1 000 MW 超超臨界機(jī)組給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速周期性波動(dòng)分析與處理

曾海波 龔自力 陳節(jié)濤

（國家能源集團(tuán)漢川發(fā)電有限公司， 湖北 漢川， 431614）

超超臨界直流鍋爐運(yùn)行中給水流量的異常波動(dòng)將對機(jī)組出力、 主蒸汽溫度和主蒸汽壓力等機(jī)組重要的運(yùn)行過程參數(shù)產(chǎn)生很大影響， 給水/燃料比率失調(diào)， 將使鍋爐出現(xiàn)過燃燒或欠燃燒， 嚴(yán)重影響主蒸汽溫度， 因此給水流量調(diào)節(jié)也成為控制末級過熱器出口主蒸汽溫度的一個(gè)重要有效的手段。 噴水量/給水量比率失調(diào)， 會(huì)影響進(jìn)入爐膛水冷壁的水流量， 不但影響主蒸汽溫度， 而且一旦流過水冷壁的水流量小于最小流量時(shí)， 將使?fàn)t膛水冷壁過熱而燒壞， 所以給水流量調(diào)節(jié)控制回路起到了控制鍋爐總能量的平衡， 保持合適的水煤比并維持中間點(diǎn)溫度在一定過熱度范圍內(nèi)微過熱蒸汽的作用。

漢川發(fā)電有限公司三期為2 臺(tái)1 000 MW 超超臨界燃煤機(jī)組， 五號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)采用N1000-26.20/600/600（TC4F）型超超臨界汽輪機(jī)， DCS 控制系統(tǒng)采用EDPF-NT Plus 控制系統(tǒng)， 機(jī)組配置2×55%BMCR 汽動(dòng)給水泵， 無電動(dòng)給水泵啟動(dòng)及運(yùn)行方式。 給水泵汽輪機(jī)為G22-1.0 型汽輪機(jī)。本文結(jié)合鍋爐給水控制回路和給水泵汽輪機(jī)控制系統(tǒng)， 介紹該機(jī)組給水調(diào)節(jié)全流程的控制系統(tǒng)組成。 對一起給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速周期性波動(dòng)的異常工況進(jìn)行分析， 對可能因素進(jìn)行逐一排查處理，提高了運(yùn)行中給水泵汽輪機(jī)的安全穩(wěn)定性。

1 給水控制系統(tǒng)的組成及功能

1.1 鍋爐給水主控回路

給水控制調(diào)節(jié)回路的目的是控制包括噴水量在內(nèi)的鍋爐總給水流量， 以滿足當(dāng)前鍋爐輸入指令， 在給水主控邏輯中實(shí)現(xiàn)鍋爐給水流量閉環(huán)調(diào)節(jié)。 總給水流量在省煤器入口測量。 鍋爐給水流量指令由鍋爐指令經(jīng)函數(shù)運(yùn)算后與給水加速指令的總和， 與經(jīng)過水煤交叉限制對應(yīng)的總?cè)剂狭恐噶罱?jīng)大選選擇， 再與水煤交叉限制對應(yīng)的總?cè)剂狭恐噶罱?jīng)小選選擇后， 與最小流量指令取大值后形成給水流量指令。 保證了在任何工況下都能保證給水流量指令大于鍋爐所需最小給水流量， 以保證鍋爐受熱面安全， 確保了水煤比的不平衡在所有工況下都不會(huì)超過安全邊界。

給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速指令控制邏輯如圖1 所示，在鍋爐給水主控回路中主調(diào)節(jié)器對給水流量偏差進(jìn)行比例積分運(yùn)算后分配給2 臺(tái)給水泵， 每臺(tái)給水泵單獨(dú)具備切手動(dòng)、 增減偏置功能。 給水泵的指令信號(hào)通過電流信號(hào)（4～20 mA） 送至各泵的MEH 控制系統(tǒng)， CCS 側(cè)的0～100%指令信號(hào)在MEH 系統(tǒng)標(biāo)變?yōu)? 840～6 000 r/min 的轉(zhuǎn)速信號(hào)用于控制給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖1 給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速指令控制邏輯圖

1.2 MEH 控制系統(tǒng)回路

MEH 控制系統(tǒng)原理圖如圖2 所示， 在MEH控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)， 給水泵汽輪機(jī)在正常運(yùn)行和啟動(dòng)階段過程中， 通過EDPF-NT+控制系統(tǒng)的2 塊轉(zhuǎn)速卡采集給水泵汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)并對三路轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行分析、 判斷、計(jì)算和處理， 得出可信的給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)際值， 主調(diào)節(jié)器對給水泵轉(zhuǎn)速偏差進(jìn)行比例積分運(yùn)算后輸出電流控制信號(hào)到伺服卡模塊， 通過伺服閥進(jìn)泄油來改變給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥的開度，控制進(jìn)入給水泵汽輪機(jī)的驅(qū)動(dòng)蒸汽流量改變汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。 當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)， 與它通過聯(lián)軸器連接所帶動(dòng)的給水泵轉(zhuǎn)速也隨著變化， 給水泵的出口流量相應(yīng)變化， 從而滿足對鍋爐給水流量的要求。

MEH 控制系統(tǒng)有3 種基本控制方式： （1）閥位控制， 設(shè)定閥位開度值直接控制給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥的開度， 該方式下轉(zhuǎn)速為開環(huán)控制， 閥位為閉環(huán)控制， 轉(zhuǎn)速給定值跟蹤轉(zhuǎn)速實(shí)際值； （2）轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制， 通過設(shè)定需要的升速率和目標(biāo)轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生1 個(gè)按給定升速率改變的轉(zhuǎn)速給定值， 轉(zhuǎn)速實(shí)際值與轉(zhuǎn)速給定值經(jīng)過偏差比較及PID 運(yùn)算后由MEH 控制系統(tǒng)輸出調(diào)節(jié)汽閥的閥位控制指令，控制小機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為給定轉(zhuǎn)速；（3）鍋爐自動(dòng)控制。當(dāng)轉(zhuǎn)速在2 840～6 000 r/min 時(shí)， MEH 系統(tǒng)接收到鍋爐給水主控系統(tǒng)的請求信號(hào)， 經(jīng)過邏輯運(yùn)算后，投入給水泵汽輪機(jī)CCS 控制模式， 此刻， 給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速給定值由鍋爐給水主控系統(tǒng)中的給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速指令送來的4～20 mA 信號(hào)控制。 3種控制方式間相互跟蹤， 可實(shí)現(xiàn)無擾切換。

1.3 伺服模塊控制回路

G22-1.0 型鍋爐給水泵汽輪機(jī)配置有專用伺服卡模塊， 在伺服卡中實(shí)現(xiàn)給水泵汽輪機(jī)閥位閉環(huán)調(diào)節(jié)， 伺服卡是通過采集就地調(diào)節(jié)汽閥上安裝的LVDT 位移反饋信號(hào)， 在伺服卡模塊中與MEH 控制系統(tǒng)發(fā)出的給定值指令進(jìn)行比較， 經(jīng)過程序中的PID 運(yùn)算后輸出變化的電流信號(hào)控制伺服閥進(jìn)泄控制油， 從而控制調(diào)節(jié)汽閥的行程到目標(biāo)的開度。 在進(jìn)行閥位調(diào)節(jié)的同時(shí)， 伺服卡模塊還可以送出一個(gè)閥位開度信號(hào)至MEH 控制系統(tǒng)， 作為DCS 系統(tǒng)操作畫面的閥門行程指示。 PID 運(yùn)算中的比例系數(shù)和積分時(shí)間可以通過伺服卡模塊上的撥碼開關(guān)來設(shè)置。 還可通過面板上的若干指示燈，實(shí)時(shí)了解卡件的工作狀態(tài)。

2 轉(zhuǎn)速周期性波動(dòng)現(xiàn)象分析與處理

2.1 異常現(xiàn)象

2019 年8 月15 日， 五號(hào)機(jī)組A 給水泵汽輪機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速周期性波動(dòng)現(xiàn)象， 如圖3 所示， 閥位指令波動(dòng)幅度為4%， 閥位反饋波動(dòng)為5%， 閥位反饋滯后閥位指令約10 s， 轉(zhuǎn)速實(shí)際波動(dòng)60 r/min， 轉(zhuǎn)速目標(biāo)值和給定值波動(dòng)15 r/min， 給水流量波動(dòng)120 t/h。

圖3 轉(zhuǎn)速周期性波動(dòng)趨勢圖

2.2 原因分析及運(yùn)行中排查

鍋爐給水控制系統(tǒng)包括流量閉環(huán)控制、 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和閥位閉環(huán)控制3 個(gè)環(huán)節(jié)， 又是相互聯(lián)系的， 任何一個(gè)環(huán)節(jié)異常都將引起其他2 個(gè)環(huán)節(jié)同步異常。 結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況分別從控制邏輯和硬件設(shè)備兩方面進(jìn)行分析。 控制邏輯主要表現(xiàn)在PID 參數(shù)不滿足控制要求， 包括給水主控中的流量調(diào)節(jié)PID 參數(shù)、 MEH 系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)PID 參數(shù)和伺服卡模塊中的閥位調(diào)節(jié)PID 參數(shù)。 硬件設(shè)備主要表現(xiàn)在信號(hào)傳輸環(huán)節(jié)出現(xiàn)信號(hào)失真， 包括采集的給水流量信號(hào)、 鍋爐主控至MEH 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速指令、 MEH 系統(tǒng)至伺服卡的閥位指令、 伺服卡模塊、 伺服閥和LVDT 閥位反饋信號(hào)。

在給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行中， 通過以下步驟分別對可能影響因素進(jìn)行排查。 第一步， 切除給水主控中A 給水泵汽輪機(jī)的自動(dòng)， 趨勢如圖4 所示，閥位指令、 閥位反饋和實(shí)際轉(zhuǎn)速依然周期性波動(dòng)，轉(zhuǎn)速目標(biāo)值和轉(zhuǎn)速實(shí)際值直線。 據(jù)此排除給水主控中的流量調(diào)節(jié)PID 參數(shù)、 鍋爐主控至MEH 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速指令原因引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)。 第二步， 將MEH控制系統(tǒng)切至手動(dòng)控制方式， 趨勢如圖5 所示，閥位指令無變化， 閥位反饋、 轉(zhuǎn)速實(shí)際值、 轉(zhuǎn)速給定值和轉(zhuǎn)速目標(biāo)值同節(jié)奏波動(dòng)。 因手動(dòng)方式下轉(zhuǎn)速給定值和轉(zhuǎn)速目標(biāo)值跟蹤轉(zhuǎn)速實(shí)際值。 據(jù)此排除MEH 系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)PID 參數(shù)原因引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

圖4 給水主控手動(dòng)方式趨勢圖

圖5 MEH 控制系統(tǒng)手動(dòng)方式趨勢圖

在給水泵出口安裝有3 臺(tái)流量變送器， 在給水母管上安裝有5 臺(tái)流量變送器， 據(jù)此可排除給水流量信號(hào)采集引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)。 同時(shí)從歷史趨勢可以看出， 手動(dòng)方式下閥位反饋和轉(zhuǎn)速實(shí)際值同節(jié)奏波動(dòng)， 閥位為雙LVDT 反饋裝置， 說明閥位真實(shí)反映了給水泵汽輪機(jī)實(shí)際閥位， 排除LVDT閥位反饋信號(hào)引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)。 從MEH 系統(tǒng)至伺服卡的閥位指令是1 根約1 m 的柜內(nèi)內(nèi)配線， 可排除MEH 系統(tǒng)至伺服卡的閥位指令引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

2.3 異常處理

余下伺服卡模塊中的閥位調(diào)節(jié)PID 參數(shù)、 伺服卡模塊和伺服閥閥體三方面可能原因在給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行期間無法排查確認(rèn)， 其中伺服卡模塊中的閥位調(diào)節(jié)PID 參數(shù)和伺服卡模塊本身具有自檢報(bào)錯(cuò)功能。 給水泵汽輪機(jī)采用的美國M00G072型伺服閥， 該型式的伺服閥優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、 外形尺寸小、 線性度好、 響應(yīng)快、 工作可靠、 壽命長； 缺點(diǎn)是噴嘴擋板的工作間隙小， 對油的清潔度要求較高。 國內(nèi)也對伺服閥異常做了分析， 丁書海分析了調(diào)節(jié)系統(tǒng)伺服閥常見故障， 常見故障有卡澀、 密封圈損壞、 閥芯部件腐蝕磨損、 緊固螺栓斷裂等。 何漢林分析了伺服閥高頻震蕩故障機(jī)制。 2 個(gè)文獻(xiàn)中所述的彈簧管剛度降低導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)而產(chǎn)生震蕩， 與機(jī)組異常現(xiàn)象類似。 因此將伺服閥閥體故障作為首要考慮因素。 利用夜間低負(fù)荷階段停運(yùn)小機(jī)， 對小機(jī)進(jìn)行了伺服閥更換工作。 正常投運(yùn)后轉(zhuǎn)速周期性波動(dòng)現(xiàn)象消失， 如圖6所示。

圖6 更換伺服閥后趨勢圖

3 結(jié)論

鍋爐給水控制系統(tǒng)包括流量閉環(huán)控制、 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和閥位閉環(huán)控制3 個(gè)環(huán)節(jié)， 各個(gè)環(huán)節(jié)之間相互耦合， 影響給水流量異常因素眾多， 控制邏輯的復(fù)雜性不亞于DEH 控制系統(tǒng)。 由于邏輯運(yùn)算復(fù)雜， 正確地理解和掌握閉環(huán)控制回路， 結(jié)合控制原理和硬件組成可以更快判斷機(jī)組故障的根本原因。