汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)異常引發(fā)機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)的分析及處理

國(guó)電內(nèi)蒙古東勝熱電有限公司 趙 偉

1 汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

1.1 汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理

汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理是控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的穩(wěn)定性，以滿足電力系統(tǒng)對(duì)汽輪機(jī)輸出功率和電壓的需求[1]。汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要任務(wù)是調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)節(jié)和穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)。

汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本控制原理是反饋控制。反饋控制是將系統(tǒng)輸出信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)誤差信號(hào)的反饋控制作用來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出。在汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，反饋控制是汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的核心控制原理[2]，通過(guò)傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制器等組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2 汽輪機(jī)DEH 控制系統(tǒng)的組成

DEH（Digital Electro-Hydraulic）控制系統(tǒng)是現(xiàn)代汽輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的主流。主要通過(guò)數(shù)字化的方式實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出功率、電壓和頻率等參數(shù)的控制。

DEH 控制系統(tǒng)的基本組成部分包括：

一是數(shù)字計(jì)算。作為控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)采集和處理傳感器的信號(hào)，計(jì)算控制指令，并將指令傳遞給伺服放大器。二是伺服放大器。將數(shù)字計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電液伺服系統(tǒng)所需的電信號(hào)，并將信號(hào)傳遞給電液轉(zhuǎn)換器。三是電液轉(zhuǎn)換器。將伺服放大器輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)，控制油動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。四是油動(dòng)機(jī)。根據(jù)電液轉(zhuǎn)換器的控制信號(hào)，控制調(diào)節(jié)閥門的開(kāi)度，調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的輸出功率。五是LVDT 傳感器。測(cè)量汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的位移，將位移信號(hào)傳遞給數(shù)字計(jì)算機(jī)，用于控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

DEH 控制系統(tǒng)采用數(shù)字化的方式，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于采用數(shù)字計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，提高了汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率和安全性。

1.3 汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作過(guò)程

1.3.1 信號(hào)采集

DEH 控制系統(tǒng)通過(guò)LVDT 傳感器等傳感器采集汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的位移、轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)的變化信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

1.3.2 數(shù)字信號(hào)處理

數(shù)字計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)采集和處理傳感器的信號(hào)，計(jì)算控制指令，并將指令傳遞給伺服放大器。在數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程中，還需要進(jìn)行濾波、放大、計(jì)算等處理，以確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

1.3.3 控制指令輸出

數(shù)字計(jì)算機(jī)計(jì)算出控制指令后，將指令傳遞給伺服放大器，伺服放大器將指令轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將信號(hào)傳遞給電液轉(zhuǎn)換器。

1.3.4 液壓系統(tǒng)控制

電液轉(zhuǎn)換器將伺服放大器輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)，控制油動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而控制調(diào)節(jié)閥門的開(kāi)度，調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的輸出功率。同時(shí)，液壓系統(tǒng)還可以通過(guò)控制油壓、油溫等參數(shù)來(lái)確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

1.3.5 反饋控制

DEH 控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，將LVDT 傳感器等傳感器采集的汽輪機(jī)位移、轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)的變化信號(hào)反饋給數(shù)字計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)整和優(yōu)化，以達(dá)到更加精準(zhǔn)的控制效果。

總的來(lái)說(shuō)，DEH 控制系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字化的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)的精準(zhǔn)控制和全面監(jiān)控，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代汽輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的主流。

2 機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)的原因

汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)異?？赡軙?huì)引發(fā)機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)，其原因可以是多種多樣的。

油動(dòng)機(jī)故障：油動(dòng)機(jī)是汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的核心部件之一，其工作狀態(tài)的穩(wěn)定性直接影響汽輪機(jī)的輸出功率。如果油動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，例如導(dǎo)向軸承損壞、活塞桿磨損、密封件老化變形等，就會(huì)導(dǎo)致油動(dòng)機(jī)滲漏油、輸出能力下降，從而引起機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)。

液壓系統(tǒng)故障：液壓系統(tǒng)是汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中用于控制油動(dòng)機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵部件，如果液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，例如油泵失效、系統(tǒng)泄漏等，就會(huì)導(dǎo)致油動(dòng)機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行，從而引起機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)。

傳感器故障：傳感器是汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中用于測(cè)量各種物理量的裝置，例如轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等。如果傳感器故障或者失靈，就會(huì)導(dǎo)致數(shù)字計(jì)算機(jī)接收到錯(cuò)誤的輸入信號(hào)，從而誤判油動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，引起機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)。

控制系統(tǒng)故障：控制系統(tǒng)是汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的核心部件之一，其工作狀態(tài)的穩(wěn)定性也直接影響汽輪機(jī)的輸出功率。如果控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，例如數(shù)字計(jì)算機(jī)失效、伺服放大器燒毀等，就會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)的控制指令無(wú)法正常傳遞，從而引起機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)。

總之，汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)異常引發(fā)機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)的原因是多種多樣的，需要針對(duì)具體故障進(jìn)行分析和處理。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)對(duì)各個(gè)部件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決潛在的故障，從而保障汽輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和安全性。

3 機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)的處理方法

調(diào)速系統(tǒng)故障處理方法詳見(jiàn)表1。

表1 調(diào)速系統(tǒng)故障處理方法

3.1 調(diào)整汽輪機(jī)負(fù)荷特性曲線

汽輪機(jī)負(fù)荷特性曲線是汽輪機(jī)在不同負(fù)荷下的運(yùn)行特性曲線，一般來(lái)說(shuō)，汽輪機(jī)在額定負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)性能最優(yōu)，但在其他負(fù)荷下會(huì)出現(xiàn)一定的性能變化。因此，對(duì)汽輪機(jī)負(fù)荷特性曲線的調(diào)整可以減小機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)的影響[3]。

一是調(diào)整汽輪機(jī)調(diào)速器參數(shù)。汽輪機(jī)調(diào)速器可以通過(guò)調(diào)整其參數(shù)來(lái)改變汽輪機(jī)的負(fù)荷特性曲線。例如，可以通過(guò)調(diào)整調(diào)速器的比例、積分和微分增益來(lái)控制汽輪機(jī)的頻率響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。此外，還可以通過(guò)調(diào)整調(diào)速器的調(diào)速方式（如PID、模糊控制等）來(lái)改變汽輪機(jī)的響應(yīng)特性和穩(wěn)態(tài)性能。

二是調(diào)整汽輪機(jī)控制參數(shù)。除了調(diào)整調(diào)速器參數(shù)外，還可以通過(guò)調(diào)整汽輪機(jī)控制參數(shù)來(lái)改變汽輪機(jī)的負(fù)荷特性曲線。例如，可以通過(guò)調(diào)整汽輪機(jī)蒸汽調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度和位置來(lái)改變汽輪機(jī)的輸出功率和效率。此外，還可以通過(guò)調(diào)整汽輪機(jī)調(diào)速器和調(diào)節(jié)閥之間的傳遞函數(shù)來(lái)改變汽輪機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。

3.2 其他調(diào)整措施

除了負(fù)荷補(bǔ)償和負(fù)荷特性曲線的調(diào)整之外，還有其他一些調(diào)整措施可以減小機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)，如調(diào)整汽輪機(jī)的排氣溫度、調(diào)整發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、安裝電容器組、調(diào)整熱平衡以及優(yōu)化燃燒控制系統(tǒng)[4]。

4 案例分析

4.1 案例背景

調(diào)查對(duì)象為一臺(tái)330MW 汽輪發(fā)電機(jī)組，最近發(fā)生了機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)的異常情況。該機(jī)組采用DEH 控制系統(tǒng)，異?？赡苁怯梢簤合到y(tǒng)故障引起的。調(diào)查人員需要對(duì)該異常進(jìn)行分析，并給出處理建議。

4.2 數(shù)據(jù)采集與分析

調(diào)查人員首先對(duì)該機(jī)組進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并采集了相應(yīng)數(shù)據(jù)：

一是調(diào)速器輸出電壓信號(hào)曲線圖，顯示調(diào)速器輸出電壓在波動(dòng)，最大波動(dòng)幅度為±5V。二是液壓轉(zhuǎn)換器輸出壓力信號(hào)曲線圖，顯示液壓轉(zhuǎn)換器輸出壓力在波動(dòng)，最大波動(dòng)幅度為±10bar。三是油動(dòng)機(jī)及調(diào)速氣門閥位狀態(tài)圖，顯示油動(dòng)機(jī)或調(diào)速氣門的閥位在波動(dòng)，最大波動(dòng)幅度為±10%開(kāi)度。四是機(jī)組負(fù)荷信號(hào)曲線圖，顯示機(jī)組負(fù)荷在波動(dòng)，最大波動(dòng)幅度為±5MW。

經(jīng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)問(wèn)題方面，調(diào)速器的參數(shù)設(shè)置對(duì)于機(jī)組負(fù)荷的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用[5]，同時(shí)，調(diào)查人員發(fā)現(xiàn)：調(diào)速器輸出電壓信號(hào)波動(dòng)幅度較小，不是導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)的主要原因；液壓轉(zhuǎn)換器輸出壓力信號(hào)波動(dòng)幅度較大，可能是導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)的主要原因；油動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)信號(hào)波動(dòng)幅度較大，可能是由液壓轉(zhuǎn)換器輸出壓力波動(dòng)引起的；機(jī)組負(fù)荷信號(hào)波動(dòng)幅度較小，可能是由油動(dòng)機(jī)閥位波動(dòng)引起的。

4.3 處理建議

一是檢查液壓轉(zhuǎn)換器是否存在故障，如存在故障需要及時(shí)更換；二是檢查油動(dòng)機(jī)是否存在故障，如存在故障需要進(jìn)行修理或更換；三是對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行檢修和維護(hù)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。四是在對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行檢查后，發(fā)現(xiàn)油動(dòng)機(jī)的操縱座卡澀，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)無(wú)法正常工作。經(jīng)過(guò)維修后，操縱座卡澀的問(wèn)題得到解決。

此外，還對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了其他方面的調(diào)整和優(yōu)化，包括調(diào)整油動(dòng)機(jī)和調(diào)節(jié)閥的工作參數(shù)、更換損壞的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、進(jìn)行控制系統(tǒng)的重新校準(zhǔn)等。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試和運(yùn)行，機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)的問(wèn)題得到了徹底解決。處理措施及效果的詳細(xì)情況詳見(jiàn)表2。

表2 處理措施及效果的詳細(xì)情況

對(duì)于汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)異常引發(fā)機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)的問(wèn)題，需要進(jìn)行全面細(xì)致的故障排除和系統(tǒng)優(yōu)化，針對(duì)不同的故障原因采取相應(yīng)的處理措施，并進(jìn)行有效的測(cè)試和運(yùn)行驗(yàn)證，才能確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)的原因可能是多方面的，調(diào)速系統(tǒng)故障是主要原因之一，同時(shí)還可能受到其他因素的影響。

對(duì)于機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)問(wèn)題，可以采取多種措施來(lái)處理。常見(jiàn)的處理方法包括負(fù)荷補(bǔ)償措施、調(diào)整汽輪機(jī)負(fù)荷特性曲線等，這些措施能夠有效地控制機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)，提高機(jī)組的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，可以通過(guò)對(duì)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，提高機(jī)組動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)一步提高機(jī)組負(fù)荷的控制效果。