1000MW超超臨界機組調閥快關邊界條件分析與應用

宋曉輝，梁恒，陳新明，普建國，廖軍林，伍剛，尹金亮

1000MW超超臨界機組調閥快關邊界條件分析與應用

宋曉輝1，梁恒1，陳新明2，普建國1，廖軍林1，伍剛1，尹金亮3

（1．西安熱工研究院有限公司，陜西省 西安市 710054；2．中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京市 昌平區 102209；3．國家電投集團河南電力有限公司技術信息中心，河南省 鄭州市 450000）

某1000MW超超臨界機組在冷態沖轉過程中出現調閥頻繁快關動作，造成閥體支撐晃動大，無法繼續升速。針對這一問題，試運現場通過調整沖轉參數、檢查電磁閥油路、重新化驗控制油油質等措施仍未得到解決。為此，從轉速控制邏輯出發，分析快關動作發生的條件及調閥快關過程中比例積分(proportion integration，PI)調節量的變化，得出快關過程中影響總流量指令(即最終的閥位開度)最主要的因素是轉速調節的前饋量變化，而并非是轉速PI輸出量的變化。依據這一分析，在不改變沖轉參數、閥門流量特性曲線的條件下，計算出轉速控制前饋量的邊界值。通過多次嘗試確立前饋量的最優值，避免控制邏輯中因參數設置不合理而觸發調閥快關動作。優化后實際轉速跟隨設定值平穩上升，調閥開度線性開啟，不再出現頻繁擺動，達到升速控制的要求。

超超臨界機組；頻繁快關；轉速控制；調節量；前饋量；最優值

0 引言

汽輪機組的冷態沖轉是機組安全穩定運行的關鍵環節，上海電氣集團股份有限公司上海汽輪機廠(以下簡稱“上汽”)1000MW機組的沖轉嚴格按照自動升速控制程序執行。沖轉過程中出現的故障狀況迥異[1-6]，目前調閥頻繁快關造成跳機的情況大多出現在閥門活動性試驗(active turbine test，ATT)過程中[7]。文獻[8]研究發現跳閘電磁閥油路卡澀，造成調閥快關。文獻[9]研究發現高壓調閥存在空行程，在某個連接處存在松動，造成調門振蕩。運行中還出現過因調閥反饋差動位移傳感器(linear variable differential transformer，LVDT)波動大而造成閥位信號振動的問題[10]；甚至在控制油泵聯動過程中也出現過調門快關的問題[11]。以上大多數故障都出現在汽輪機帶負荷階段，調閥已經經歷了冷態、熱態的各種考驗，并且暴露的問題多數與蒸汽參數、控制油回路、測量裝置、LVDT桿的信號傳輸、汽輪機熱應力等因素[12-19]有關。在實際處理中，通過硬件設備的更換、維修，基本上可以解決上述因物理、機械、信號等故障而造成的調閥快關問題。

本文中調閥快關發生在汽輪機首次冷態沖轉階段，在故障初期通過排除以上故障隱患后仍未得到解決，因此從另一個角度出發，重點分析沖轉過程中轉速控制邏輯，計算調閥快關動作的邊界條件，為該問題的解決提供一種新的思路，對同類型機組在啟動調試階段的故障排除具有一定的指導作用。

1 機組概述

某電廠汽輪機采用上汽生產的C1000-28/0.4/600/610型高效超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、抽汽凝汽式汽輪機。機組設有9級非調整回熱抽汽，分別供應4臺高壓加熱器、1臺除氧器、5臺低壓加熱器，另外設計有外置式蒸汽冷卻器。

汽輪機的主汽閥與調閥組件分別布置在高壓缸兩側。每個組件包括一個主汽閥和一個主調閥，并且共用一個閥殼。主汽閥可以迅速關斷以截斷主蒸汽管道的蒸汽，關閉時間極短且可靠性極高；主調閥可根據機組負荷要求控制進入高壓缸的蒸汽流量。主汽閥是一個內部帶有預啟閥的單閥座式提升閥，由油動機開啟，由彈簧力關閉。主調閥帶有中空的閥碟閥桿，在位于內閥蓋的閥桿襯套滑動，在閥碟上設有平衡孔以減小機組運行時打開調門所需的提升力，同樣地，調門也由油動機開啟，由彈簧力關閉，這樣在系統或汽輪機發生故障時，主汽閥和調門能夠立即關閉，確保安全。閥門布置如圖1所示。

1—主蒸汽進口；2—高壓缸；3—主汽閥；4—主汽閥油動機；5—主調閥；6—主調閥油動機；7—進汽插管。

2 快關過程及調閥流量特性分析

2.1 快關過程

上汽1000MW超超臨界機組于2018年11月8日具備沖轉條件，主蒸汽參數為7.406MPa/ 400℃，再熱蒸汽參數為1.129MPa/400℃，背壓為9.677kPa。機組冷態階段首次沖轉至360r/min后充分暖機，判定暖機結束后開始升速，在升速過程中高、中壓調閥出現大幅度擺動，就地異響明顯，嚴重影響繼續升速，打閘停機后繼續沖轉，仍出現上述現象。從分散控制系統(distributed control system，DCS)采集的沖轉過程調閥指令反饋的變化曲線如圖2所示，可以看出，高壓調閥在轉速360~1400r/min區間內頻繁快關，對應的調閥開度為1.99%~8.82%；中壓調閥在轉速360~1800r/min區間內頻繁快關，對應的調閥開度為0.81%~5.19%。當轉速升至2200r/min以上時，高、中壓調閥開始平緩開啟，不再出現頻繁快關的現象，就地異響現象消失，汽輪機順利定速在3000r/min，各瓦振動正常。

2.2 調閥流量特性分析

調門的流量特性曲線決定了沖轉階段的閥門開度。每個調節閥上裝有一個比例控制器，為了改善控制特性，閥位控制器接收來自主控制器信號，每個控制閥有一個閥門特性校準，其將進汽流量要求信號(來自主控制器)轉化為閥位指令信號，油動機上測得的閥位信號作為反饋送入閥位控制器，從而控制調節閥的閥位。如果實際閥位信號失效，則相應的控制閥緩慢關閉。表1、2分別為高、中壓調閥流量特性數據，圖3、4分別為對應的流量特性曲線。

1—高壓主汽壓力；2—主汽溫度；3—中壓主汽門前壓力；4—再熱溫度；5—真空；6—實際轉速； 7—高壓調閥1號快關信號；8—高壓調閥2號快關信號；9—中壓調閥1號快關信號。

從圖3可以看出，當高壓調閥開度在0~ 22.31%時呈線性開啟狀態，對應的流量指令SFD為0~75%，該階段進汽流量較大，一旦調閥出現頻繁快關，對機內進汽流量的擾動劇烈，轉速控制更困難。當高壓調閥開度在22.31%~47%時緩慢開啟，對應的SFD為75%~93%，高壓調閥基本上可以達到全容量進汽。繼續增大高壓調閥開度至50%以上時，對進汽流量的影響較小。

從圖4可以看出，中壓調閥呈現出與高壓調閥類似的流量特性，當中壓調閥開度在17%以下時，對應的流量指令SAF隨開度的增加呈線性規律增大，在17%~37%時對應的流量指令變化幅度較小。主要的區別之處是中壓調閥開度在37%時，對應的流量指令就可以達到84%，繼續增大中壓調閥，流量指令接近全開狀態。

調閥的流量特性曲線反映了該閥門設計與制造的屬性，不宜輕易改變與修改。沖轉階段所需蒸汽流量較少，調閥開度處在線性上升區間，如果總流量指令能平穩輸出，則調閥就能平緩開啟，滿足升速的要求。因此，在不改變調閥流量特性參數的條件下，如何做到在沖轉階段調閥線性平緩開啟，是避免調閥快關問題發生的主要突破點。

表1 高壓調閥流量特性數據

表2 中壓調閥流量特性數據

圖3 高壓調閥流量特性曲線

圖4 中壓調閥流量特性曲線

3 快關邊界條件分析

3.1 快關條件的判定

上汽汽輪機調閥快關邏輯的判定條件一般設置為：當閥位反饋對應進汽流量值大于閥門進汽流量設定值25%以上時，調閥快關電磁閥失電，使調閥快關，防止汽輪機超速。當閥門進汽流量設定值與閥位反饋對應進汽流量值的差小于25%時，快關指令消失。

以高壓調閥1快關邏輯為例，汽輪機的高壓調閥1閥位反饋通過一個折線函數計算出對應的高壓調閥進汽流量指令(SFD)，然后再和汽輪機高壓調閥進汽流量設定值(SFD1)進行比較，如果偏差大于25%，就會觸發快關。快關動作時，調門跳閘電磁閥1、2失電，調門伺服閥輸出為最大的負電流，使調門快速關閉；當高壓調門快關動作時，會通過邏輯觸發同側的中壓調門快關。通過沖轉階段歷史曲線發現，升速過程中調門指令與反饋偏差頻繁大于25%。沖轉過程中調閥快關動作曲線如圖5所示。

3.2 轉速控制邏輯

汽輪機組的轉速是通過改變主汽閥和調節汽閥的位置來控制的。汽輪機控制系統將要求的閥位信號送至伺服油動機，并通過伺服油動機控制閥門的開度來改變進汽量。數字?電?液控制系統 (digital electric hydraulic control system，DEH)接收來自汽輪機組的反饋信號(轉速、功率、主汽壓力等)及運行人員的指令，進行計算，發送輸出信號至伺服油動機，驅動閥門開啟對應的開度[20-21]。

1—轉速偏差psf40；2—換算后的轉速偏差比psf560；3—控制回路的前饋量n410；4—實際轉速；5—設定轉速；6—總流量輸出指令ynprom；7—高壓調閥1反饋；8—高壓調閥2反饋；9—中壓調閥1反饋；10—中壓調閥2反饋。

在轉速控制方式時，延時轉速設定和實際轉速的偏差以sf40表示。該轉速偏差與額定轉速的比值轉換成轉速偏差比sf560。將sf560除以轉速不等率0.05得到的sf580作為比例積分(proportion integration，PI)調節器的輸入量。轉速偏差比sf560乘上比例系數dn作為轉速控制回路的前饋量，用410表示：

410=dn′sf560(1)

在轉速控制回路中最終的總流量輸出指令nprom是由410直接和PI調節器的輸出量idout相加所得，即

nprom=idout+410(2)

總流量指令按式(3)和(4)形成高壓調閥進汽流量指令SFD和中壓調閥進汽流量指令SAF，最后根據閥門流量特性曲線形成高、中壓調閥的閥位指令。

SFD=(nprom+0%)/(80%-0%)(3)

SAF=(nprom+4%)/(56%-4%)(4)

DEH中設置的轉速控制邏輯如圖6所示。

圖6 轉速控制SAMA圖

3.3 邊界條件的計算與優化

從調門快關判定條件得知調閥快關動作條件：

當閥門快關時反饋指令=0，此時￠=-0.25，根據式(3)計算得出nprom等于20%。即當調閥快關的瞬間，總流量指令瞬時變化20%。同理根據式(4)計算得出，總流量指令瞬時變化9%時中壓調閥快關。

根據式(2)可知，轉速控制階段總流量指令由PI調節器輸出量和前饋量共同決定。取圖5中總流量指令nprom變化量為?10.5%的時刻，此時調閥快關動作，其中前饋量410變化?9%，PI調節器輸出量僅變化?1.5%。由此判斷對流量指令起決定性作用的是前饋量410的變化量。因此重點對前饋量進行分析。取沖轉過程高、中壓調閥快關的某一時刻(圖5中轉速實際值為585r/min，轉速設定值為602r/min)，此時對應的nprom變化量為22%，410變化量為17.3%，idout變化量為4.7%。由前述計算可知高壓調閥快關時nprom的邊界值為20%，將當前idout的值代入式(1)、(2)中，計算得到dn為26.52。因此在轉速偏差不變的情況下，只要dn>26.52，則高壓調閥快關，進而引起中壓調閥快關。

同樣地，取沖轉過程中調閥快關的另一時刻(圖5中轉速實際值為1685r/min，轉速設定值為1677r/min)，此時對應的nprom變化量為11.4%，410變化量為10.5%，idout變化量為0.9%。將中壓調閥快關時nprom邊界值9%和該時刻下的idout值代入式(1)、(2)中，計算得到dn為31.35。因此當轉速偏差不變的情況下，只要dn>31.35，則中壓調閥快關。

控制系統中原系數dn設置為30，根據計算出的快關邊界條件，通過上述分析將原值修改至25以下，經過多次反復試驗，當系數dn取20時，調節品質最佳，因此最終確定將系數dn修改為20。

修改前饋量比例系數后，升速階段轉速平穩上升，調門閥位波動較小，滿足平穩安全升速要求[22]。優化后的沖轉過程曲線如圖7所示。

4 結論

對汽輪機發生的調閥快關問題進行了整理與分析，得出以下結論：

1）大多數的調閥快關動作發生在帶負荷階段，該階段應重點從控制油油質、電磁閥油路、LVDT信號傳輸以及汽輪機熱應力等方面進行分析解決和預防。

1—轉速偏差psf40；2—換算后的轉速偏差比psf560；3—控制回路的前饋量n410；4—實際轉速；5—設定轉速；6—總流量輸出指令ynprom；7—高壓調閥1反饋；8—高壓調閥2反饋；9—中壓調閥1反饋；10—中壓調閥2反饋；11—高壓調閥1號快關信號；12—高壓調閥2號快關信號；13—中壓調閥1號快關信號；14—中壓調閥2號快關信號。

2）對于發生在冷態沖轉過程中出現的調閥快關問題，應重點從內部控制邏輯入手，對影響升速階段總流量指令的因素(即PI輸出量與轉速控制前饋量)分別加以分析，并得出對流量指令起決定性作用的因素是轉速控制前饋量。

3）結合調閥快關動作發生的判定條件，分別計算出發生調閥快關時總流量指令的邊界條件，以及高、中壓調閥快關動作時前饋量比例系數的邊界值。

4）按照計算出的快關邊界條件，對原邏輯中的前饋量比例系數進行修改，并多次反復試驗，最終確定最優值，使轉速調節品質達到最佳，滿足升速過程平穩安全的要求。

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Analysis and Application of Fast Closing Boundary Conditions for Governing Valves of 1000MW Ultra-supercritical Unit

SONG Xiaohui1, LIANG Heng1, CHEN Xinming2, PU Jianguo1, LIAO Junlin1, WU Gang1, YIN Jinliang3

(1. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, Shaanxi Province, China; 2. Huaneng Clean Energy Research Institute, Changping District, Beijing 102209, China; 3. Technical and Information Center, State Power Investment Company Henan Electric Power Co., Ltd., Zhengzhou 450000, Henan Province, China)

The frequent fast closing action of the governing valve in a 1000 MW ultra-supercritical unit occurred during the cold running process, which caused the valve body to sway greatly and could not continue to speed up. The problem had not been solved by governing the impulse parameters, checking the solenoid valve oil circuit,retesting the control oil quality and other measures. Therefore, starting from the speed control logic, the conditions of fast closing action and the change of proportional integral (PI) regulating quantity were analyzed. It was concluded that the main factor affecting the total flow instruction (the final valve position opening) in the process of fast closing is the feedforward change of speed regulation, not the change of PI output. Based on this analysis, the boundary value of feedforward quantity of speed control was calculated without changing the impulse parameters and the flow characteristic curve of the valve. Through many attempts to establish the optimal value of feedforward quantity, the fast closing action of the governing valve can be avoided due to the unreasonable parameter setting in the control logic. After optimization，the actual speed rises steadily with the set value, the valve opening is opened linearly, and there is no more frequent swing, which meets the requirements of speed up control.

ultra-supercritical unit; frequent fast closing; speed control; regulating quantity; feedforward quantity; optimum value

10.12096/j.2096-4528.pgt.20004

TK 38

國家重點研發計劃項目(2019YFE0100100)。

Project Supported by National Key Research and Development Program of China (2019YFE0100100).

2020-03-11。

(責任編輯 尚彩娟)