660 MW 機組甩負荷試驗轉速二次飛升原因分析及處理

張新勝，宋佳輝，丁 寧，翁 景

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012）

0 引言

甩負荷試驗在檢驗火力發電機組汽輪機調節系統動態特性中起到了重要作用，是預防發生超速事故的有效措施[1]。某超超臨界機組DEH（汽輪機數字電液控制系統）通過并網斷路器斷開、KU（負荷瞬時中斷）和LAW（長甩負荷）來進行甩負荷判據，通過功率不平衡引起的調閥指令和反饋偏差大來進行快關調閥，從而抑制轉速飛升[2]。近年來，隨著單機容量的增大，為了防止甩負荷時轉速飛升過高，各個電廠通過甩負荷試驗中發現的問題，從而對甩負荷判據、甩負荷回路傳輸速度等內容進行優化。袁岑頡[3]等人通過DEH 與ETS（汽輪機跳閘保護系統）將涉及甩負荷試驗的主要信號廣播頻率設置為F（快速），并采用C20觸發直接硬接線切斷電磁閥電源，確保甩負荷時停機電磁閥的及時響應，有效防止轉速飛升過高；王異成[4]等人對高壓調節閥閥位控制偏差定值的形成與修改進行了討論，若隨意對該定值進行修改，會存在甩負荷試驗時轉速飛升過高的現象；程貴兵[5]等人對甩負荷的關鍵技術進行了研究，著重分析了OPC（超速保護控制）復位時間的選擇對抑制轉速飛升的影響。這些文獻大多都是從甩負荷試驗時抑制轉速第一次飛升過高的角度進行邏輯優化，針對甩負荷試驗轉速二次飛升及優化措施缺乏深入研究[6-8]。

本文以某660 MW 超超臨界機組50%甩負荷試驗時出現轉速二次飛升現象開展研究，對甩負荷控制原理進行了詳細分析，通過控制回路組成的劃分，并通過有效的計算對比，指出了導致轉速二次飛升的主要原因。針對此類型機組甩負荷控制回路的共有問題進行了優化，并進行了試驗驗證，結果表明，該方法有效抑制了甩負荷試驗轉速的二次飛升。

1 機組簡介及甩負荷試驗過程

1.1 機組簡介

某發電廠搬遷改造項目為2 臺660 MW 超超臨界燃煤機組，汽輪機選用某公司生產的N660/28/600/620 型超超臨界、單軸、四缸四排汽、一次中間再熱、九級回熱和凝汽式汽輪機，其DEH系統采用Ovation 系統。該機組汽輪機高、中壓缸各配置2 個進汽門及調門，進汽門及調門設置2個快關電磁閥，發生流量快關時，DEH 系統發出快關信號至快關電磁閥的得失電回路，使快關電磁閥失電，進而實現進汽調門快關。

1.2 甩負荷試驗過程

2020 年11 月26 日，該機組按照規定進行50%甩負荷試驗，試驗前機組運行方式為CCS（協調控制），機組負荷333 MW，轉速3 000 r/min，主汽溫度594 ℃，主汽壓力14.2 MPa。甩負荷指令發出后，斷開發電機并網斷路器，試驗動作正常，以并網信號脫開為計時點，199 ms 高調門開始從34%開度快關，296 ms 全關；216 ms 中調門開始從100%開度快關，407 ms 全關；26 ms 轉速開始飛升，4.22 s 轉速最高達到3 113 r/min；44.52 s 轉速最低值2 959 r/min；52.27 s 轉速穩定到3 000 r/min。試驗曲線如圖1 所示。

圖1 50%甩負荷錄波曲線

由圖1 可知，本次甩負荷試驗過程中轉速出現了2 次飛升，第一次瞬時最高轉速為3 096 r/min；第二次瞬時最高轉速為3 113 r/min。甩負荷開始后，DEH 功率控制回路切位轉速控制，目標轉速3 000 r/min，轉速二次飛升后汽機轉速超過3 000 r/min，高、中壓調閥慢慢關閉，汽輪機轉速下降并維持至3 000 r/min。甩負荷試驗導則要求，凝汽式汽輪機進行50%甩負荷時，若瞬時最高轉速超過105%額定轉速，則判定甩負荷試驗失敗。本次試驗中瞬時最高轉速為3 113 r/min，雖然沒有超過3 150 r/min，但與以往同類型機組相比，此次50%甩負荷試驗出現了2 次轉速飛升，且第二次瞬時最高轉速明顯偏高。

2 某超超臨界機組甩負荷控制原理

某超超臨界機組引進了德國某公司技術[9]，本次甩負荷過程動作回路為并網斷路器斷開、觸發無負荷中斷C10，C10 動作將負荷指令切成0，負荷指令切除后流量指令突降，觸發快關指令C20，高、中壓調閥快關，C20 觸發1 s 恢復。具體控制原理如圖2 所示。

圖2 機組甩負荷控制原理

由圖2 可知，該類型機組甩負荷控制原理主要由功率/轉速[10-12]回路起作用，閥門流量指令由2 路組成（功率控制回路PID 輸出以及功率控制回路流量指令前饋，其中功率控制回路流量指令前饋由功率控制回路流量指令基準線和一次調頻前饋組成）。當并網信號脫網后，觸發C10，經功率設定值切為0，造成功率控制回路流量指令基準線為0，閥門流量指令會大幅度減小，流量指令-當前閥門開度對應流量＜-0.25，觸發C20，在硬回路中直接作用的電磁閥失電，確保機組甩負荷后高中壓調閥迅速關閉。延時1 s 后，C20 復位，快關電磁閥恢復，安全油壓再次建立，調門再次開啟，維持3 000 r/min 運行。

3 甩負荷試驗轉速二次飛升原因

本次甩負荷試驗前，為了避免甩負荷時未能及時觸發流量快關C20，導致調門關閉時間過長，轉速出現飛升[13-15]，根據文獻[3]對邏輯以及控制回路進行了優化：

（1）將圖2 中的并網信號消失以及流量快關C20 由DEH 控制器廣播至ETS 控制器的廣播頻率改為快速。

（2）將圖2 中的C20 信號直接硬接線由DEH控制器廣播至ETS 控制器，切斷電磁閥電源，通信和硬回路雙重作用，以確保甩負荷時C20 能及時響應。

根據本次50%甩負荷過程可知，甩負荷過程中轉速出現了二次飛升，第二次瞬時最高轉速達到了3 113 r/min。將高速數據采集儀采集的曲線在轉速出現二次飛升處細化，曲線如圖3 所示。

圖3 甩負荷轉速二次飛升曲線

由圖3 可知，機組甩負荷時，并網開關斷開到調閥快關的時間在合格區間內，快速觸發了C20，高、中調門快速關閉，最高瞬時轉速達到3 090 r/min；當C20 信號1 s 后復位時，閥門流量指令不為0，導致高、中調門重新開啟，轉速出現第二次飛升，最高瞬時轉速達到3 113 r/min。因此，甩負荷過程中轉速出現二次飛升的主要原因為C20 復位后，流量指令還處在緩慢下降的過程中，切除到0 的速率無法達到要求。

根據機組甩負荷時控制系統功率控制回路判斷，影響C20 復位前流量指令沒有快速切除到0的因素主要有：功率控制回路控制器輸出方面；閥門流量特性函數。因此，分別從這2 個方面對本次甩負荷試驗轉速二次飛升原因進行分析。

3.1 功率控制回路控制器輸出

根據該超超臨界機組甩負荷控制原理可知，流量指令的計算公式為：

式中：y 為流量指令；xPID為功率控制回路PID 控制器輸出；xMW為功率控制回路流量指令基準線；xPFC為功率控制回路一次調頻前饋。

式中：pldc為機組負荷指令。

機組甩負荷時，觸發C10 后，功率控制回路流量指令基準線切為0，此時功率控制回路一次調頻前饋以及功率控制回路PID 的輸入偏差變為轉速差函數，其具體公式為：

式中：n 為實際轉速；c0為一次調頻作用系數，一般為30～45，本工程設置為30；xPFC設置了上、下限，本工程設置上限0.04，下限-0.04；xerror為甩負荷時功率控制回路PID 的輸入偏差；σ 為轉速不等率，等于0.05。

根據式（1），利用本次試驗實際數據計算發生甩負荷時，功率控制回路控制器PID 輸出為0 需要的時間。閥門流量指令函數見表1。

表1 閥門流量指令函數

50%甩負荷時，閥門開度34%，對應流量指令以及流量指令基準線計算如下：

以第一次瞬時最高轉速3 090 r/min，計算xPFC和xerror：

由于xPFC受本工程設置的上、下限限制，因此xPFC=-0.04。

由式（5）、式（6）可知，發生50%甩負荷前，假設此時一次調頻未動作，則功率控制回路PID的輸出流量指令xPID0為：

假設50%甩負荷時，最高瞬時轉速一直保持3 090 r/min，因此，當C20 觸發1 s 后復位時，PID輸出的流量指令xPID為：

式中：Kp為比例作用系數，設置為0.14；Ti為積分時間，設置為10 s；xerror0為甩負荷前功率控制回路PID 輸入偏差，因為假設一次調頻未動作，所以xerror0為0。

將式（7）—（9）代入式（10），可得50%甩負荷過程中C20 復位時PID 輸出的流量指令為：

由式（11）可知，當C20 復位時，閥門流量指令仍有0.325，導致高、中壓調門再次開啟，轉速出現第二次飛升，最高瞬時轉速達到3 113 r/min。假設汽機轉速一直保持在最高瞬時轉速3 090 r/min，則PID 的輸入偏差xerror一直維持在-0.6，控制器PID 流量指令輸出為0 的時間計算如下：

為了更好地說明C20 復位時，控制器PID 流量指令輸出為0 需要的時間，以本次甩負荷試驗數據為基礎，分別計算當時閥門開度50%，105%時需要的時間，如表2 所示。

表2 典型閥位下需要時間

由表2 可知，對比不同閥門開度下做50%甩負荷試驗時，C20 在觸發1 s 復位后，流量指令計算到0 需要的時間遠遠大于1 s，且閥門開度越高需要的時間越長，最大達到8.42 s。因此，在C20 復位后，流量指令不為0，導致高、中壓調門再次開啟，轉速也會出現二次飛升，大大影響了甩負荷試驗結果，這也是本工程50%甩負荷轉速二次飛升的主要原因。

隨著特高壓主干網架和新能源的規模化并網，火力發電機組參與深度調峰的時長越來越長，頻次越來越高，成為機組運行常態。以浙江省為例，按照省發改委對統調發電機組深度調峰技術改造的要求，2018 年底完成了全省燃煤機組40%～50%Pe的深度調峰擴容。若機組在深度調峰工況發生甩負荷時，按照甩負荷控制回路分析，功率控制回路控制器PID 輸出為0 的時間更長。以瞬時最高轉速3 090 r/min 分別計算30%Pe，40%Pe工況閥門開度50%，105%下PID 輸出為0 的時間，如表3 所示。

表3 典型負荷下需要時間

由表3 可知，機組在深度調峰工況觸發甩負荷回路后，功率控制回路控制器PID 輸出到0 的時間遠遠大于1 s；C20 復位后，PID 輸出還有較大的流量指令，導致高、中壓調門再次開啟的可能性遠遠增大。因此，在深度調峰工況觸發甩負荷時，轉速出現二次飛升的幾率更大。同時，因為PID 輸出的流量指令大，導致轉速二次飛升的瞬時最高轉速就會越高，嚴重影響甩負荷試驗結果。

3.2 閥門流量函數

近年來，協調模式下DEH 功率控制回路控制器PID 經常容易積分飽和，且補汽閥頻繁開啟影響振動，因此，對流量分配進行了優化。總流量指令與高調閥門開度對比如圖4 所示。

圖4 高閥流量指令函數曲線

由圖4 可知，修改前為總流量指令÷0.8 對應高調閥門開度；修改后為總流量指令÷1 對應高調閥門開度。修改前：總流量指令0～80%對應高調0～100%，補汽閥此時為0，總流量指令78%～100%高調仍為100%，對應補汽閥0～20%；修改后，總流量指令0～100%對應高調0～100%，總流量指令78%～100%仍對應補汽閥0～20%。因此，在同負荷、同閥門開度情況下，同樣的高調閥流量指令88%（本次甩負荷前）對應的PID 輸出對比修改前增加18%，在控制器參數設置相同的情況下，減慢了PID 輸出調節至0 的速度。

4 優化措施及驗證

由第3 節分析可知，本次50%甩負荷試驗轉速出現二次飛升的主要原因是流量快關指令C20復位后，DEH 功率/轉速控制回路PID 輸出的流量指令沒有切除到0，導致在C20 復位后，高、中壓調門立即再次開啟。因此，本文從甩負荷發生后快速切除流量指令進行控制邏輯優化，并以100%甩負荷進行進一步驗證。

4.1 優化措施

由式（1）可知，功率控制回路流量指令主要由xPID，xMW和xPFC三部分組成，發生甩負荷時xMW會迅速切為0，因此從xPID和xPFC兩方面進行控制邏輯優化。

（1）對DEH 功率控制回路控制器PID 進行優化，在C10 觸發時，迅速切PID 輸出至0，脈沖1 s，PID 輸出跟蹤到0，1 s 后根據當時的轉速差從0 開始計算輸出值。

（2）發生甩負荷時，xPFC為轉速差的函數，并受其上、下限的限制。本工程設置的下限制為-0.04，為了使流量指令在C20 復位前快速變為0，將下限值改為-1。以本次試驗數據為例，試驗前閥門開度34%，對應流量指令0.886 1，假設此時一次調頻未動作，此時控制控制回路PID 輸出為：

本次試驗50%甩負荷第一次瞬時最高轉速為3 090 r/min，則xPFC的計算如下：

若下限設置由-0.04 改為-1，則xPFC=-0.9，因此發生甩負荷時流量指令計算如下：

由式（14）可知，當C20 復位后，流量指令已經切除到0，此時高、中壓調門不會再次立即開啟，從而有效避免了甩負荷時轉速出現第二次飛升。

4.2 試驗驗證

本工程按照4.1 節優化措施對DEH 功率控制回路邏輯進行優化后，2020 年11 月27 日，該機組按照規定進行100%甩負荷試驗，試驗前機組運行方式為CCS，機組負荷659 MW，轉速3 000 r/min，主汽溫度562 ℃，主汽壓力27.3 MPa。甩負荷指令發出后，斷開發電機并網斷路器，試驗動作正常，以并網信號脫開為計時點，182 ms 高調門開始從39%開度快關，290 ms 全關；183 ms中調門開始從100%開度快關，382 ms 全關；35 ms轉速開始飛升，2.39 s 轉速最高到3 190 r/min；57.7 s 轉速到最低值2 982 r/min；78.3 s 轉速穩定到3 000 r/min。試驗曲線如圖5 所示。

圖5 100%甩負荷錄波曲線

由圖5 可知，機組甩負荷時并網斷路器斷開到調閥快關的時間在合格區間內，快速觸發了C20，高、中調門快速關閉，最高瞬時轉速到3 190 r/min，同時在觸發C10 后，閥門流量指令在xPFC的作用下快速切到了0，當C20 信號1 s 后復位時，閥門流量指令為0，高、中調門無回調現象，轉速沒有出現第二次飛升。

5 結論

對某660 MW 機組50%甩負荷試驗轉速二次飛升原因進行了分析，得出以下結論：

（1）在進行50%甩負荷時，流量快關指令C20復位前，流量指令沒有快速切除到0；在C20 復位后，流量指令不為0，高、中壓調門立即再次開啟是導致甩負荷轉速出現二次飛升以及最高瞬時轉速達到3 113 r/min 的主要原因。根據計算結果，在進行50%甩負荷時，功率控制回路PID 輸出依靠比例作用以及積分時間為0 的時間需要數秒，負荷越低、閥門開度越大需要的時間就越長，在發生甩負荷時，導致轉速二次飛升的幾率就越大。

（2）在對該超超臨界機組甩負荷試驗控制原理進行分析后，從功率控制回路PID 輸出以及功率控制回路一次調頻前饋的上、下限值進行優化，確保C20 復位前總閥位流量指令切除到0，從而有效防止C20 復位后總閥位流量指令將高、中調門再次開啟引起轉速二次飛升，造成不可預測的后果。

（3）該超超臨界機組DEH 甩負荷控制邏輯中一些參數的設置會間接影響甩負荷試驗的成功與否，不可隨意改變。同時DEH 甩負荷控制邏輯中也存在較多問題，本文發現的問題是同類型機組共有的問題，需要引起足夠的重視。另外，提供的優化措施對同類型機組甩負荷控制邏輯設計以及運行調試具有一定的參考價值。