雙軸燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組甩負荷試驗實例分析

楊彥平，賈 斌，李曉波，范志強

（內(nèi)蒙古電力科學研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)作為一種先進的發(fā)電技術(shù)，在我國電力生產(chǎn)行業(yè)中的地位日益提高。燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)設(shè)備在國內(nèi)和國外的市場很大，并隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和清潔煤利用技術(shù)的完善，需求量將進一步擴大。燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組進行甩負荷試驗，其主要目的在于檢驗調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性是否符合設(shè)計及運行要求，并通過甩負荷試驗數(shù)據(jù)計算動態(tài)超調(diào)量、轉(zhuǎn)子時間常數(shù)及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量等特征值[1-3]。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量對測功法甩負荷試驗計算飛升轉(zhuǎn)速以及研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)整定計算、動態(tài)特性和系統(tǒng)的安全性都有重要意義[4]。本文將結(jié)合某雙軸燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組甩負荷試驗，進行實例分析。

1 機組概況

某雙軸燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組燃氣輪機是GE公司生產(chǎn)的PG9171E 型燃氣輪機，燃機由1 個額定功率1 000 kW 的啟動馬達、1 個17 級的軸流式壓氣機、1 個燃燒系統(tǒng)（由14 個分管式燃燒室組成）、1 個3 級透平轉(zhuǎn)子組成，燃機發(fā)電機是南京汽輪電機廠生產(chǎn)的QFR-135-2 三相兩極同步發(fā)電機，機組銘牌出力為123.4 MW（ISO 工況），聯(lián)合循環(huán)時出力106 MW。

余熱鍋爐為杭州鍋爐廠生產(chǎn)的無補燃、三壓、帶除氧器、高溫、次高壓、立式懸吊、強制循環(huán)余熱鍋爐；汽輪機為南京汽輪機廠生產(chǎn)的LZN60-5.7/0.58 型雙壓、單軸、單缸、沖動、凝汽式汽輪機；發(fā)電機采用南京汽輪電機廠生產(chǎn)的QFW-60-2 三相兩極同步發(fā)電機；機組熱工控制為單元制，采用爐、機、電集中控制方式。

2 甩負荷試驗情況

2.1 燃氣輪機甩負荷

對于分軸布置聯(lián)合循環(huán)機組，燃氣輪機與汽輪機的甩負荷試驗應(yīng)分別進行。燃氣輪機轉(zhuǎn)速負荷由壓氣機進氣導(dǎo)葉閥和主燃料控制閥控制。甩負荷瞬間，主燃料流量尚未發(fā)生變化，燃機發(fā)出的功率用于轉(zhuǎn)子本身的加速；控制系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，通過控制最小燃料量以維持燃機不熄火不跳機，轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速[5-7]。

試驗前機組帶額定負荷穩(wěn)定運行，各主輔設(shè)備、系統(tǒng)運行良好，超速試驗，閥門關(guān)閉時間及嚴密性試驗合格。燃氣輪機帶負荷106.133 MW，機組轉(zhuǎn)速為3 002.083 r/min，解除燃機發(fā)電機解列跳燃機聯(lián)鎖保護，運行人員強制斷開燃機發(fā)電機出口主開關(guān)，燃機轉(zhuǎn)速開始飛升。從燃機發(fā)電機解列開始，約2.583 s 后燃機達到最高轉(zhuǎn)速3 115 r/min。燃氣輪機100%甩負荷前后主要參數(shù)值如表1 所示。

表1 燃氣輪機100%甩負荷前后主要參數(shù)值

2.2 汽輪機甩負荷

2.2.1 汽輪機高低旁保護條件

高旁保護條件。高旁快開保護條件：電動主汽門前壓力>5.8 MPa 或高壓汽包壓力> 6.5 MPa 或高壓集汽聯(lián)箱蒸汽壓力>5.9 MPa；發(fā)電機負荷變化率大于5 MW/s。高旁快關(guān)保護條件：真空>-40 kPa；高旁一級減溫后溫度>180 ℃且凝汽器溫度>85 ℃；2 臺凝結(jié)水泵全停。

低旁保護條件。低旁快開保護條件：補汽電動門前壓力>0.58 MPa 或低壓汽包壓力>0.67 MPa 或低壓集汽聯(lián)箱蒸汽壓力>0.6 MPa；汽機已掛閘且補汽已投入，出現(xiàn)汽機跳閘且有切除補汽信號；發(fā)電機負荷變化率大于5 MW/s。低旁快關(guān)保護條件：真空>-40 kPa；凝汽器右減壓減溫器出口蒸汽溫度>120 ℃且凝汽器溫度>85 ℃；2 臺凝結(jié)水泵全停。

2.2.2 甩負荷試驗情況

機組甩負荷時產(chǎn)生的電超速保護信號將引起電超速保護電磁閥動作，泄放危急繼動油，繼而引起調(diào)節(jié)汽閥關(guān)閉，汽輪機進汽量迅速降至0。延時一段時間后，電超速保護電磁閥復(fù)位，危急繼動油壓重新建立，調(diào)節(jié)汽閥逐漸開至所需要的位置。

試驗前機組帶額定負荷穩(wěn)定運行，各主輔設(shè)備、系統(tǒng)運行良好，超速試驗、閥門關(guān)閉時間及嚴密性試驗合格，高低壓旁路暖管備用。切除電跳機、爐跳機保護。汽輪機帶負荷55.182 MW，主汽壓力4.86 MPa，運行人員強制斷開汽輪機發(fā)電機出口主開關(guān)，經(jīng)過1.481 s 機組達到最高飛升轉(zhuǎn)速3 165 r/min。汽輪機100%甩負荷前后主要參數(shù)值如表2 所示。

表2 汽輪機100%甩負荷前后主要參數(shù)值

3 特征值計算

3.1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量計算原理

大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子，其幾何形狀復(fù)雜，質(zhì)量分布也不均勻，制造廠較難給出一個準確值，因此要通過常規(guī)法甩負荷試驗方法進行測取。甩負荷時快速斷開發(fā)電機出口開關(guān)，發(fā)電機電功率瞬間降為零，此時機械功率即為甩負荷試驗前功率，可得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量計算公式為[8-11]

其中，J 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，kg/m2；Ta為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，s；P0為甩負荷前機組功率，kW；ω0為轉(zhuǎn)子角速度，rad/s；η 為發(fā)電機效率，%；n0為初始轉(zhuǎn)速，r/min；an為轉(zhuǎn)子初始加速度，r/（min·s）。

由式（1）、式（2）可知，發(fā)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量計算值取決于轉(zhuǎn)子初始加速度an。an為轉(zhuǎn)子甩負荷瞬間初始加速度，為動態(tài)變化量，需從試驗轉(zhuǎn)速飛升曲線上進行獲取。

3.2 數(shù)據(jù)分析及處理

機組測速時，測速傳感器通過測量探頭與測速齒盤輪間的高、低電壓變化所形成脈沖信號的數(shù)量來得到實際轉(zhuǎn)速值?？焖黉洸▋x采集到脈沖頻率，由脈沖頻率和齒數(shù)在儀器內(nèi)部計算得到轉(zhuǎn)速值，當齒數(shù)為134 齒時，脈沖頻率為6 700 Hz。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在測量過程中存在環(huán)境噪聲以及測量誤差，并且轉(zhuǎn)子在甩負荷擾動下出現(xiàn)的半速渦動會對轉(zhuǎn)速測量產(chǎn)生干擾，因此快速錄波儀輸出的轉(zhuǎn)速信號并不能反映轉(zhuǎn)子甩負荷過程中的實際轉(zhuǎn)速。田豐[12]提出了使用時域2 點鄰近點平均或頻域快速傅里葉變換濾波計算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；鮑文龍等[13]提出了基于卡爾曼自適應(yīng)濾波器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量計算方法。本文采用鄰近點平均對原始數(shù)據(jù)進行平滑處理，主要用于消除半速渦動對轉(zhuǎn)速信號產(chǎn)生的干擾，目的在于得到更為真實的轉(zhuǎn)速信號。

3.2.1 燃氣輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量計算

a）傳統(tǒng)計算方法。依據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量計算公式，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量計算關(guān)鍵點在于轉(zhuǎn)子初始加速度an的求解。傳統(tǒng)計算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的方法，需人工選取氣體燃料控制閥（或調(diào)節(jié)汽閥）延遲關(guān)閉時間間隔內(nèi)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速飛升曲線，對曲線進行一階線性擬合求解加速度。

對經(jīng)過鄰近點平均處理的燃機甩負荷轉(zhuǎn)速飛升數(shù)據(jù)，以轉(zhuǎn)速開始飛升為時間起點，數(shù)據(jù)采樣率為5 000 Hz，時間間隔選取0.06～0.4 s，每0.2 ms對增加的數(shù)據(jù)點重新進行一階線性擬合。由其加速度及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量計算值可知，選取不同的時間間隔，其加速度值在131.138～169.771 r/（min·s）之間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量計算值在19 351～25 051 kg/m2之間，統(tǒng)計平均值為20 519.419 kg/m2。

b）S 型函數(shù)擬合。依據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速飛升曲線符合S 型曲線增長模式：轉(zhuǎn)折期，轉(zhuǎn)速增長最快；減速期，轉(zhuǎn)速增長逐漸變慢；飽和期，轉(zhuǎn)速增長趨于平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速達到最大值。其擬合公式如式（3）所示。

利用S 型函數(shù)加LM（levenberg-marquard）算法對轉(zhuǎn)速上升部分進行非線性最小二乘擬合，對擬合曲線進行一階微分處理求解轉(zhuǎn)子最大加速度，結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)子初始最大加速度為164.174 r/（min·s），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量計算值為20 010.091 kg/m2。此算法與傳統(tǒng)選取時間間隔計算方法相比，其計算偏差為2.48%。

3.2.2 汽輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量計算

甩負荷后轉(zhuǎn)速飛升可分為3 個階段：一是調(diào)節(jié)汽閥延遲關(guān)閉時間，進汽量Q 保持不變，轉(zhuǎn)速接近直線規(guī)律上升；二是調(diào)節(jié)汽閥關(guān)閉時間，進汽量Q逐漸減小，轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，轉(zhuǎn)子加速度逐漸減??；三是有害容積做功，轉(zhuǎn)速飛升至最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子加速度逐漸趨于零。分別通過下述兩種方法對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量進行求解。

a）傳統(tǒng)計算方法。對經(jīng)過鄰近點平均處理的甩負荷轉(zhuǎn)速飛升數(shù)據(jù)，以轉(zhuǎn)速開始飛升為時間起點，數(shù)據(jù)采樣頻率為5 000 Hz，時間間隔選取0.05～0.2 s，每0.2 ms 對增加的數(shù)據(jù)點重新進行一階線性擬合。其加速度及轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動慣量計算結(jié)果顯示，選取不同的時間間隔時，其加速度值在305.464～338.223 r/（min·s）之間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量計算值在5 053～5 595 kg/m2之間。

b）S 型函數(shù)擬合。利用S 型函數(shù)加LM 優(yōu)化算法對轉(zhuǎn)速上升部分進行非線性最小二乘擬合，對擬合曲線進行一階微分處理求解轉(zhuǎn)子最大加速度，結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)子最大加速度為325.269 r/（min·s），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量計算值為5 254.434 kg/m2。與傳統(tǒng)選取時間間隔計算方法相比，其計算偏差為1.49%。

3.2.3 計算結(jié)果分析

機組甩負荷試驗特征值計算結(jié)果如表3 所示。

表3 機組甩負荷試驗特征值計算結(jié)果

對比上述兩種計算方法，得出如下結(jié)論。

a）S 型函數(shù)符合甩負荷轉(zhuǎn)速飛升規(guī)律，對轉(zhuǎn)速上升階段有很好的擬合效果。轉(zhuǎn)速飛升初始階段，轉(zhuǎn)速變化劇烈，利用一階線性擬合求解得到的加速度值與實際值嚴重偏離。

b）利用S 型函數(shù)加LM 優(yōu)化算法對轉(zhuǎn)速上升部分進行非線性最小二乘擬合求解最大加速度，其解具有確定性，其計算結(jié)果與實際值較為貼合，且消除了人工選取間隔造成的誤差，提高了計算精度；而傳統(tǒng)手工選取時間間隔求解轉(zhuǎn)子加速度，其加速度值與選取的時間間隔有很大關(guān)系，其值變化范圍較大，其解具有不確定性，且統(tǒng)計平均值也與時間間隔相關(guān)。

4 結(jié)束語

a）雙軸燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，燃氣輪機甩負荷時，主燃料閥瞬間關(guān)小，排氣溫度迅速下降造成汽機側(cè)蒸汽參數(shù)急劇下降，需立即手動降低汽輪機負荷調(diào)整旁路逐步停機。因此，雙軸聯(lián)合循環(huán)機組只能分別進行燃機和汽機的甩負荷試驗。

b）該聯(lián)合循環(huán)機組余熱鍋爐無煙氣擋板，燃機帶滿負荷穩(wěn)定運行，進行汽輪機100%甩負荷試驗。需手動控制汽輪機旁路，保證再熱器不超壓，且控制主汽壓力的飛升。高低旁最終開度維持在40%左右，主汽壓力最高達到5.41 MPa，補汽壓力最高達到0.47 MPa。

c）與傳統(tǒng)計算方法相比，本文提出的利用S型函數(shù)加LM 優(yōu)化算法擬合求解最大加速度的方法能夠得到較為準確的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，解決了傳統(tǒng)手工計算方法人工選取時間間隔造成計算偏差的問題。除此之外，由于該機組設(shè)計年代較早，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量設(shè)計值無法查證，利用甩負荷試驗測取轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量可為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)整定提供數(shù)據(jù)參考。