DEH系統(tǒng)閥切換時(shí)負(fù)荷波動原因分析與對策

鄭曉春，許世龍，周長偉

（國電菏澤發(fā)電有限公司，山東 菏澤 274032）

0 引言

常見大型機(jī)組汽輪機(jī)控制有單閥和順序閥兩種運(yùn)行方式，單閥運(yùn)行方式常用于機(jī)組投產(chǎn)或大修后較短時(shí)間內(nèi)使用，進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽經(jīng)調(diào)節(jié)閥節(jié)流后進(jìn)入噴嘴，以全周進(jìn)汽進(jìn)入第一級動葉做功，該方式節(jié)流損失較大，機(jī)組效率低；順序閥運(yùn)行方式是指各調(diào)節(jié)閥根據(jù)預(yù)先設(shè)置的動作順序依次動作，分別進(jìn)入對應(yīng)的噴嘴，再至汽機(jī)的第一級動葉，該方式一般用于機(jī)組的正常運(yùn)行期間，節(jié)流損失小，機(jī)組效率高。通過切換可以提高機(jī)組的運(yùn)行效率，起到節(jié)能降耗的作用，但許多機(jī)組在進(jìn)行閥門切換時(shí)會發(fā)生機(jī)組負(fù)荷波動大，同時(shí)影響其它重要參數(shù)的穩(wěn)定，威脅機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，一般情況下這種現(xiàn)象的發(fā)生與控制邏輯中時(shí)間參數(shù)和閥門流量特性曲線參數(shù)的設(shè)置不當(dāng)有關(guān)。

國電菏澤發(fā)電廠6號機(jī)組通常采用高中壓缸聯(lián)合方式進(jìn)行啟動，開機(jī)后負(fù)荷控制較為穩(wěn)定，但在進(jìn)行閥切換操作，負(fù)荷波動較為嚴(yán)重，在此過程中4個主蒸汽調(diào)節(jié)閥（CV1-CV4）的控制指令和開度反饋產(chǎn)生振蕩，負(fù)荷波動較大，歷史數(shù)據(jù)顯示：每次單閥切順序閥發(fā)生負(fù)荷波動，一般CV1-CV4初始開度在26%～32%之間。

1 原因分析與處理

圖1為單閥/順序閥切換邏輯及DEH系統(tǒng)伺服控制簡圖［1］根據(jù)所述現(xiàn)象并結(jié)合控制圖進(jìn)行分析，造成機(jī)組負(fù)荷波動的原因可能有以下幾種：

1）汽機(jī)調(diào)門動作不正常；

2）閥門的流量特性曲線設(shè)置不合理，致使整個汽機(jī)調(diào)門控制指令與實(shí)際流量不能呈現(xiàn)線性關(guān)系，在某些固定的指令段上會出現(xiàn)控制品質(zhì)降低；

3）DEH內(nèi)部控制邏輯和參數(shù)不合適。

為確定問題原因并尋求解決方案，進(jìn)行以下幾個方面試驗(yàn)和檢查。

2 冷態(tài)閥門特性試驗(yàn)

圖1 單、順序閥切換邏輯及DEH系統(tǒng)伺服控制簡圖

通過冷態(tài)閥特性試驗(yàn)檢查閥門的動作情況，排除閥門本身的故障。在6號機(jī)組停機(jī)期間，汽輪機(jī)掛閘后分別對CV1-CV4閥門的VCC伺服卡進(jìn)行校驗(yàn)，并檢查各調(diào)節(jié)閥伺服卡件的狀態(tài)指示是否正常。然后分別對各調(diào)節(jié)閥進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，即檢查閥位指令同反饋跟蹤情況。試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖2所示。

圖2 CV1-CV4伺服控制系統(tǒng)靜態(tài)試驗(yàn)曲線

圖2所示的試驗(yàn)曲線可以看出，閥位指令同反饋值基本成線性對應(yīng)關(guān)系，且指令同反饋偏差絕對值≤1%，符合靜態(tài)調(diào)節(jié)精度要求，由此可以判斷整個伺服控制回路工作正常，可排除圖1中伺服控制回路的VCC卡、電液轉(zhuǎn)換器、LVDT及油動機(jī)閥桿各環(huán)節(jié)故障。

3 DEH功率控制工況

為確定負(fù)荷振蕩是否由功率回路控制品質(zhì)不好造成的，特進(jìn)行功率回路負(fù)荷擾動試驗(yàn)。在不同幅值負(fù)荷（5 MW、10 MW、20 MW）擾動作用下，實(shí)際負(fù)荷跟蹤給定負(fù)荷良好，不同擾動下超調(diào)量為1～2 MW，滿足控制要求。在負(fù)荷無擾動情況下，實(shí)際負(fù)荷波動小于0.4 MW，且無顯著振蕩現(xiàn)象，表明調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制效果良好，由此可排除功率回路中調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)或設(shè)計(jì)原因造成的調(diào)節(jié)品質(zhì)差。

4 單閥/順序閥切換工況

由圖1可知，無論單閥切順序閥還是順序閥切單閥，其基本原理都是在每個高壓調(diào)節(jié)閥輸入的閥位指令信號上疊加不同的偏置信號，以改變閥門的位置。圖1中調(diào)節(jié)閥的總給定值在經(jīng)過單、順序閥流量函數(shù)計(jì)算后，生成對應(yīng)的單閥、順序閥給定指令，此閥位給定指令乘以彼此對應(yīng)的單閥、順序閥系數(shù)后再進(jìn)行相加，從而得出對應(yīng)的閥門輸出指令［2］，即：

CVn閥位指令=單閥系數(shù)×單閥給定指令+順序閥系數(shù)×順序閥給定指令

閥切換結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)處于順序閥方式，此時(shí)單閥系數(shù)為0，順序閥系數(shù)為1；當(dāng)系統(tǒng)處于單閥方式時(shí)，單順序閥系數(shù)剛好相反；也就是說，只要閥切換結(jié)束，圖1中

CVn閥位指令=單閥給定指令（結(jié)束時(shí)為單閥方式）

CVn閥位指令=順序閥給定指令（結(jié)束時(shí)為順序閥方式）

結(jié)合閥切換過程中負(fù)荷波動情況，對單、順序閥動態(tài)轉(zhuǎn)換系數(shù)和閥門動態(tài)流量特性進(jìn)行檢查。

4.1 單閥/順序閥動態(tài)轉(zhuǎn)換系數(shù)

在進(jìn)行單閥/順序閥切換時(shí)，無論是在穩(wěn)態(tài)（切換開始前或切換結(jié)束時(shí)）還是動態(tài)切換過程中，單閥/順序閥系數(shù)始終滿足：單閥系數(shù)+順序閥系數(shù)=1。在閥切換過程中，單閥/順序閥系數(shù)轉(zhuǎn)換速率可能影響到分配給每個調(diào)閥指令偏置的速率，也就是說如果分配到各個調(diào)節(jié)閥的指令偏置速率不恰當(dāng)，在閥切換的動態(tài)過程中，很有可能造成轉(zhuǎn)換速率過快，引起調(diào)節(jié)閥開度動作偏快，從而影響實(shí)際負(fù)荷的變化。因此，單閥/順序閥系數(shù)的增減量這個參數(shù)會在此過程中產(chǎn)生重要影響。如圖1所示，用RI（增量）和RD（減量）定義了閥切換過程中指令偏置速率，其中RI=0.000 167，RD=－0.000167，DEH邏輯中功能塊運(yùn)算周期為T=100ms，這表明要想RI或RD在整個閥切換過程中變化量為1，設(shè)需要的時(shí)間為t，于是有下面關(guān)系式：

綜合6號機(jī)負(fù)荷波動情況，可以得知閥轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)置偏短造成單順序閥系數(shù)變化偏快，影響到各調(diào)節(jié)閥的指令分配速率。

綜合上面分析，可將閥切換時(shí)間t延長為15 min，即

使用以上參數(shù)重新試驗(yàn)時(shí)，單順序閥轉(zhuǎn)換時(shí)間增長，負(fù)荷波動頻率得到改善，但負(fù)荷仍有所波動。通過增大閥切換時(shí)間，雖然在一定程度上可以緩解切換過程中負(fù)荷波動情況，但是根據(jù)閥切換運(yùn)行要求，切換時(shí)間不能無限制延長，通過前面分析，作為6號機(jī)閥切換過程之中負(fù)荷波動問題，在10 min切換時(shí)間基礎(chǔ)上延長時(shí)間仍不能根本解決負(fù)荷波動問題。

4.2 閥門動態(tài)流量特性

圖1中，單閥流量函數(shù)f（x）對于 4個調(diào)節(jié)閥CV1-CV4是相同的，4個高壓調(diào)節(jié)閥的開關(guān)在同一閥門流量指令作用下，其輸出閥位指令是一致的；但是對于順序閥方式，CV1和CV2的流量函數(shù) f1（x） 和 f2（x）相同，即 CV1 和 CV2 同時(shí)開啟和關(guān)閉，而 CV3對應(yīng)的流量函數(shù) f3（x）和 CV4對應(yīng)的流量函數(shù)f4（x）又各不相同。在閥切換過程中，在一定流量作用下，各調(diào)節(jié)閥按照特定流量特性對應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉，假想某一個或幾個閥門流量特性有所改變，相應(yīng)的輸出閥位指令也應(yīng)有所改變，此時(shí)如果按照原來特性來開關(guān)閥門的話，勢必會造成整個調(diào)節(jié)閥閥位開度達(dá)不到真正需要的流量值，這樣就會造成整個系統(tǒng)控制失去平衡，即使功率回路調(diào)節(jié)性能再好，也會引起系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩?；谏鲜龇治?，進(jìn)行下面的試驗(yàn)：

1）測取單閥方式下，高壓調(diào)節(jié)閥行程反饋和流量的特性；

2）測取順序閥方式下，閥門重疊度為零時(shí)，高壓調(diào)節(jié)閥行程反饋和流量的特性；

3）根據(jù)以上測取的閥門流量特性數(shù)據(jù)，優(yōu)化閥門管理曲線。

試驗(yàn)過程中DEH需切除功率、調(diào)壓和一次調(diào)頻回路,切除AGC控制方式,切除CCS控制方式,DEH處于閥位控制方式，在試驗(yàn)過程中爐側(cè)維持主汽壓力穩(wěn)定。

試驗(yàn)步驟如下：試驗(yàn)時(shí)運(yùn)行人員在DEH畫面改變目標(biāo)值，使閥門開度降為98%，爐側(cè)維持主汽壓力P1，保持2 min；依次以2%的速率關(guān)閉閥門，爐側(cè)維持主汽壓力P1，保持2 min，直至4個調(diào)節(jié)閥開度降到30%閥位；單閥控制方式切為順序閥控制方式（由于功率回路已撤出，切換過程中功率波動較大），運(yùn)行人員在DEH畫面改變目標(biāo)值，使閥門開度升為32%，爐側(cè)維持主汽壓力P1，保持2 min；依次以2%的速率開啟閥門，爐側(cè)維持主汽壓力P1，保持2 min，直至4個閥門開度升到100%閥位。

在此過程中，需要記錄：1）閥門指令（REFDMD）、2） 流量指令（FDEM）、3） 調(diào)節(jié)閥閥位指令（CV1-CV4 SP0）、4）主汽壓力（TP）、5）調(diào)節(jié)級壓力（IMP）、6）實(shí)際負(fù)荷（MW）。 經(jīng)過廠家工程技術(shù)人員采集上述不同時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行熱力計(jì)算,得出函數(shù)優(yōu)化數(shù)據(jù)如表1-表4所示。

從優(yōu)化前單、順序閥函數(shù)并結(jié)合前面閥切換負(fù)荷波動經(jīng)過可知：在單閥/順序閥切換時(shí)的CV1-CV4開度值Y通常處于26%～32%之間，此時(shí)由表1通過函數(shù)計(jì)算出對應(yīng)單閥流量值X為80%～90%左右（計(jì)算時(shí)按表中定義函數(shù)曲線關(guān)系計(jì)算）；如果在單閥/順序閥切換過程流量穩(wěn)定不變（假設(shè)無擾）情況下，由表2-表4可計(jì)算出切換結(jié)束時(shí)各調(diào)節(jié)閥開度值為：CV1、CV2對應(yīng)100%左右，CV3對應(yīng) 13%～37%左右，CV4對應(yīng)0%左右。

表1 單閥函數(shù)優(yōu)化

表2 CV1、CV2函數(shù)優(yōu)化

17 74.77 81.85 17 76.55 99.93 18 83.54 100.00 18 83.33 99.93 19 99.44 100.00 19 99.44 99.93 20 100.00 100.00 20 100.00 100.00

表3 CV3函數(shù)優(yōu)化

表4 CV4函數(shù)優(yōu)化

14 原無 原無 14 99.15 42.50 15 原無 原無 15 99.30 45.53 16 99.44 43.29 16 99.44 51.57 17 99.64 65.97 17 99.64 63.66 18 96.01 100.00 18 96.18 99.93 19 99.89 100.00 19 99.82 99.93 20 100.00 100.00 20 100.00 100.00

對比優(yōu)化后單、順序閥函數(shù)數(shù)據(jù)：CV1、CV2由26%～32%開度至全開，CV3由 26%～32%開度至13%～37%以及 CV4由 26%～32%開度至 0%。整個切換數(shù)值區(qū)間，流量值X和開度開度值Y對應(yīng)關(guān)系存在改變，且新函數(shù)對原設(shè)計(jì)中直接用直線代替的諸多未設(shè)計(jì)點(diǎn)重新進(jìn)行了定義，提高系統(tǒng)動作精確度。

通過上面試驗(yàn)分析可知：造成單閥/順序閥切換過程中負(fù)荷波動原因歸結(jié)為DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)中閥門管理特性曲線參數(shù)設(shè)置已經(jīng)不能與現(xiàn)場實(shí)際相對應(yīng)，閥門開度與通過閥門的蒸汽流量不對應(yīng)，在單閥/順序閥切換和閥門活動試驗(yàn)的過程中負(fù)荷擾動較大。

5 結(jié)語

通過上面閥門流量函數(shù)修正措施及后期運(yùn)行觀察，6號機(jī)組DEH系統(tǒng)單/順序閥切換時(shí)負(fù)荷波動情況具有明顯改善。自2010年3月至11月采取上述措施以來，6號機(jī)組汽輪機(jī)控制系統(tǒng)單閥/順序閥切換時(shí)負(fù)荷波動平均0.12次/月，小于前期值0.5次/月，負(fù)荷波動超調(diào)量平均1.27 MW/次，小于前期值5.88 MW/次。此兩項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到理想目標(biāo)，負(fù)荷波動問題得到解善。