汽輪機高壓調節汽門擺動分析及控制策略優化

徐仁博，徐世明，王曉波，劉 娟，劉志江

(1.華能大連電廠，遼寧 大連 116011；2.華能營口熱電有限責任公司，遼寧 營口 115003；3.中國市政工程東北設計研究總院有限公司,吉林 長春 130012；4.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

DEH調節品質好壞直接影響到電廠汽輪機安全、穩定、經濟運行，對供電品質和電網的可靠、高效運行也有重要作用。汽輪機高壓調節汽門(高壓調門)作為DEH配汽執行機構的主要設備，其能否正常動作直接決定DEH調節品質。汽輪機高壓調門擺動問題是很多電廠汽輪機的通病，其有效防控和解決對電廠的安全工作具有實際意義[1-3]。

1 機組概況

華能營口熱電有限責任公司(簡稱營口熱電)1號、2號機組分別于2009年12月3日、2009年12月13日投產發電，2臺機組為330 MW抽凝機組，汽輪機為哈爾濱汽輪機有限責任公司制造的C260/N330-16.7/538/538型亞臨界參數、一次中間再熱、單軸、兩缸、兩排汽、雙抽供熱式機組。該汽輪機的高壓進汽部分由2個高壓主汽門和4個高壓調門組成，2個高壓主汽門編號為TV1、TV2，4個高壓調門編號為CV1、CV2、CV3、CV4。閥門設有單閥和順序閥2種運行方式，由于順序閥與單閥相比具有較小的節流損失，可顯著提高汽輪機實際循環熱效率，進而降低發電煤耗，因此營口熱電常規采用順序閥運行方式。2臺機組的DCS控制系統采用和利時MACSV系統，正常運行時投入AGC方式，DEH系統通過硬線信號接受DCS汽輪機主控制器給出的設定值，將其轉換成每個高壓調門對應的開度指令，來控制汽輪機進汽量。

2 存在問題

2臺機組自投產以來，汽輪機所有高壓調門控制基本平穩。隨著機組運行時間延長，現在1號、2號汽輪機組的3號高壓調門(CV3)在較高負荷運行時擺動較大，經過檢查曲線發現CV3大幅度擺動情況頻繁發生在270 MW負荷以上且DEH總閥位指令達到87%～93%的工況下，CV3出現了大幅度的擺動現象，當DEH的閥門總指令在順序閥相鄰2個閥門的交叉點上小范圍波動時，這種擺動會持續發生，造成機組負荷、主汽壓力、門體和EH油壓同步波動，某負荷下CV3擺動相關參數曲線如圖1所示。

圖1 300 MW負荷各個閥門擺動曲線圖

3 原因分析

3.1 原閥函數特性曲線不合理

由圖2可知，順序閥閥門管理中，CV1、CV2閥同時開啟，根據DEH閥門特性曲線函數關系，當閥位總指令達到81.6%時，CV1、CV2閥指令全開，當閥位總指令在87.7%～93.6%變化時，CV1、CV2閥在100%位置保持不變。由圖2可知，CV3閥在CV1、CV2閥開啟后打開，當閥位總指令在87.7%～93.6%變化時，CV3閥開度在21%～100%之間變化，造成閥門總指令有較小變化時，CV3閥動作幅度也會很大；CV4閥在CV3閥開啟后打開，根據閥函數特性曲線關系，當閥位總指令在87.7%時CV4指令全開，當閥位總指令在87.7%～93.6%變化時，CV4閥開度在0%～10%有小幅度變化。

圖2 原順序閥函數特性曲線

部分開啟調節汽門的流量方程為[4]

(1)

式中：G為部分開啟調節汽門蒸汽通過的流量，kg/s；β為部分開啟調節汽門流量比系數；A為部分開啟調節汽門已經開啟的面積，m2；p0為調節汽門前蒸汽壓力，Pa；v0為調節汽門前蒸汽比體積，m3/kg。

部分開啟調節汽門在某一開度下的流量比系數方程為

(2)

式中:εn為部分開啟的調節汽門前后壓力之比。

在此說明，當部分開啟的調節汽門前后壓力比滿足εn>εcr時，蒸汽通過調節汽門為亞臨界流動，β為式(2)計算所得；當部分開啟的調節汽門前后壓力比滿足εn<εcr時，蒸汽通過調節汽門為臨界或超臨界流動，β=1。

由式(1)可以看出調節汽門的流量主要受β、Α、p03個參數影響，當p0一定時，G主要受β、A控制。由于總閥位指令在后半程87%～93%范圍，由式(2)計算β值越來越小，欲達到需要的蒸汽量必須開大閥CV3、CV4，即通過增大調節汽門開啟面積A來增加蒸汽流量。圖2表明總閥位指令在87%～93%范圍，CV4開度在0%～10%大范圍內變化，而CV3開度在20%～100%大范圍內變化，CV3開度大范圍變化相當于增大了控制系統的比例增益，導致穩定裕度下降，當擾動增大和自身調節系統結構參數變化時，將引起DEH系統不穩定，進而造成CV3擺動。

3.2 DEH控制系統閥門動態響應特性不佳

DEH控制系統中各閥門控制回路的控制性能直接影響系統的穩定性。當“PID”電位器參數設定不恰當，對DEH控制系統所有閥門發出控制指令時，若CV3閥門控制回路動態響應不佳，存在超調現象，將會造成CV3嚴重擺動。

3.3 擾動增大

機組運行初期，機組調頻功能較弱，供熱負荷小并且調整范圍不大，主汽壓力的控制品質也比較好，因此DEH系統在AGC負荷指令穩定時所形成的閥門總指令很穩定，分配到每個閥門的開度指令在負荷相同的情況下幾乎沒有變化，機組經常運行的幾個負荷點很少落在順序閥控制中2個相鄰閥門的交叉點上。

當機組一、二次調頻以及電網AGC指令的調頻功能加強后，機組的電負荷指令不再是一個穩定值，DEH接收到的設定點也不再保持穩定，而是經常在小范圍內波動。隨著熱負荷調整峰谷差范圍增大，單位質量蒸汽做功能力減小，由式(1)可知調節汽門將需要更大的開度來滿足流量要求，使得同樣電負荷情況下對應的閥門總開度經常發生變化。由于DEH系統汽輪機的高壓調門有4個，順序閥方式時高負荷下CV1和CV2一直開滿，其它2個閥門CV3、CV4按照閥函數特性曲線關系參與調節，2個閥門間存在交叉重疊(即重疊度)，如果閥門重疊度選擇不好，將使交叉點閥門擺動的概率增大。

總之，高壓調節汽門嚴重擺動問題從控制原理的角度屬于系統穩定性問題，由于DEH系統的某環節參數不合理、調節慣性、超調的增大、閥門自身的流量特性改變等原因，影響了整個DEH系統的穩定性。加之原來的閥函數特性曲線局部過陡，即比例系數較大，穩定裕量較小，抗擾能力相對較弱。當外界供暖的抽汽量逐年增大，實時調節峰谷差增大，一次調頻更為頻繁時，最終導致高壓調節汽門CV3在某閥位指令范圍內嚴重擺動。

4 解決方案及效果

4.1 閥門控制回路動態響應特性調整

針對DEH控制系統的閥門控制回路動態響應特性調試，主要利用機組停機，對DEH控制系統所有閥門進行“靜態響應特性”試驗。通過閥門“靜態響應特性”試驗發現，CV3閥在靜態響應特性初期有超調現象，經過反復調整控制回路的調解參數，最終超調現象消除。

4.2 邏輯控制策略優化

邏輯控制策略優化主要通過修改DEH系統閥門管理中的CV3、CV4閥函數特性曲線和一次調頻控制邏輯改進優化兩方面實施的。

針對CV3、CV4高調門的閥門特性函數曲線進行優化，盡量減小局部過大的閥門開度比例增益。修改的CV3、CV4閥函數特性曲線的指令邏輯如表1、表2所示，順序閥函數特性曲線修改前后對比如圖3所示。

表1 修改前后3號閥位指令 %

表2 修改前后4號閥位指令 %

圖3 順序閥函數特性曲線修改前后對比

針對一次調頻擾動的情況，由圖3可知，考慮到高負荷下CV3、CV4閥門開度變化較大，進而導致出現閥門持續擺動問題。在DEH控制系統的一次調頻邏輯中加入負荷與總閥位指令的限制功能，降低高負荷、高壓力下的一次調頻系數，進一步解決了負荷較高時主汽壓力升高，一次調頻過調而造

成的閥門擺動問題。此邏輯可改變高負荷下的調頻系數，從而改變高壓調門參與調頻的動作幅度，進而減輕CV3閥擺動情況。

4.3 解決效果

按前文所述解決CV3擺動問題的方法，通過合理的實施方案，CV3、CV4閥函數特性曲線及一次調頻控制邏輯進行修正后靜態測試正常，帶負荷邏輯測試，各調門在不同的負荷狀態下調節平穩。

5 結束語

通過介紹營口熱電2臺機組運行在270 MW以上且DEH總閥位指令達到87%～93%的工況下，CV3出現了20%～100%大幅度擺動的故障，并進行原因分析。在解決方法上不單從修改閥函數特性曲線著手，而從控制系統整體分析影響系統穩定性，提出對2臺330 MW供熱機組的閥門控制回路動態響應特性調整、閥函數特性曲線的優化及一次調頻控制邏輯修改的組合方法。利用本文提出的方法，解決了CV3閥嚴重擺動問題。

參考文獻：

[1] 呂雪霞，李照忠，邢 媛．600 MW亞臨界空冷機組汽輪機高調門擺動問題的分析及解決方案[J]．節能技術，2012，30(3)：258-261．

[2] 侯劍雄，黃碧亮．600 MW超臨界汽輪機滑壓優化研究與實施[J]．東北電力技術，2016，37(1)：52-55.

[3] 蘇 偉．高壓調門靜態特性曲線偏離理論曲線的原因[J]．東北電力技術，2001，22(12)：32-35．

[4] 李 勇，曹麗華，劉 莎．汽輪機調節汽門數學模型的建立方法研究[J]．汽輪機技術，2008，50(4)：241-243.