汽輪機(jī)低負(fù)荷單閥-順序閥無擾切換運(yùn)行的優(yōu)化控制方法

趙大朋,范雙雙,孫天中,吳 哲,張 民,劉春曉

(1.吉林電力股份有限公司白城發(fā)電公司，吉林 白城 137000；2.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012；3.中油電能熱電一公司，黑龍江 大慶 163314)

0 引言

目前，為了提高新能源電力系統(tǒng)對具有不確定性風(fēng)電、光伏發(fā)電的消納比例，越來越多的大功率汽輪發(fā)電機(jī)組都參與靈活調(diào)峰運(yùn)行[1]；甚至，還開展高效靈活二次再熱機(jī)組的研制與應(yīng)用工作[2]。為了提高機(jī)組長期低負(fù)荷運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，不少汽輪機(jī)需要由順序閥控制方式切換至單閥方式；但是，實(shí)際切換過程中不可避免的會(huì)存在一些影響機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的問題。很早就有大量關(guān)于汽輪機(jī)閥控方式切換方面的研究，一方面主要關(guān)注切換過程中影響機(jī)組自身運(yùn)行安全性的軸系失穩(wěn)問題[3-4]，涉及理論計(jì)算和試驗(yàn)方面研究不平衡汽流力的消除方法；另一方面主要關(guān)注閥控方式切換時(shí)產(chǎn)生負(fù)荷和主汽壓的波動(dòng)問題[5-6]，因?yàn)閰?shù)波動(dòng)會(huì)給電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行帶來安全隱患[7-9]。同時(shí)，對于汽輪機(jī)單閥-順序閥控制方式的無擾切換研究，工程中除了會(huì)針對流量特性曲線進(jìn)行優(yōu)化之外[10-11]，也有關(guān)于切換條件選擇方面的研究[12]。此外，機(jī)組頻繁參與調(diào)峰使得調(diào)節(jié)系統(tǒng)硬件磨損程度加大，不少汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)了一些影響調(diào)節(jié)性能的故障[13-14]，機(jī)組在閥控方式切換及變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)參數(shù)擾動(dòng)問題。然而，單純依靠對配汽規(guī)律曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)使其與高調(diào)閥實(shí)際流量特性相匹配，即便是選擇較好的切換條件、設(shè)置最佳的切換控制參數(shù)，最多也就是將負(fù)荷和主汽壓力波動(dòng)減小到一定范圍，是無法從根本上消除這種參數(shù)波動(dòng)問題。

綜上所述，針對負(fù)荷及主汽壓力波動(dòng)的根源進(jìn)行理論分析，提出一種可以從根本上解決切換過程中參數(shù)波動(dòng)問題的汽輪機(jī)單閥-順序閥的非線性自動(dòng)無擾切換方法，對進(jìn)一步改善大功率汽輪機(jī)靈活調(diào)峰的安全穩(wěn)定性具有重要意義和價(jià)值。

1 現(xiàn)有單閥-順序閥切換的控制方式及存在問題

目前，電網(wǎng)希望機(jī)組能夠穩(wěn)定參與調(diào)峰，因此低負(fù)荷工況下需要保證單閥-順序閥配汽方式之間可以進(jìn)行無擾切換，即切換過程中盡可能減小負(fù)荷波動(dòng)，避免機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)對電網(wǎng)造成負(fù)面影響，從而危及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。然而，目前的單閥/多閥切換方式是無法真正實(shí)現(xiàn)負(fù)荷波動(dòng)最小，達(dá)到無擾切換的目的。以某機(jī)組的典型配汽方式為例，如圖1所示的是具有四個(gè)調(diào)節(jié)閥的2種配汽規(guī)律：單閥配汽(四個(gè)閥門動(dòng)作一致)和順序閥配汽(#1+#3→#4→#2，先開閥門#1和#3，再開#4，最后開#2)。以A處負(fù)荷點(diǎn)為例。機(jī)組啟動(dòng)后在此負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行配汽方式的切換，由單閥配汽切換到多閥配汽#1+#3→#4→#2?，F(xiàn)有的切換控制方式，切換開始時(shí)和切換結(jié)束時(shí)的蒸汽流量是相等的，即綜合流量指令相等。由于閥門的流量特性為非線性的，切換過程中由閥門#2、#4關(guān)小所引起的蒸汽流量的減少量始終小于由閥門#1、#3開大所引起的蒸汽流量的增加量，所以這種切換規(guī)律必然會(huì)產(chǎn)生功率較大的波動(dòng)。

圖1 四個(gè)調(diào)節(jié)閥的兩種配汽規(guī)律比較示意圖

2 單閥-順序閥的非線性自動(dòng)無擾切換方法

2.1 無擾切換的理論依據(jù)

定義χ為綜合流量指令，u為閥門開度，n為閥門個(gè)數(shù)，則兩種配汽方式可表示為：

順序閥配汽規(guī)律為

u1=f1(χ)
u2=f2(χ)
u3=f3(χ)
u4=f4(χ)

(1)

單閥配汽規(guī)律為

(2)

假設(shè)在負(fù)荷點(diǎn)χ0處由單閥切換到順序閥，從t1時(shí)刻開始，t2時(shí)刻切換過程結(jié)束。

在切換開始，t1時(shí)刻時(shí)

(3)

以u1為例，在切換結(jié)束，t2時(shí)刻時(shí)有

u1=f1(χ0)

(4)

在切換過程中，t1時(shí)刻→t2時(shí)刻有

(5)

同理，u2、u3、u4也相同。

(6)

其中，t∈[t1,t2]，i=1,…,4；并且，有以下關(guān)系式成立

(7)

如圖2所示，在B負(fù)荷點(diǎn)處從單閥切換到順序閥，四個(gè)閥門都是隨時(shí)間做線性動(dòng)作的。

圖2 現(xiàn)有技術(shù)B負(fù)荷點(diǎn)處配汽切換方式

無擾情況下，切換過程中負(fù)荷保持不變，即實(shí)際流量保持不變

q(t)=χ0，t∈[t1,t2]

(8)

2.1 無擾切換的實(shí)現(xiàn)方法

令第k個(gè)閥門在切換過程中隨時(shí)間進(jìn)行非線性動(dòng)作，而其他n-1個(gè)閥門依然進(jìn)行線性動(dòng)作，使得對?t′∈(0,t2-t1)存在以下關(guān)系

(9)

可轉(zhuǎn)化為以下關(guān)系式

(10)

此時(shí)，實(shí)際流量為

q(t1+t′)=χ0+Δq(t1+t′)=χ0

(11)

第k個(gè)閥門用于抵消其他閥門由于開度和流量呈非線性而導(dǎo)致的總流量偏差，則

(12)

如圖3所示，A負(fù)荷點(diǎn)作為切換點(diǎn)，此時(shí)選取#1閥門作非線性動(dòng)作，其余3個(gè)閥門依然作線性動(dòng)作；圖4中，以B負(fù)荷點(diǎn)作為切換點(diǎn)，選取#1閥門作非線性動(dòng)作；圖5中，以C負(fù)荷點(diǎn)作為切換點(diǎn)，選取#2閥門做非線性動(dòng)作。

圖3 A負(fù)荷點(diǎn)處非線性自動(dòng)無擾切換方式

圖4 B負(fù)荷點(diǎn)處非線性自動(dòng)無擾切換方式

圖5 C負(fù)荷點(diǎn)處非線性自動(dòng)無擾切換方式

對?t′∈(t1,t2)，由于其他n-1個(gè)閥門依然進(jìn)行線性動(dòng)作，因此閥位ui(i=1,2,…,n且i≠k)可以得出，此時(shí)進(jìn)行理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)，使得

(13)

切換點(diǎn)χ0和非線性切換閥門的選擇規(guī)則：選取流量變化范圍大的閥門作非線性運(yùn)動(dòng)。

切換規(guī)律優(yōu)化設(shè)計(jì)方法：切換時(shí)只有第k個(gè)閥門是按照非線性規(guī)律動(dòng)作的，而其他的閥門都是按照線性規(guī)律動(dòng)作的；配汽方式的非線性切換規(guī)律可以由以下三種方案確定：實(shí)驗(yàn)方法確定切換方法、理論計(jì)算確定切換方法或?qū)嶒?yàn)與理論計(jì)算相結(jié)合的方法。

根據(jù)上述理論，實(shí)際中的高負(fù)荷、中負(fù)荷也可以設(shè)計(jì)常用的自動(dòng)非方式線性無擾切換點(diǎn)。

2.3 非線性切換規(guī)律的獲取方法

非線性切換規(guī)律可以通過實(shí)驗(yàn)確定：

(1)調(diào)節(jié)t′時(shí)刻下的閥位ui(i=1,2,…,n且i≠k)，然后調(diào)節(jié)閥位uk，直到使實(shí)際流量q(t′)=χ0，此時(shí)功率保持不變，即確定非線性規(guī)律上的第一個(gè)點(diǎn)；

(2)重復(fù)以上操作，就可以得到非線性切換規(guī)律上的一系列點(diǎn)，進(jìn)行擬合，就能得到連續(xù)的非線性切換規(guī)律了。

此步驟不需理論計(jì)算，操作簡單，精度基本滿足實(shí)際運(yùn)行需要。然而，缺點(diǎn)就是實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在的隨機(jī)性。

非線性切換規(guī)律還可利用理論計(jì)算實(shí)現(xiàn)：

(1)確定t′時(shí)刻下的閥位ui(i=1,2,…,n且i≠k)，計(jì)算出保持實(shí)際流量q(t′)=χ0所需的閥位uk，即確定非線性規(guī)律上的第一個(gè)點(diǎn)；

(2)重復(fù)以上計(jì)算，就可以得到非線性切換規(guī)律上的一系列點(diǎn)，進(jìn)行擬合，就能得到連續(xù)的非線性切換規(guī)律了。

此步驟不需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但需要準(zhǔn)確的理論計(jì)算，而且得保證計(jì)算所需數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，才能夠滿足實(shí)際運(yùn)行需要。

此外，上述的實(shí)驗(yàn)方法還可以與理論計(jì)算相結(jié)合：條件允許的電廠，還可以將理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，能夠更好的辨識出機(jī)組高調(diào)門的實(shí)際流量特性，此步驟使得精度可以滿足運(yùn)行需要，也在一定程度上避免了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的隨機(jī)性。

3 結(jié)論

本文針對大功率汽輪機(jī)低負(fù)荷工況下單閥-順序閥切換時(shí)出現(xiàn)的參數(shù)波動(dòng)問題進(jìn)行理論分析與研究，得到的結(jié)論如下：

(1)通過理論分析可以看出，高調(diào)閥具有非線性控制特性，切換時(shí)采用線性等比例開關(guān)控制方法會(huì)引起蒸汽流量的變化，這是切換過程中負(fù)荷及主汽壓力產(chǎn)生波動(dòng)的根源：

(2)現(xiàn)有切換方式產(chǎn)生參數(shù)波動(dòng)是必然的，即便在對實(shí)際單閥和順序閥流量特性控制曲線進(jìn)行優(yōu)化、選擇合適工況點(diǎn)的條件下，也是無法完全消除切換過程中的參數(shù)波動(dòng)問題；

(3)采用非線性自動(dòng)無擾切換方法，可以從根本上解決切換過程中的參數(shù)波動(dòng)問題。

本文對進(jìn)一步改善大功率汽輪機(jī)靈活調(diào)峰的安全穩(wěn)定性具有重要意義和價(jià)值。