330MW機組負荷波動原因分析及優化策略

李克雷，李元元，高　嵩，李　軍，龐向坤

（1．國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南　250003；2.山東魯能智能技術有限公司，濟南　250101）

330MW機組負荷波動原因分析及優化策略

李克雷1，李元元2，高嵩1，李軍1，龐向坤1

（1．國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.山東魯能智能技術有限公司，濟南250101）

針對鄒縣發電廠3號機組負荷波動問題，對DEH系統控制回路、負荷控制回路等動態控制品質進行試驗。結果表明，造成機組負荷波動原因為DEH調節系統中閥門管理特性曲線參數設置與機組大修后現場實際不對應，閥門開度與通過閥門的蒸汽流量不對應。通過在線試驗對閥門流量特性曲線函數進行修正，負荷波動問題明顯改善。

DEH控制；負荷波動；流量特性

0　引言

根據山東電力調度運行規定，200MW及以上機組必須具備AGC功能，且一次調頻機組要求能夠快速地響應電網頻率的波動，這對發電企業的控制系統提出了更高的要求。2012年華北電監局頒布的《華北區域并網發電廠輔助服務管理實施細則》及《華北區域發電廠并網運行管理實施細則》（以下稱“兩個細則”）要求機組AGC響應速率、響應精度都應滿足要求，一次調頻正確動作率應達到80%以上。這要求機組汽輪機高壓調節閥門能夠快速對機組負荷變化做出響應。而某些機組高壓調節閥門的負荷響應速度提高時，極易產生機組有功功率過調或欠調，引起機組負荷不穩定，從而對電網負荷穩定產生一定影響。

以華電鄒縣電廠330MW機組為例，機組負荷控制過程中產生的負荷振蕩，當機組壓力為11.6MPa，負荷為273MW時發生±10MW的負荷波動，影響機組AGC控制指標，甚至存在退出AGC控制的現象。此過程中機組高壓調節閥門GV5/GV6/GV7/GV8多個開度點出現發散性振蕩現象，如圖1所示。

圖1　閥門流量曲線對負荷的影響

1　問題分析

1.1電網AGC控制要求

華北電網“兩個細則”對發電企業的考核系統，對電廠經濟效益產生較大的影響，要求電廠提高機組調節品質，滿足電網對負荷響應的快速性和穩定性要求。目前，省調AGC控制系統給每臺機組單次下發的命令偏差（即負荷變化幅值）主要分為3MW、6MW、10MW，其中300MW級及以下機組一般設置為3MW，個別電廠為5MW；600MW以上機組根據具體試驗情況設置為6～10MW。根據規定要求發電機組汽機主控參數能夠有較快的響應速度和控制精度，及時、準確地響應AGC指令。其中汽輪機調功的實現方法是汽輪機主控回路根據負荷偏差控制汽輪機高壓調節閥門動作，快速調節汽輪機的進汽量，進而實現機組負荷的快速響應。

目前火電機組基本采用基于鍋爐跟隨的協調控制方式，即鍋爐控制機組主蒸汽壓力，汽輪機控制發電功率［1］。汽輪機高調門流量特性的優劣直接關系到發電機組的控制品質和調節性能等問題，具有重要的研究意義。

1.2電網一次調頻控制要求

一次調頻是指汽輪機調速系統根據電網頻率的變化自動調節汽門開度［2］，改變汽輪機功率以適應負荷變化。由鍋爐蓄能支持一次調頻的能量，以適應快速、小幅度的負荷變化。這就對機組汽機高壓調節閥門線性度有較高的要求。

所以，在“兩個細則”的嚴格要求下，機組設備都接近于高效運行。通過單純的調節PID參數無法達到預期效果，嚴重影響機組的變負荷能力和一次調頻性能［3］。

2　DEH閥門流量特性局部優化及在線試驗

為確定負荷振蕩是否由控制品質不好造成，在振蕩現象以外工況，進行負荷擾動試驗。在不同負荷擾動（5MW、10MW、20MW）作用下，實際負荷跟蹤給定負荷良好，不同擾動下超調量為1～2MW，滿足控制要求。在負荷無擾動情況下，實際負荷波動小于0.4MW，且無顯著振蕩現象，表明調節系統控制效果良好，由此可排除協調控制回路中調節參數設置不當或設計原因造成的調節品質差。

DEH閥門流量特性曲線校正函數為一個重要的函數，在DEH邏輯中其為閥門開度與通過閥門的蒸汽流量的對應關系［4］。如圖2所示，其中f1（x）、f2（x）…f8（x）為DEH閥門管理程序中各高調門流量特性曲線校正函數。

圖2　DEH閥門管理程序示意

在機組汽輪機大修過程中調門進行解體檢修后，調門的流量特性線性度降低，高調門的原流量特性與調門實際流量特性產生較大差異，造成汽機高調門開度欠調或超調，從而機組出現負荷振蕩現象。如仍然按照原有閥門流量特性參數進行主蒸汽流量調節，將會造成實際流量達不到或超過蒸汽流量需求值，從而引起機組流量出現遲滯、突變或保持等現象，進而造成調門抖動、機組負荷響應振蕩或緩慢。因此，需優化多閥狀態下調門的流量特性，保障機組穩定可靠運行。

2.1汽輪機高壓調節閥門流量特性局部優化

機組汽輪機順序閥的開啟順序為：首先1號、2號、3號、4號高壓調門同時開啟至接近全開，然后開啟5號、6號高壓調門至接近全開，最后開啟7號、8號高壓調門。該機組出現負荷振蕩時，通過圖1可以發現GV5/GV6調門在30%開度出現振蕩現象。機組原GV1/GV2/GV3/GV4、原GV5/GV6和GV7/GV8閥門特性曲線分別如表1和表2所示。

表1　原GV1/GV2/GV3/GV4閥門流量特性曲線數據　%

GV5/GV6閥門流量在28.89%至100%范圍內，將調門在30%左右的特性進行平緩化處理。圖1中GV7/GV8調門在GV5/GV6振蕩過程同樣開啟且發生振蕩，故減小與GV5/GV6的重疊度。優化后的流量特性曲線如表3所示。

表2　原GV5/GV6和GV7/GV8閥門流量特性曲線數據　%

表3　優化后GV5/GV6和GV7/GV8閥門流量特性數據　%

優化前后GV5/GV6與GV7/GV8特性曲線如圖3所示。

圖3　優化前后GV5/GV6與GV7/GV8特性曲線對比

通過閥門流量特性局部優化后，振蕩現象只是稍微減弱，仍存在發散性振蕩，且在GV5/GV6的45%附近增加出現新的振蕩現象。由此判斷，大修后機組高壓調節閥門流量特性發生較大的變化，通過局部流量特性優化，無法得到理想的優化效果，需要進行高壓調節閥門流量特性在線試驗，從而實現閥門流量特性的整體優化。

2.2汽輪機高壓調節閥門流量特性在線試驗

為了提高機組運行經濟性，減少節能損失，高調門采用順序閥控制方式。機組當GV1/GV2/GV3/GV4調門處于全開狀態，GV5/GV6和GV7/GV8調門特性參數不合適，進行了高壓調節閥門流量特性曲線試驗，GV1/ GV2/GV3/GV4閥門流量特性曲線參數保持不變。

具體實施方案如下。

首先，解除機組AGC，切除一次調頻投入回路，在順序閥方式下，機組投入CCS控制方式，逐漸增加機組負荷至8個高壓調節閥門全開，保證機組電負荷不超發、鍋爐、汽機主要參數正常，并記錄此工況下的鍋爐主汽壓力作為試驗時需保持的壓力值。切除CCS控制方式和DEH遠方遙控方式，保持DEH在閥控方式，主汽壓力定壓投入自動控制。鍋爐在整個試驗過程中維持一個恒定的主蒸汽壓力，

然后強制GV7/GV8指令逐步關閉，在調門的非線性區域每關5%停留，線性區域每關1%停留，待主汽壓力穩定至恒定值后，記錄此時的GV7/GV8指令、主蒸汽壓力、機組負荷，直至GV7/GV8全關，保持GV7/GV8全關，將GV5/GV6指令逐步關閉，在調門的非線性區域每關5%停留，線性區域每關1%停留，待主汽壓力穩定至恒定值后，記錄此時的GV5/GV6指令、主蒸汽壓力、機組負荷，直至GV5/ GV6全關。最后在保持機組主要參數穩定的前提下，逐步釋放GV5/GV6/GV7/GV8開度指令強制信號，投入DEH遙控和CCS控制方式，試驗結束。

試驗原始數據見表4。

表4　閥門流量特性在線試驗原始數據

3　高調門流量特性優化及分析

3.1高調門流量特性試驗數據處理

根據試驗過程中記錄的閥門開度指令、機組負荷、主汽壓力等主要參數，將試驗原始數據通過數據分段、數據標幺及線性化處理，即可得出GV5/GV6、GV7/GV8調門的真實流量特性數據，如表5所示。

表5　試驗后GV5/GV6和GV7/GV8閥門流量特性曲線數據　%

前一閥門尚未完全開啟，下一閥便提前打開，當前一閥門全開時，下一閥門提前開啟的量即為重疊度。兩個調門之間的重疊度的選擇，直接影響機組蒸汽流量是否線性，重疊度選擇不合適，將造成閥門流量特性曲線局部不合理［5］。例如閥門GV7/GV8在閥門GV5/GV6全開以后再開始開啟，那么閥門的總升程與流量的特性線將是過于曲折而不是光滑和連續的，從而造成負荷波動引起機組負荷的超調或滯后。相反，如果重疊度過大，閥門的節流損失增加，機組的經濟性降低。故合適的重疊度能夠提高汽機調節級效率［6］。

故設置閥門GV5/GV6與閥門GV7/GV8重疊度為3%，則可以得出此4個閥門在增加重疊度后流量特性曲線如表6所示。

表6　增加重疊度后GV5/GV6和GV7/GV8閥門流量特性數據　%

3.2優化后高調門流量特性分析

對比試驗前后GV5/GV6和GV7/GV8的閥門流量特性曲線如圖4所示。

圖4　在線試驗前后GV5/GV6與GV7/GV8特性曲線對比

由圖4可以看出，機組的閥門流量特性在大修后發生了較大的變化，已經無法滿足機組的AGC和一次調頻控制要求，甚至發生會發生調門震蕩，對設備造成損傷；使負荷發生波動，對機組的穩定運行產生不利影響。

4　高調門流量特性試驗后校核及效果分析

根據上述試驗，修改DEH中閥門GV5/GV6和GV7/GV8的流量特性函數，在保證機組鍋爐燃燒穩定的前提下，投入CCS控制方式，升負荷至機組額定容量，調整主蒸汽壓力，至高調門全開，以5MW的幅值減負荷，直至所有高壓調門全關。在此過程中觀察GV5/GV6和GV7/GV8開度指令穩定無振蕩現象，負荷變化平滑無突變現象。

對閥門流量特性試驗所得驗數據進行處理，并結合試驗之前存在波動現象，重新計算出當前工況下閥門流量特性。在DEH相關參數修正后，機組運行人員通過降負荷試驗驗證GV5/GV6、GV7/GV8的閥門流量特性，機組主汽壓力、負荷變化平穩，高調門GV5/GV6在30%左右開度波動現象消除，且GV5/GV6和GV7/GV8開度位置線性度良好，負荷振蕩現象消除。如圖5所示。

圖5　閥門流量特性試驗后負荷變化及調門開度曲線

5　結語

機組負荷出現波動，引起主汽壓力及鍋爐燃燒的劇烈波動，造成機組負荷控制偏差大，導致切除協調控制和AGC運行方式，給機組的穩定性和經濟性帶來較大影響。通過分析排除自動控制PID參數因素，主要原因為DEH閥門管理程序中調門流量特性校正參數與實際閥門特性不一致。通過對閥門流量特性試驗實測數據的處理與分析，計算得出DEH閥控邏輯中優化后的順序閥流量特性曲線校正參數，并對參數修改后進行驗證試驗，證實該機組在原30%開度出現的負荷波動消除，自動控制品質得到提高，AGC控制指標滿足要求，同時一次調頻正確動作率也有顯著提高，提高了電能質量，有效地保障了電網和機組的安全穩定運行。

［1］畢貞福.火力發電廠熱工自動控制實用技術［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［2］郎澄宇，史昱，廖大鵬.機組運行方式對一次調頻的影響與對策［J］.電站系統工程，2012，28（2）：63-64，66.

［3］田雷.汽輪機閥門管理的優化及實現［J］.廣西電力，2008（2）：42-44.

［4］王玉輝.汽輪機高壓調門流量特性測試分析［J］.廣西電力，2012，35（2）：73-76.

［5］魯葉茂，曹濤.汽輪機調門最佳重疊度的確定方法［J］.發電設備. 2005，19（6）：378-379.

［6］田松峰，史志杰，閆麗濤.汽輪機控制系統中閥門重疊度的研究［J］.汽輪機技術，2008，50（6）：448-450.

Analysis and Optim ization Strategy for Load Fluctuation of 330MW Unit

LIKelei1，LIYuanyuan2，GAO Song1，LIJun1，PANG Xiangkun1
（1.State Grid ShanDong Electric Power Research Institute，Jinan 250003；2.ShanDong Lu Neng Intelligence Technology Co.，Ltd.，Jinan 250101）

For the problem of load fluctuation of No.3 unit in Zouxian power plant，various dynamic quality control testswere carried out regarding the DEH servo control circuit，load control circuit，etc.Results show that load fluctuation of the unit was caused by the poor correspondence between DEH regulating system in valvemanagement characteristic curve parameters setting and the unit overhaul after the actual site，and the poor correspondence between the valve opening and flow of steam through the valve.Bymeans ofmodifying the valve flow function，the load fluctuation is improved obviously.

DEH control；load fuctuation；characteristics of valve flow

TK323

B

1007-9904（2016）03-0048-05

2015-09-26

李克雷（1984），男，工程師，從事電廠熱工自動與保護工作。