汽輪機(jī)高調(diào)門(mén)流量特性典型問(wèn)題及治理

張　興， 衛(wèi)平寶， 王　舜， 武海澄， 雷志偉

(1.大唐華東電力試驗(yàn)研究院， 安徽　合肥　230088；2.馬鞍山當(dāng)涂發(fā)電有限公司， 安徽　馬鞍山　243102)

1　概述

目前，各大型火電機(jī)組的汽輪機(jī)均采用汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)控制，DEH提供閥門(mén)管理和單/順閥切換功能。單閥方式下，各高調(diào)門(mén)開(kāi)度一致，汽輪機(jī)全周進(jìn)汽，有利于汽輪機(jī)本體均勻受熱受力，但低負(fù)荷工況下節(jié)流損失嚴(yán)重、經(jīng)濟(jì)性差，因此一般只在機(jī)組啟動(dòng)初期或投產(chǎn)初期使用。順序閥方式下，各高調(diào)門(mén)按一定順序開(kāi)啟，減小了因閥門(mén)開(kāi)度過(guò)低造成的節(jié)流損失，經(jīng)濟(jì)性較好，火電機(jī)組一般在正常運(yùn)行過(guò)程中均采用此種方式[1]。由于汽輪機(jī)高調(diào)門(mén)流量特性整定的優(yōu)劣直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)組的控制品質(zhì)、調(diào)節(jié)性能、經(jīng)濟(jì)效益、穩(wěn)定運(yùn)行乃至電網(wǎng)安全等重要問(wèn)題，因此近年來(lái)各電力試驗(yàn)單位、高校、電廠(chǎng)均在開(kāi)展汽輪機(jī)高調(diào)門(mén)流量特性的測(cè)試及優(yōu)化工作，從工作原理來(lái)看，大多是基于弗留格爾公式的化簡(jiǎn)和應(yīng)用。

以下對(duì)汽輪機(jī)高調(diào)門(mén)流量特性變化所導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)組典型異常事件進(jìn)行介紹，闡述定期開(kāi)展DEH閥門(mén)管理程序參數(shù)優(yōu)化的過(guò)程及必要性。

2　AGC、一次調(diào)頻性能指標(biāo)影響及治理

很多機(jī)組在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，往往發(fā)現(xiàn)在順序閥不同閥門(mén)的控制區(qū)間負(fù)荷控制品質(zhì)不一，即同樣的負(fù)荷PID控制器參數(shù)，可能在部分閥門(mén)控制區(qū)間機(jī)組負(fù)荷的控制品質(zhì)不佳，動(dòng)、靜態(tài)偏差顯著增大，變負(fù)荷過(guò)程中甚至出現(xiàn)超調(diào)或者遲遲達(dá)不到設(shè)定值，即使采取變參數(shù)控制也難以克服[2]。

對(duì)所述機(jī)組順序閥方式下的整體流量特性曲線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。在圖1中將該流量曲線(xiàn)分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)間，可以看出：

(1)在A(GV2/GV4與GV1重疊)和B(GV1控制)各自區(qū)間流量曲線(xiàn)的線(xiàn)性度和連續(xù)性較好，但當(dāng)GV2和GV4全開(kāi)、流量曲線(xiàn)由A區(qū)間進(jìn)入B區(qū)間時(shí)其變化速率明顯加快、斜率加大，曲線(xiàn)出現(xiàn)拐點(diǎn)，削弱了負(fù)荷調(diào)節(jié)的連續(xù)性。

(2)在C區(qū)間(GV3與GV1重疊)，流量曲線(xiàn)的線(xiàn)性較差，整體流量的變化速率開(kāi)始較快，當(dāng)GV1開(kāi)至30%時(shí)流量變化逐步減緩，至GV1開(kāi)至48%左右時(shí)流量出現(xiàn)停滯，此區(qū)間流量曲線(xiàn)呈現(xiàn)“凸輪”形狀，對(duì)負(fù)荷調(diào)節(jié)精度產(chǎn)生負(fù)面影響。

(3)在D區(qū)間(GV3控制)GV3開(kāi)至15%左右時(shí)，流量曲線(xiàn)出現(xiàn)了小幅突變，連續(xù)性受到影響。

(4)在圖1坐標(biāo)中建立斜率為1的參考直線(xiàn)，可以看到實(shí)測(cè)流量曲線(xiàn)的斜率明顯大于參考直線(xiàn)，經(jīng)過(guò)計(jì)算流量指令每變化1%時(shí)實(shí)測(cè)流量約變化2%，這將導(dǎo)致流量指令的示值和變化量與實(shí)測(cè)流量相差較大，不利于運(yùn)行調(diào)整和自動(dòng)控制。

X軸：DEH流量指令FDEM(%)　Y軸：實(shí)測(cè)流量及高調(diào)門(mén)開(kāi)度指令(%)圖1　優(yōu)化前順序閥整體流量特性測(cè)試曲線(xiàn)

X軸：DEH流量指令FDEM(%)　Y軸：實(shí)測(cè)流量及高調(diào)門(mén)開(kāi)度指令(%)圖2　優(yōu)化后順序閥整體流量特性測(cè)試曲線(xiàn)

根據(jù)上述分析對(duì)該機(jī)組DEH閥門(mén)管理程序的各相關(guān)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后順序閥整體流量特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖2所示。

參數(shù)優(yōu)化后，機(jī)組AGC負(fù)荷跟隨性能明顯上升，不同負(fù)荷區(qū)間、順序閥方式下不同閥門(mén)控制區(qū)間均能保證較好的負(fù)荷控制品質(zhì)，動(dòng)態(tài)、靜態(tài)偏差均能夠滿(mǎn)足規(guī)程和電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”要求。

3　順序閥交替區(qū)間閥門(mén)振蕩問(wèn)題及治理

部分機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，長(zhǎng)期存在著在順序閥交替區(qū)間閥門(mén)指令與負(fù)荷等參數(shù)頻繁振蕩的現(xiàn)象[3]?，F(xiàn)場(chǎng)汽機(jī)及熱控工作人員常常嘗試性的改變閥門(mén)流量特性曲線(xiàn)函數(shù)，但往往缺乏定量計(jì)算，實(shí)際效果難以保證。

某機(jī)組AGC運(yùn)行時(shí)，在順序閥方式下各閥門(mén)的交替區(qū)間，閥門(mén)指令、開(kāi)度、機(jī)組負(fù)荷、主汽壓力、調(diào)節(jié)級(jí)壓力等參數(shù)波動(dòng)劇烈，形成耦合式振蕩，機(jī)組運(yùn)行安全存在重大隱患。

對(duì)這臺(tái)機(jī)組進(jìn)行單個(gè)高調(diào)閥流量特性和順序閥方式下整體流量特性測(cè)試。例舉其中一個(gè)高調(diào)閥GV6(在6個(gè)高調(diào)閥中第5個(gè)開(kāi)啟)的流量特性測(cè)試結(jié)果如圖3所示?？梢钥吹?，該高調(diào)閥的實(shí)測(cè)流量特性與DEH設(shè)定相差較大，尤其是預(yù)啟行程較設(shè)定要大10%左右。即會(huì)導(dǎo)致在順序閥交替區(qū)間，按原設(shè)定函數(shù)開(kāi)啟后實(shí)際流量要較理想流量變化大很多。如圖4所示即為該機(jī)組順序閥下整體流量特性的測(cè)試曲線(xiàn)。可以看到，由于各單閥流量特性存在前述實(shí)際預(yù)啟行程與設(shè)定不一致的問(wèn)題，導(dǎo)致整體流量特性曲線(xiàn)在各閥開(kāi)啟過(guò)程發(fā)生了突變，將會(huì)使機(jī)組負(fù)荷產(chǎn)生擾動(dòng)，從而造成了上述振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。后對(duì)該機(jī)組DEH閥門(mén)管理程序的各函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后AGC投運(yùn)過(guò)程機(jī)組負(fù)荷變化均勻、平緩，閥門(mén)交替區(qū)間未再在發(fā)生閥門(mén)開(kāi)度、功率振蕩現(xiàn)象，機(jī)組運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性得到明顯提升。

X軸：高調(diào)門(mén)開(kāi)度指令(%)　Y軸：?jiǎn)蝹€(gè)高調(diào)門(mén)實(shí)測(cè)流量百分比(%)圖3　某機(jī)組單個(gè)高調(diào)門(mén)流量特性測(cè)試曲線(xiàn)

圖5　某機(jī)組順序閥/單閥方式下整體流量特性曲線(xiàn)對(duì)比

4　單/順閥切換過(guò)程擾動(dòng)問(wèn)題及治理

汽輪機(jī)組在單/順閥切換中往往采取手動(dòng)或者DEH功率回路投入的方式進(jìn)行，但如果調(diào)門(mén)流量特性曲線(xiàn)整定不當(dāng)，不僅手動(dòng)方式下負(fù)荷、壓力波動(dòng)過(guò)大，即使投入?yún)f(xié)調(diào)控制，也難以穩(wěn)定參數(shù)，甚至造成無(wú)法安全切至順序閥運(yùn)行，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[4]。

為解決這一問(wèn)題，從對(duì)比順序閥和單閥兩種運(yùn)行方式下的整體流量特性曲線(xiàn)入手開(kāi)展優(yōu)化工作。如圖5所示，測(cè)試一臺(tái)660MW超臨界機(jī)組在順序閥和單閥方式下的整體流量特性曲線(xiàn)并將其置于同一坐標(biāo)軸內(nèi)，可以看到：兩種閥控方式下整體流量曲線(xiàn)的線(xiàn)性差異較大，即兩種方式下相同DEH流量指令對(duì)應(yīng)的蒸汽流量百分比相差較大，DEH流量指令保持不變時(shí)進(jìn)行切換則蒸汽流量變化極大，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組單閥/順序閥切換過(guò)程不平穩(wěn)、參數(shù)波動(dòng)大，即使在協(xié)調(diào)投入情況下進(jìn)行閥切換，也很難保證機(jī)組功率、主汽壓力的穩(wěn)定。

根據(jù)坐標(biāo)中斜率為1的理想流量特性曲線(xiàn)對(duì)該機(jī)組DEH閥門(mén)管理程序的函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后在兩個(gè)方向的切換過(guò)程中，功率波動(dòng)均不超過(guò)±10MW，主汽壓力波動(dòng)不超過(guò)±0.1MPa。投入DEH功率回路或者協(xié)調(diào)控制后閥門(mén)切換的過(guò)程各項(xiàng)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)擾。

5　結(jié)語(yǔ)

汽輪機(jī)高調(diào)門(mén)流量特性曲線(xiàn)整定的優(yōu)劣與否，直接決定了負(fù)荷控制、機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)、單/順閥切換等方面的性能[5]。一般來(lái)說(shuō)，各機(jī)組DEH閥門(mén)管理程序中的函數(shù)都是由汽輪機(jī)廠(chǎng)家預(yù)設(shè)。但在機(jī)組大型檢修、高調(diào)門(mén)解體后，高調(diào)門(mén)流量特性往往會(huì)發(fā)生變化，與原設(shè)計(jì)函數(shù)偏移較大。由此引發(fā)的機(jī)組異常、故障甚至非停屢見(jiàn)不鮮。本文介紹了幾類(lèi)由于高調(diào)門(mén)流量特性與DEH設(shè)置不匹配所造成的典型異常及其處理過(guò)程，從幾類(lèi)事件的處理來(lái)看，汽輪機(jī)組在大修檢修、改造及高調(diào)門(mén)解體維護(hù)后開(kāi)展高調(diào)門(mén)流量特性的測(cè)試及參數(shù)優(yōu)化工作非常必要[6]，希望各發(fā)電企業(yè)對(duì)于這項(xiàng)工作給予高度的重視，確保汽輪機(jī)組長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、靈活運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 盛鍇,劉復(fù)平,劉武林,等.汽輪機(jī)閥門(mén)流量特性對(duì)電力系統(tǒng)的影響及其控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,26(7):104-109.

[2] 趙婷,薄利明,萬(wàn)杰,等.由高調(diào)門(mén)特性問(wèn)題引發(fā)的汽輪機(jī)負(fù)荷失控故障診斷[J].汽輪機(jī)技術(shù),2017,59(1):70-74.

[3] 岳良,賈慶巖.汽輪機(jī)切換中流量指令對(duì)高調(diào)門(mén)穩(wěn)定性的影響[J].湖北電力,2013,37(1):47- 49.

[4] 楊彥波,胡婷婷.基于帶投影死區(qū)分段線(xiàn)性化方法建模的汽輪機(jī)調(diào)門(mén)流量特性?xún)?yōu)化[J].中國(guó)電力,2016,49(5):87-90,101.

[5] 高業(yè)恒.高調(diào)門(mén)故障原因分析及防范措施[J].安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2016,21(3):67-71.

[6] 張曦,黃衛(wèi)劍,朱亞清.汽輪發(fā)電機(jī)組流量特性試驗(yàn)分析與研究[J].控制工程,2013,20(3):461- 465.