門以及故障嚴重程度。

3 結(jié)論及展望

火電機組參與電網(wǎng)調(diào)頻的關(guān)鍵部件是汽輪機高調(diào)門，本文通過順序閥方式下出現(xiàn)的由于汽輪機高調(diào)門硬件問題導致的機組負荷控制不穩(wěn)定而不滿足調(diào)頻需求的問題進行研究，得到的結(jié)論如下：

(1)提出了一種基于通過增加高調(diào)門閥后壓力測點的高調(diào)門調(diào)頻能力實時評估方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在不進行專門實驗的基礎(chǔ)上有效識別經(jīng)常發(fā)生的由高調(diào)閥硬件鏈接松動等導致汽輪機調(diào)頻能力下降的問題。

(2)實際機組案例數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，該方法對于實際故障的預警及處理更有實效性，這對機組調(diào)頻能力在線評估具有一定的借鑒意義。

后期，還將繼續(xù)對機組一次調(diào)頻能力提升和改善的可視化表征及實時監(jiān)測方法進行更深入研究。

[1]鄧拓宇,田亮,劉吉臻.利用熱網(wǎng)儲能提高供熱機組調(diào)頻調(diào)峰能力的控制方法[J].中國電機工程學報,2015,35(14):3626-3633.

[2]呂雪霞,李照忠,邢媛,等.600 MW亞臨界空冷機組汽輪機高調(diào)門擺動問題的分析及解決方案[J].節(jié)能技術(shù),2012,30(3):258-261.

[3]趙婷,薄利明,萬杰,等.由高調(diào)門特性問題引發(fā)的汽輪機負荷失控故障診斷[J].汽輪機技術(shù),2017,59(1):70-74.

[4]宋崇明,劉嬌,馬世喜,等.亞臨界330 MW供熱機組汽輪機高調(diào)門大幅高頻擺動問題的分析及解決[J].節(jié)能技術(shù),2012,30(6):527-531.

[5]尚星宇,何永君,王瑞,等.基于數(shù)據(jù)擬合的汽輪機調(diào)節(jié)閥流量特性優(yōu)化[J].熱力發(fā)電,2017,46(3):121-125.

[6]段巖峰,于達仁,崔穎,等.汽輪機功率控制模式切換引發(fā)軸系振動異常的機理分析及實驗研究[J].汽輪機技術(shù),2014,56(4):269-271.

[7]俞金樹.大流量抽汽工況下汽輪機運行方式綜合優(yōu)化策略[J].熱能動力工程,2017,32(6):123-128.

[8]祝建飛,沈叢奇,姚峻,等.汽輪機組經(jīng)濟運行方式下新型一次調(diào)頻技術(shù)[J].中國電力,2017,50(5):144-150.

[9]董中杰,張冬蕊,郭鈺鋒.空冷機組氣候敏感特性對區(qū)域電網(wǎng)一次調(diào)頻能力的影響研究[J].汽輪機技術(shù),2017,59(2):125-127.

[10]賀穎,潘楊,陶騫,等.考慮調(diào)頻死區(qū)的電網(wǎng)一次調(diào)頻能力評價指標[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2016,44(19):85-90.

[11]田鶴年.汽輪機調(diào)門卡澀跌負荷故障一例[J].華東電力,1988(9):46-47.

[12]萬杰,張宏學,鄒鐵軍,等.汽輪機高調(diào)門硬件問題引發(fā)的負荷突變故障及其診斷測試方法[J].汽輪機技術(shù),2015(4):241-245.