汽輪機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)適應(yīng)性的優(yōu)化

王彩霞，孫振川，閆越

近年來，隨著國外工程的拓展，配套建設(shè)自備電站的項(xiàng)目越來越多。項(xiàng)目所在地電網(wǎng)的不穩(wěn)定性對(duì)汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高要求。汽輪機(jī)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定能力對(duì)電站供電穩(wěn)定性和設(shè)備安全都相當(dāng)重要。

本文就國外某項(xiàng)目在當(dāng)?shù)夭环€(wěn)定電網(wǎng)（含孤網(wǎng)）的條件下，汽輪機(jī)組在運(yùn)行過程中調(diào)速系統(tǒng)所遇到的問題和解決方法進(jìn)行介紹，供同行參考。

1　電網(wǎng)狀況及運(yùn)行模式

本項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模為30MW，項(xiàng)目所在地有電網(wǎng)，但電網(wǎng)的穩(wěn)定性很差，經(jīng)常存在±1HZ的頻率波動(dòng)。由于工廠內(nèi)大電機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷較大，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)汽輪機(jī)機(jī)組沖擊較大。為提高供電的可靠性，該項(xiàng)目汽輪機(jī)平時(shí)處于孤網(wǎng)模式，啟動(dòng)大電機(jī)時(shí)需要先并網(wǎng)，以減少對(duì)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的沖擊。

2　運(yùn)行中存在的問題

本項(xiàng)目汽輪機(jī)采用美國Woodward 505電液調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。汽輪機(jī)組在孤網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)下，采用頻率控制模式，運(yùn)行較為穩(wěn)定，可以做到甩負(fù)荷6MW，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升＜50r/min。

在啟動(dòng)大電動(dòng)機(jī)前，需要與外部電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)，該情況下需要采用功率控制模式。由于外部電網(wǎng)頻率不穩(wěn)定，并網(wǎng)后汽輪機(jī)輸出功率波動(dòng)劇烈，汽輪機(jī)進(jìn)汽閥桿劇烈抖動(dòng)。當(dāng)兩種模式進(jìn)行切換時(shí)，機(jī)組發(fā)電負(fù)荷同樣存在波動(dòng)劇烈的現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

3　解決方法

3.1　消除電網(wǎng)波動(dòng)帶來的汽輪機(jī)機(jī)組輸出功率的波動(dòng)

供貨商Woodward汽輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的相關(guān)控制原理見圖1。

孤網(wǎng)模式下，電網(wǎng)斷路器斷開，解列發(fā)電功率補(bǔ)償模塊，控制器自動(dòng)切換至頻率控制模式。當(dāng)發(fā)電機(jī)出口斷路器和電網(wǎng)斷路器同時(shí)閉合時(shí)，Woodward 505通過發(fā)電功率補(bǔ)償模塊將實(shí)測(cè)發(fā)電功率按照不等率換算相應(yīng)的轉(zhuǎn)速差值，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速PID根據(jù)汽輪機(jī)給定轉(zhuǎn)速、實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速和功率轉(zhuǎn)速差值的比較結(jié)果控制汽輪機(jī)。

上述轉(zhuǎn)速PID采集的信號(hào)為汽輪機(jī)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速，當(dāng)采用頻率控制模式時(shí)，可以有效控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，防止超頻/低頻現(xiàn)象發(fā)生。但當(dāng)其轉(zhuǎn)換為并網(wǎng)模式時(shí)，由于汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速受外部電網(wǎng)控制，當(dāng)外部電網(wǎng)頻率高時(shí)，汽輪機(jī)的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速也相應(yīng)升高，轉(zhuǎn)速差變?。ㄆ啓C(jī)給定轉(zhuǎn)速與汽輪機(jī)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速差），造成轉(zhuǎn)速PID輸出持續(xù)為負(fù)值，汽輪機(jī)主汽門持續(xù)關(guān)小，發(fā)電機(jī)功率持續(xù)降低，直至達(dá)到新的平衡；反之當(dāng)外部電網(wǎng)頻率低時(shí)，主汽門持續(xù)開大，發(fā)電功率持續(xù)增大。

圖1　Woodward 505功率/頻率切換控制轉(zhuǎn)速PID

圖2　更改后的Woodward 505功率/頻率切換控制轉(zhuǎn)速PID

這種模式使汽輪機(jī)具有補(bǔ)償電網(wǎng)頻率波動(dòng)的功能，適用于向電網(wǎng)供電的中大型電站。由于自備電站汽輪機(jī)規(guī)模普遍偏小，無法有效抗衡外部電網(wǎng)波動(dòng)，上述配置會(huì)造成汽輪機(jī)波動(dòng)大，易產(chǎn)生汽輪機(jī)振動(dòng)，甚至拖垮自備電站機(jī)組。

針對(duì)上述自備電站的特點(diǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)速PID系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，將給定的發(fā)電功率按照不等率轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速值，同時(shí)與汽輪機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速累加，作為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速給定值，有效地解決了汽輪機(jī)組輸出功率受電網(wǎng)波動(dòng)的影響，具體改變見圖2。

3.2　消除頻率/功率切換過程中帶來的波動(dòng)

3.2.1當(dāng)電網(wǎng)斷路器信號(hào)消失，機(jī)組控制模式由功率控制模式變?yōu)轭l率控制模式

Woodward 505內(nèi)部組態(tài)關(guān)于電網(wǎng)斷路器的設(shè)置可選擇作為電網(wǎng)斷路器信號(hào)消失，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速給定值保持汽輪機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，并且以1r/s的速率變化至3 000r/min。在這種模式下切換，機(jī)組基本上不存在波動(dòng)。

3.2.2當(dāng)電網(wǎng)斷路器信號(hào)出現(xiàn)，機(jī)組控制模式由頻率控制模式轉(zhuǎn)變?yōu)楣β士刂颇Ｊ?/p>

由于Woodward 505內(nèi)部未設(shè)置自動(dòng)跟蹤，在頻率控制模式下，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速給定值需實(shí)時(shí)跟蹤發(fā)電機(jī)實(shí)測(cè)值，并轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速值，從而保證頻率模式無擾切換至功率控制模式?！?/p>