具有孤網運行方式的DEH系統設計及應用

楊文強，雷文濤，王林

（1.華能山東發電有限公司，山東濟南250000；2.山東魯能控制工程有限公司，山東濟南250022；3.山東日照發電有限公司，山東日照276826）

具有孤網運行方式的DEH系統設計及應用

楊文強1，雷文濤2，王林3

（1.華能山東發電有限公司，山東濟南250000；2.山東魯能控制工程有限公司，山東濟南250022；3.山東日照發電有限公司，山東日照276826）

針對孤網的運行特性，詳細闡述傳統大網和孤網的DEH系統的控制策略的不同之處，介紹火電機組含有孤網運行方式的DEH系統的設計方案，通過實例說明了具有孤網運行方式的DEH系統設計方案的可行性。

汽輪機數字電液控制系統；孤網運行；轉速控制；設計

0 引言

火電機組已經普遍采用汽輪機數字電液控制系統（DEH）。常規火電機組運行于大電網中，DEH的功能是完成汽輪機的轉速控制和負荷控制。在機組啟動過程中控制汽輪機轉速，轉速達到額定值時發電機組并網，并網后DEH可參與電網一次調頻，電網調度發送二次調頻指令到機組DEH控制汽輪機負荷。常規DEH基本不設計孤網運行方式，但在某些情況下孤網運行方式是有用的。文獻［1］為解決區域電網的安全供電問題提出火電機組單機孤網運行控制方案，文獻［2］提出了當大電網出現故障解列時機組孤網運行時開放一次調頻限制的措施，但針對DEH本身的改進因客觀條件限制無法實施。隨著我國經濟的發展，許多大型企業都有自備電廠，從經濟性和社會其他因素的考慮，會選擇孤網運行，這就需要DEH能夠適應孤網運行的特點，以保證小網的頻率穩定，為企業的主業生產提供穩定電能。

經過近些年的發展，國產DCS系統已經廣泛應用到火電機組生產過程的各個環節，技術日趨成熟，為DEH的研制和應用提供了很好的平臺。在LN2000分散控制系統基礎上設計開發了具有孤網運行方式的DEH系統，并在某公司兩臺60 MW機組應用取得成功。

1 DEH控制策略分析

1.1 孤網方式控制策略

常規DEH控制系統是80年代引進的美國西屋公司的技術，而其技術主要是應用于大電網中的機組，鑒于大電網和孤網的特點不同，需要對其進行改進以適應孤網運行的特點。在孤網運行方式下，機組啟動達到額定轉速后可以并網，并網后控制電網頻率，在負荷變化的情況下自動保持電網頻率的穩定，實現一次調頻功能。運行人員關注的問題不是負荷調整，而是通過操作DEH系統的給定值調整孤網頻率，使之維持在額定頻率附近，完成二次調頻。由于孤網容量較小，DEH系統應具有更高的靈敏度，更小的遲緩率和更快的動態響應［3］。

在大網中，電網調度會對每臺發電機組下達負荷指令，所以常規DEH在機組并網后，控制方式多為功率控制方式、協調控制方式等，這些控制方式的控制目的都為控制機組負荷。常規DEH網頻的調整由一次調頻來完成，而且一次調頻的投入負荷范圍和調節幅度都有一定限度，一般來講，一次調頻都會設定調頻死區。常規DEH面向的是大電網，大電網一般不要求上網機組參與二次調頻，所以常規DEH不設計自動二次調頻功能。常規DEH的OPC設定動作值為額定轉速的103%（3 090 r／min），當機組轉速到達OPC動作值，汽輪機主蒸汽調節閥門和再熱蒸汽調節閥門都會關閉，等機組轉速低于OPC動作值后才會打開。

以控制負荷為目的的控制方式在孤網運行時已經不適用［4］。孤網運行的負荷是由實際所需負荷決定，所以在孤網運行中，DEH的控制對象應為轉速（或頻率），使得孤網的頻率穩定在50Hz（3000r／min），頻率越穩定，說明DEH的調節效果越好。取消功率控制方式等控制負荷的閉環回路，孤網運行下DEH的控制應為閥位控制，具有孤網運行方式的DEH系統要求響應速度更快。

1.2 提高系統響應速度措施

通過增大伺服控制系統的開環放大倍數可以減小油動機時間。但過大的放大倍數會造成伺服系統振蕩。對于常見的積分型油動機，伺服控制器采用比例調節器，這樣可有效減小油動機時間常數。油動機的響應時間應小于0.3 s。

縮短DEH運算周期。將調節周期及延遲時間縮短到50 ms以內，可使發電機組甩負荷時轉速的動態響應基本與連續調節系統相當。將一次調頻轉速反饋閉環回路算法獨立出來，組成一個調節周期為50 ms的快速調節任務。它們包括轉速測量比較、不等率計算、修改總閥位給定、閥門曲線修正、閥門分配管理最終將各閥位給定輸出到伺服板。

修正閥門流量特性曲線。閥門流量特性曲線的死區會對調速系統的相應速度造成極大的影響，故在孤網狀態下，閥門流量特性曲線是否符合閥門特性直接影響調速系統的調節品質。如發現閥門調節存在死區，必須對其進行修正。

1.3 一次調頻和二次調頻

減小調頻死區，改善頻率的動態響應。考慮到頻繁出現的微量電網功率余缺，可依賴電網的自然調頻特性來調節供電頻率。但為避免機組功率頻繁波動，可人為設置一定的調頻死區。將一次調頻死區設為±1 r／min，在單機孤網工況時，應將調頻死區去掉。

優化調頻限幅。機組轉速降低，在一次調頻作用下開大調節閥，利用鍋爐蓄能的支持可增大發電功率。若鍋爐蓄能不足，可能會使蒸汽壓力下降過大。另外若調節閥開度過大，也可能使發電機功率過大。故可在加負荷方向上設置適當的限制。但為避免機組超速在關調節閥方向必須無任何限制（單機孤網在黑啟動時，調頻下限應由機組負荷決定，不能無限制）。

一次調頻對功率的調整是有差調節，即功率的變化是以頻率的偏差為代價，為了使孤網頻率回到50 Hz，必須對調節回路中的功率給定進行調整。

二次調頻為轉速PID控制，它在孤網運行時對負荷擾動具有良好的適應性，能自動根據不平衡功率調節機組出力，在機組調節范圍內實現無差調頻。二次調頻的PID參數整定建議頻率的快速調節主要在一次調頻中實現，故二次調頻中無需設置比例作用，積分作用是實現誤差調節，如設置太強，會引發孤網頻率震蕩，應適當減小積分作用。微分作為比例和積分的一個補充，主要作用在機組負荷徒增或者徒減時，實現對頻率的壓制或者提升。

1.4 OPC功能

鑒于孤網運行的特點，如OPC動作會造成負荷的大幅波動，OPC的反復動作對于孤網的頻率穩定起到了破壞作用，故OPC在并網后，根據實際情況采用兩種方式。1）直接取消OPC動作功能，或者提供OPC動作值至3 300 r／min，讓其與110%超速同時動作，單機孤網工況時，OPC的控制功能必須取消。2）采用轉速加速度來觸發OPC，避免OPC在穩定轉速過程中的反復動作。

2 DEH系統方案設計

2.1 系統配置

具有孤網運行方式的DEH系統采用了LN2000分散控制系統作為平臺，充分利用LN2000控制系統的軟硬件方面的優勢，軟件方面在常規DEH邏輯基礎上，結合孤網運行的特點，完善一次調頻功能，增加二次調頻功能，優化OPC功能設計，開發具有孤網運行方式的DEH系統。系統構成如圖1所示，系統配置了1臺工程師站和1臺操作員站，1對冗余控制器，在常規DEH系統配置的基礎上，硬件配置方面增加調頻模塊，配合伺服模塊實現對調節閥門的控制。以單抽純凝機組為例，系統配置見表1。

2.2 轉速測量

轉速測量由超速保護模塊完成。汽輪機測速采用了3個磁阻式探頭，探頭產生的信號分別送入3個超速保護模塊測得汽輪機的轉速。根據保護邏輯快速發出可靠的汽輪機超速保護信號，通過繼電器輸出驅動超速保護電磁閥和危急遮斷電磁閥，實現汽輪機超速保護功能，同時將整形處理后的轉速信號輸出到控制器。

圖1 系統配置圖

表1 系統配置

汽輪機轉速測量齒輪是影響測量精度和測量周期的一個重要因素。在轉速測量算法中，通過計數器的計數值與占用時間比值計算轉速，測速齒輪的加工精度會影響測量精度，選擇與測速齒輪齒數整倍數相同的計數值可以消除其影響。測量周期為汽輪機旋轉一周的時間，當汽輪機轉速為3 000 r／min時，測量周期為20 ms。

2.3 伺服模塊

伺服模塊用于閉環控制系統氣動或液動伺服的閥位控制。輸入指令4～20 mA，指令與LVDT反饋閥位信號進行P或PI調節之后，輸出±40 mA電流去驅動伺服閥。伺服模塊主要由2路LVDT信號調制解調電路、電壓／電流轉換電路、比例積分運算模擬電路等組成。其功能如下：具有LVDT適配器電路，振幅可調；兩路LVDT信號輸入，對應輸出兩路4～ 20 mA閥位信號，零點及滿量程可分別調整；兩路LVDT信號取大后與DEH來控制信號進行比較；可外接停機接點；可調整的比例，積分調節回路；面板上帶有開門／關門狀態指示。

2.4 控制算法

DEH系統采用全新的掃描方式，系統對邏輯塊自動排序，避免了邏輯運算中的逆序，此種掃描方式保證了DEH控制系統具有更高的靈敏度和更快的動態響應。增加甩負荷轉速壓制功能。孤網運行中外部設備的突然停運或者故障等極端工況，會使得孤網的網頻造成飛升，如DEH無法對機組轉速進行有效的壓制，電網會崩潰。研發了甩負荷轉速控制功能塊，對孤網運行中的甩負荷等極端工況下的網頻實現有效控制。

具有孤網運行方式的DEH一次調頻和二次調頻組態如圖2所示。機組并網以后，人工或自動投入調頻功能，實現一次調頻、二次調頻和甩負荷轉速控制。一次調頻功能為根據轉速設定值與實際轉速測量值之間的偏差，經過一次調頻函數運算后進行放大得出一次調頻的調頻量。一次調頻按照轉速不等率5%設定，不設置下限（孤網單機運行除外），放大倍數可根據機組運行實際情況設定。甩負荷轉速控制功能是根據轉速設定值與實際轉速測量值之間的偏差，經過轉速壓制函數運算后進行一定的放大倍數得出甩負荷轉速壓制的調頻量。轉速壓制函數要設定一定的死區，一般為10～20 r／min，或者更大，轉速偏差越大函數斜率越大。放大倍數一般設定為“1”，除特殊情況，不輕易放大。二次調頻功能是根據轉速設定值與實際轉速測量值之間的偏差，經過PID運算后得出二次調頻量。三者調頻量相加得出機組調頻量，加到DEH閥門流量值，實現對機組轉速調節。

圖2 一次調頻和二次調頻組態

3 具有孤網運行方式的DEH系統應用

在方案實施過程中，孤網方式下DEH的調試過程主要涉及的參數設置包括伺服模塊、一次調頻、二次調頻等。

伺服模塊的比例設置。汽輪機多配套積分型油動機，伺服控制器采用比純比例調節。設置時可先把比例值逐步增大，直到調節閥門產生振蕩，然后再逐步減小比例值，直到振蕩消除。

一次調頻的參數設置。調頻的轉速不等率一般設置為5%；死區的設置可在調試中從1 r／min逐步減小，觀察負荷的動態曲線，如負荷不頻繁波動，則可不設置死區；另外在單機孤網中，如遇黑啟動情況，一次調頻的幅度應有限制，可根據機組所帶負荷的大小決定調頻的幅度，避免一次調頻在動作時，甩負荷過大，電網崩潰。

二次調頻的參數設置。二次調頻是一次調頻的輔助，需配合使用。二次調頻的積分值設置范圍一般為3～8，如積分過大，會產生振蕩。微分的設置不易過大，一般微分的設定范圍為0～2。如有條件可進行100%或50%甩負荷試驗，進一步驗證調速系統的響應速度、控制精度等技術參數。

2011年此套系統首次應用，通過數臺機組的驗證，在孤網運行中，面對各種工況，調速系統都能滿足生產要求。如圖3所示，某公司機組在單機運行，負荷為49.36 MW，主蒸汽壓力為8.84 MPa、轉速為3 003 r／min。此時用電設備跳閘，甩掉負荷27 MW，DEH甩負荷轉速壓制功能模塊迅速動作，高調門指令瞬間下降，機組轉速得到壓制，最高升至3 067 r／min后逐步回調，3 min內轉速穩定至3 000 r／min。

圖3 孤網運行DEH趨勢圖

4 結語

采用了LN2000分散控制系統作為平臺，充分利用LN2000控制系統的軟硬件方面的優勢，軟件方面在常規DEH邏輯基礎上，結合孤網運行的特點，完善一次調頻功能，增加二次調頻功能，優化OPC功能設計，開發了具有孤網運行方式的DEH系統。生產應用表明，此系統可滿足孤網運行下的各種工況要求。

［1］李俊.火電廠單機帶孤網運行控制策略［J］.中國電力，2008，41（11）：51-54.

［2］何杰，項耀華.孤網方式下火電機組的應對措施［J］.江西電力，2009，33（3）：26-27.

［3］劉起超.汽輪機孤網運行控制系統的設計與實現［D］.西安：西安電子科技大學，2011.

［4］蔡筍，馮永新.孤網運行頻率穩定控制策略分析研究［J］.廣東電力，2012，25（2）：16-19.

Design and Application of DEH System with Isolated Network Operation Mode

According to the operation characteristics of the isolated network，we described the difference of DEH system control strategy between the traditional net and the isolated network in detail.We introduced the design scheme of DEH system of thermal power unit with the isolated network operation mode.In addition，we illustrated the feasibility of DEH system design scheme with isolated network operation mode.

turbine digital electro-hydraulic control system；isolated network operation；rotating speed control；design

TK263.7

：B

：1007－9904（2014）05－0077－04

2014-06-06

楊文強（1976—），男，工程師，從事火電廠熱工自動化生產管理工作；

雷文濤（1978—），男，工程師，從事火電廠控制系統的設計、調試工作；

王林（1974—），男，工程師，從事火電廠機組運行工作。