上汽-西門子機(jī)組DEH系統(tǒng)優(yōu)化研究

房小滿

（浙江省能源集團(tuán)有限公司，杭州 310007）

目前，各發(fā)電集團(tuán)內(nèi)已有越來越多的汽輪機(jī)組開始采用上汽-西門子技術(shù)，而汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)（DEH）作為汽輪機(jī)控制的核心系統(tǒng)[1]，其油管路設(shè)計(jì)和控制策略也基本采用西門子提供的技術(shù)路線。經(jīng)過近幾年的應(yīng)用，上汽-西門子機(jī)組的DEH系統(tǒng)暴露出一些問題，影響了機(jī)組運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。本文在DEH油系統(tǒng)和控制原理分析的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的一些問題提出了相應(yīng)的解決方法，以提高機(jī)組運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

1 邏輯優(yōu)化

上汽-西門子機(jī)組的DEH邏輯一般采用制造廠提供的控制策略實(shí)施。由于DEH的邏輯設(shè)計(jì)與汽輪機(jī)的構(gòu)造，特別是油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系緊密，因而采用同一技術(shù)的汽輪機(jī)組的DEH邏輯大同小異，DEH的參數(shù)設(shè)置也基本一致。一般在基建期或大修完成調(diào)試之后，很少對(duì)DEH邏輯再做修改。但西門子在設(shè)計(jì)DEH時(shí)采用了“大DEH”的概念，DEH不是一個(gè)單純從DCS側(cè)接受流量指令完成閥位控制的閥位執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而是集合了轉(zhuǎn)速控制、應(yīng)力控制、主汽壓力控制、一次調(diào)頻，以及負(fù)荷控制于一體的綜合性控制系統(tǒng)。與其他類型機(jī)組的DEH相比，其最大的特點(diǎn)是在CCS控制方式下，DEH從DCS接受的是負(fù)荷指令而不是流量指令，機(jī)組出力的閉環(huán)控制實(shí)際是在DEH側(cè)實(shí)現(xiàn)，DEH完成的是其他類型機(jī)組中DCS側(cè)的汽機(jī)主控功能。因此，上汽-西門子類型機(jī)組的DEH參數(shù)不能保持一成不變，必須像其他類型機(jī)組中的汽機(jī)主控一樣，根據(jù)鍋爐特性和協(xié)調(diào)控制的要求進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，以獲得最佳的控制性能。

圖1 DEH功率設(shè)定值生成原理圖Fig.1 DEH Power setpoint generation schematic

經(jīng)過近期對(duì)幾臺(tái)機(jī)組的調(diào)整工作，發(fā)現(xiàn)部分上汽-西門子機(jī)組的DEH邏輯參數(shù)設(shè)置存在不足之處，在實(shí)際運(yùn)行過程中影響了機(jī)組的負(fù)荷變動(dòng)和調(diào)節(jié)功能，具體情況如下。

1.1 負(fù)荷變動(dòng)速率門檻值

圖1為上汽-西門子DEH系統(tǒng)的功率設(shè)定值生成邏輯。其原理是在每個(gè)掃描周期內(nèi)，將CCS負(fù)荷設(shè)定值與DEH功率設(shè)定值進(jìn)行比較，若存在偏差，則在該掃描周期內(nèi)將DEH功率設(shè)定根據(jù)預(yù)設(shè)的升降速率疊加一個(gè)值，成為新的DEH功率設(shè)定值。在下一掃描周期內(nèi)，重復(fù)該操作，直至CCS負(fù)荷設(shè)定值和DEH功率設(shè)定值相等。在負(fù)荷變動(dòng)過程中，當(dāng)CCS設(shè)定值和DEH設(shè)定值偏差大時(shí)，采用大的變負(fù)荷速率；當(dāng)兩者相接近時(shí)，則采用較小的變負(fù)荷速率，使DEH功率設(shè)定值平穩(wěn)地接近CCS設(shè)定值。

該回路采用了變速率的方法，實(shí)現(xiàn)DEH功率設(shè)定值對(duì)CCS負(fù)荷設(shè)定值的跟蹤。通過設(shè)置負(fù)荷偏差門檻值，實(shí)現(xiàn)在小偏差時(shí)采用較小的變負(fù)荷速率，防止DEH功率設(shè)定值過調(diào)造成的抖動(dòng)。但偏差門檻值設(shè)置的合理與否，會(huì)對(duì)機(jī)組的負(fù)荷變動(dòng)性能造成較大的影響。以某660MW機(jī)組為例，其DEH的變速率偏差門檻為3MW，即當(dāng)CCS設(shè)定值與DEH設(shè)定值偏差在±3MW以內(nèi)時(shí)，DEH側(cè)設(shè)定值僅以1MW/min的速率進(jìn)行跟蹤，只有當(dāng)偏差超過3MW時(shí)，才以較大的正常變負(fù)荷速率進(jìn)行跟蹤。在實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)機(jī)組以10MW/min的速率進(jìn)行負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，由于變速率門檻值的存在，在CCS負(fù)荷變化3MW以內(nèi)時(shí)，DEH側(cè)的負(fù)荷指令設(shè)定值基本不變化。而在該狀態(tài)下，DEH功率設(shè)定值變化遲滯時(shí)間約為20s。這將造成汽機(jī)主控對(duì)負(fù)荷變化的響應(yīng)推遲約20s，機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)也因此受到影響。

為此，對(duì)負(fù)荷變動(dòng)速率門檻值進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)減小了變負(fù)荷的偏差門檻，在提高變負(fù)荷響應(yīng)能力的同時(shí)，保證DEH功率設(shè)定值的穩(wěn)定。門檻值的設(shè)定需考慮變化速率和設(shè)定值的穩(wěn)定性問題。若門檻值設(shè)定過小，可能造成當(dāng)DEH設(shè)定值接近CCS指令時(shí)的頻繁波動(dòng)，對(duì)功率的閉環(huán)控制不利；若門檻值設(shè)定過大，又會(huì)影響負(fù)荷跟蹤的速率。綜合考慮以上兩方面的因素，將門檻值由3MW改為1MW，DEH指令的響應(yīng)時(shí)間基本維持在6s左右，大大改善了汽機(jī)的響應(yīng)速率。

1.2 汽機(jī)主控參數(shù)調(diào)整

上汽-西門子DEH采用“大DEH”設(shè)計(jì)方式，功率閉環(huán)控制功能在DEH側(cè)實(shí)現(xiàn)。DEH的功率控制器與轉(zhuǎn)速控制器合二為一，在并網(wǎng)前進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，并網(wǎng)后通過切換實(shí)現(xiàn)功率控制。在CCS工況下，功率控制器接受DCS送來的功率設(shè)定值對(duì)汽機(jī)進(jìn)行控制。功率控制器的控制策略采用反饋+前饋的方式實(shí)現(xiàn)，前饋信號(hào)包含DEH功率設(shè)定值和一次調(diào)頻信號(hào)，以加快負(fù)荷的響應(yīng)。從目前已有的DEH邏輯中看，由于進(jìn)入控制器的控制量均進(jìn)行了標(biāo)幺化處理，功率控制器的PID參數(shù)和前饋的參數(shù)相對(duì)較大，以發(fā)揮汽機(jī)快速調(diào)節(jié)負(fù)荷的特點(diǎn)，加快負(fù)荷的響應(yīng)速度。機(jī)組實(shí)際的運(yùn)行情況表明，部分DEH的功率控制器參數(shù)設(shè)置過強(qiáng)，在穩(wěn)態(tài)工況時(shí)會(huì)造成汽壓和負(fù)荷的波動(dòng)。圖2是某660MW機(jī)組在穩(wěn)態(tài)時(shí)的運(yùn)行情況。從圖中可以看到，當(dāng)主汽壓力波動(dòng)時(shí)，汽機(jī)調(diào)門為控制負(fù)荷，進(jìn)行反向動(dòng)作，反而使主汽壓力的波動(dòng)幅度更大，反而加劇了汽壓的波動(dòng)，使穩(wěn)態(tài)的情況惡化。

出現(xiàn)該情況的原因是調(diào)門對(duì)負(fù)荷偏差的響應(yīng)速度過快。當(dāng)汽壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，負(fù)荷剛有偏離設(shè)定值的趨勢(shì)，調(diào)門就開始動(dòng)作，試圖將負(fù)荷拉回至設(shè)定值。在這過程中，調(diào)門的動(dòng)作方向是不利于汽壓穩(wěn)定的，這也使得壓力的波動(dòng)幅度進(jìn)一步加劇，使得穩(wěn)態(tài)過程的汽壓波動(dòng)加劇。對(duì)此，將DEH中的功率控制器PID參數(shù)適當(dāng)放低，同時(shí)將功率指令至控制輸出的前饋減小，令整個(gè)功率控制器的控制作用適當(dāng)減弱，避免穩(wěn)態(tài)時(shí)主要參數(shù)波動(dòng)的發(fā)生。

1.3 順序閥參數(shù)調(diào)整

圖2 某660MW機(jī)組穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)行情況Fig.2 Steady state operating conditions of a 660MW unit

圖4 汽機(jī)調(diào)門死區(qū)Fig.4 Steam machine turnaround dead zone

圖3 順序閥邏輯Fig.3 Sequential valve logic

圖3為西門子DEH的順序閥邏輯。當(dāng)汽機(jī)主控PID計(jì)算的流量指令（YRO），經(jīng)過順序閥函數(shù)進(jìn)行線性變換后，生成閥門流量指令，送至閥門開度回路，控制汽機(jī)調(diào)門。其中，F(xiàn)D1OB參數(shù)設(shè)置的是閥門開度的偏置，在順序閥控制中決定了閥門的重疊度。FD1OE參數(shù)設(shè)置的是閥門的開啟速度。目前，國(guó)內(nèi)的西門子機(jī)組一般采用全周進(jìn)汽方式進(jìn)行控制，故不存在順序閥的運(yùn)行方式。因此，F(xiàn)D1OB參數(shù)一般設(shè)置為0。同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮高負(fù)荷段采用補(bǔ)氣閥控制機(jī)組負(fù)荷，故FD1OE參數(shù)被設(shè)為0.8。這意味著當(dāng)機(jī)組的流量指令超過80%時(shí)，汽機(jī)調(diào)門就將全開，采用補(bǔ)氣閥方式進(jìn)行控制。而在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于機(jī)組振動(dòng)等方面的原因，幾乎沒有機(jī)組使用補(bǔ)氣閥進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，補(bǔ)氣閥的閥限也被設(shè)為-5%，即補(bǔ)氣閥在收到指令后也不開啟。但DEH側(cè)的其他參數(shù)卻未隨機(jī)組運(yùn)行方式的改變而進(jìn)行調(diào)整，F(xiàn)D1OE參數(shù)依然保持0.8。這使得汽機(jī)調(diào)門在全開后出現(xiàn)控制死區(qū)，調(diào)門無法迅速關(guān)閉響應(yīng)負(fù)荷需求，具體現(xiàn)象如圖3所示。

圖4為某660MW機(jī)組的負(fù)荷變動(dòng)試驗(yàn)曲線。從圖中可以看到，在負(fù)荷變動(dòng)開始前，由于汽壓偏低，調(diào)門為控制負(fù)荷處于全開狀態(tài)。當(dāng)負(fù)荷變動(dòng)開始后，隨著負(fù)荷指令的下降和煤量的減少，實(shí)際負(fù)荷雖然也隨之下降，但下降速度慢于指令下降速度，實(shí)際負(fù)荷高于負(fù)荷指令。同時(shí)，隨著煤量的減少，主汽壓力迅速下降，且低于壓力設(shè)定值。在該工況下，汽機(jī)的調(diào)門卻始終保持全開，明顯不符合機(jī)組的控制要求。造成該情況的原因就是調(diào)門順序閥參數(shù)的不合理。

對(duì)此，建議在不使用補(bǔ)氣閥時(shí)將FD1OE參數(shù)設(shè)置為1，或限制YRO流量指令上限于0.8，以消除調(diào)門全開后的調(diào)節(jié)死區(qū)情況。同時(shí)，對(duì)汽機(jī)主控的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證調(diào)節(jié)過程中的調(diào)節(jié)的速率滿足要求。

圖5 上汽-西門子機(jī)組調(diào)門EH調(diào)節(jié)原理圖[3]Fig.5 SAIC-Siemens Unit Tone EH adjustment schematic diagram[3]

2 EH油系統(tǒng)優(yōu)化

上汽-西門子機(jī)組的EH調(diào)節(jié)系統(tǒng)的油管路設(shè)計(jì)如圖5所示。每個(gè)閥門的調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由2個(gè)跳機(jī)電磁閥和1個(gè)伺服閥組成。當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，EH油分2路進(jìn)入調(diào)節(jié)系統(tǒng)。1路EH油流向跳機(jī)電磁閥，此時(shí)跳機(jī)電磁閥處于常帶電狀態(tài)，建立正常EH油壓。另1路EH油進(jìn)入伺服閥，伺服閥根據(jù)DEH發(fā)出的指令對(duì)進(jìn)入調(diào)門油缸的油路進(jìn)行控制，通過對(duì)油缸進(jìn)行充油和放油，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)門開度的控制。當(dāng)跳機(jī)條件滿足時(shí)，任意1個(gè)跳機(jī)電磁閥失電，將使得進(jìn)油與回油管路接通，油路中的EH油通過跳機(jī)電磁閥和回油管路泄去，調(diào)門在彈簧力的作用下關(guān)閉，達(dá)到遮斷汽輪機(jī)的目的[2]。

在近幾年的運(yùn)行過程中，采用西門子技術(shù)的機(jī)組曾多次發(fā)生在進(jìn)行閥門松動(dòng)試驗(yàn)（ATT）時(shí)，由于EH油壓力低，導(dǎo)致機(jī)組跳閘的事故。ATT試驗(yàn)?zāi)康氖窃诰€檢驗(yàn)各汽門能否正常關(guān)閉、閥門是否卡澀、跳閘電磁閥是否能夠正常動(dòng)作，以確保機(jī)組跳閘或停機(jī)工況下能夠安全遮斷。跳機(jī)事故一般發(fā)生在進(jìn)行主汽門或調(diào)門松動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，由于跳機(jī)電磁閥卡澀，導(dǎo)致電磁閥在得電后進(jìn)油與回油管路沒有正常隔離，伺服閥在試圖開啟閥門時(shí)，EH油直接通至回油油路，引起EH油大量?jī)?nèi)泄，從而造成了EH油壓力快速下降到機(jī)組跳閘值，引起機(jī)組跳閘。油通路如圖5中紅色虛線所示。

造成該情況的原因主要如下：

1）上汽-西門子機(jī)組在控制油路設(shè)計(jì)上與其他類型的機(jī)組不同。其他類型的機(jī)組是跳閘電磁閥控制安全油，通過安全油來控制閥門的壓力油；而上汽西門子機(jī)組直接由每個(gè)門的跳閘電磁閥控制壓力油泄、通，其沒有安全油的說法。

2）目前異常都是發(fā)生在調(diào)門試驗(yàn)時(shí)。究其原因是調(diào)門的進(jìn)油管內(nèi)縮通徑大，導(dǎo)致異常時(shí)的泄油量大。經(jīng)與廠家確認(rèn)調(diào)門的進(jìn)油管內(nèi)縮通徑近乎是主門的8倍。

3）控制邏輯沒有設(shè)計(jì)相應(yīng)的故障判斷和邏輯閉鎖，導(dǎo)致異常情況下，回油路仍然接通壓力油，直接導(dǎo)致EH油泄漏。

由以上分析可知，調(diào)門活動(dòng)性試驗(yàn)中電磁閥的卡澀異常和油管路設(shè)計(jì)的不完善是造成機(jī)組在試驗(yàn)過程中跳閘的原因。對(duì)此，可從試驗(yàn)流程和邏輯設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行優(yōu)化。

由于正常工況下調(diào)門處于不斷調(diào)節(jié)過程中，調(diào)門的活動(dòng)性可實(shí)時(shí)監(jiān)控，調(diào)門活動(dòng)性試驗(yàn)的目的主要是驗(yàn)證跳閘回路的可靠性。因此，建議調(diào)門的活動(dòng)試驗(yàn)可在機(jī)組啟、停過程完成。若需要在線對(duì)調(diào)門的電磁閥跳閘回路進(jìn)行驗(yàn)證，應(yīng)避免用順控進(jìn)行試驗(yàn)，而采用步進(jìn)方式進(jìn)行ATT試驗(yàn)，并且實(shí)驗(yàn)過程中加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)側(cè)的監(jiān)控，以便在每步操作后對(duì)閥門和機(jī)組的狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)機(jī)組運(yùn)行正常后才可進(jìn)行下一步，以保證試驗(yàn)過程中機(jī)組的安全。

在邏輯中，建議增加ATT試驗(yàn)過程中，指令大于反饋時(shí)將伺服閥指令清0的保護(hù)邏輯，防止調(diào)門跳閘電磁閥卡澀、回路故障而調(diào)閥指令不為0，從而導(dǎo)致控制油壓降低。具體邏輯如下：當(dāng)ATT試驗(yàn)時(shí)，若①指令和反饋偏差大于6.8%，且閥位反饋小于5%；②兩個(gè)跳閘電磁閥指令未動(dòng)作；③EH油壓小于13MPa。以上3個(gè)條件相與，即表征跳閘電磁閥可能發(fā)生卡澀故障，EH油發(fā)生大量?jī)?nèi)漏。此時(shí)，邏輯須將該閥門的伺服閥指令清為0，防止控制油壓力的進(jìn)一步下降。

3 結(jié)束語

隨著近幾年采用上汽-西門子技術(shù)機(jī)組數(shù)量的增加，其DEH系統(tǒng)也暴露出了一些問題，對(duì)機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性造成了影響。本文在對(duì)DEH控制原理和問題成因分析的基礎(chǔ)上，提出了一些具有針對(duì)性的改進(jìn)意見。文中提到的部分問題在上汽-西門子技術(shù)的DEH中有一定的共性，通過改進(jìn)這些不足能夠在一定程度上提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

此外，有許多機(jī)組的DEH系統(tǒng)未采用西門子原廠的控制系統(tǒng)，而采用了第三方的系統(tǒng)或DCS一體化的技術(shù)，對(duì)控制邏輯進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。由于控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、算法模塊、運(yùn)算方式和機(jī)理上的差異，部分功能的實(shí)現(xiàn)與原廠系統(tǒng)還存在差距，甚至可能造成不利于機(jī)組的安全運(yùn)行的隱患。因此，還需要對(duì)DEH邏輯進(jìn)行充分地分析和研究以消除這些隱患。