某發(fā)電廠汽閥關(guān)閉試驗(yàn)時(shí)負(fù)荷突變分析與對(duì)策

唐立寶，滕慧達(dá)，潘雷鳴，賀建良，王茂貴

（1.浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 蘭溪 321100；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

汽輪機(jī)組在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中，各汽閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，當(dāng)蒸汽品質(zhì)惡劣，長(zhǎng)時(shí)間在汽閥間流通的不合格蒸汽會(huì)在閥芯、閥桿等活動(dòng)部位結(jié)垢或生成氧化皮，使汽閥發(fā)生卡澀；另外，當(dāng)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)油品質(zhì)不合格時(shí)，也會(huì)引起汽閥油動(dòng)機(jī)液壓系統(tǒng)故障導(dǎo)致汽閥無(wú)法開(kāi)關(guān)。汽輪機(jī)汽閥關(guān)閉試驗(yàn)的作用是在機(jī)組運(yùn)行中檢驗(yàn)各汽閥的關(guān)閉性能，以保證汽輪機(jī)在異常工況或停機(jī)時(shí)能夠及時(shí)關(guān)閉各汽閥，切斷汽輪機(jī)進(jìn)汽，防止汽輪機(jī)超速，確保汽輪機(jī)本體的安全。因此，在汽輪機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中必須定期進(jìn)行汽閥活動(dòng)、關(guān)閉試驗(yàn)[1]。某火電廠多臺(tái)機(jī)組近期在進(jìn)行高壓調(diào)閥定期關(guān)閉試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)負(fù)荷大幅突升突降的階躍現(xiàn)象，經(jīng)查該廠較早之前汽閥關(guān)閉試驗(yàn)時(shí)并無(wú)此異?，F(xiàn)象。汽輪機(jī)負(fù)荷的大幅階躍一方面會(huì)造成軸向位移大幅變化，同時(shí)對(duì)汽輪機(jī)金屬壽命造成一定的影響[2]；另一方面汽輪機(jī)調(diào)閥快速大幅動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致抗燃油管路流量沖擊，引起管道振動(dòng)，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)安全運(yùn)行[3]。為保證汽閥關(guān)閉試驗(yàn)正常進(jìn)行，消除試驗(yàn)過(guò)程中的不利影響，需對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行全面診斷分析及優(yōu)化。

1 系統(tǒng)及試驗(yàn)過(guò)程介紹

該發(fā)電廠4×660 MW 超臨界汽輪機(jī)是由東汽引進(jìn)日立600 MW 超臨界技術(shù)制造機(jī)組，經(jīng)阿爾斯通公司擴(kuò)容改造，保留了原日立公司的DEH（電液控制系統(tǒng)）方式。汽輪機(jī)配置2 只高壓主蒸汽閥、4 只閥前相通的高壓調(diào)閥、2 組獨(dú)立的中壓主蒸汽閥和中壓調(diào)閥聯(lián)合閥組。日立DEH 僅設(shè)計(jì)了初負(fù)荷暖機(jī)以及缸切換的負(fù)荷控制回路，正常運(yùn)行中汽輪機(jī)DEH 邏輯無(wú)功率控制閉環(huán)控制回路。汽閥關(guān)閉試驗(yàn)要求在基本控制方式，閥序控制為混合配汽方式：D 調(diào)閥開(kāi)度最大，B 和C調(diào)閥開(kāi)度適中，A 調(diào)閥開(kāi)度最小。高壓調(diào)閥關(guān)閉試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)調(diào)閥以5%/s 的變化速率逐漸關(guān)閉至10%，觸發(fā)快關(guān)控制回路快關(guān)高壓調(diào)閥，以檢驗(yàn)閥門(mén)關(guān)閉性能和快關(guān)回路功能，高壓調(diào)閥全關(guān)后同樣以5%/s 的速率開(kāi)啟至試驗(yàn)開(kāi)始的閥位。在此過(guò)程中，其他3 只高壓調(diào)閥根據(jù)調(diào)節(jié)級(jí)試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的鎖定壓力值與實(shí)際壓力值之偏差，經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算做出相應(yīng)調(diào)整動(dòng)作，對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)壓力進(jìn)行補(bǔ)償，以保持負(fù)荷穩(wěn)定[4]。

2 關(guān)閉試驗(yàn)時(shí)負(fù)荷階躍及原因分析

2.1 存在的問(wèn)題

1—4 號(hào)機(jī)在進(jìn)行高壓調(diào)閥試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)不同程度的負(fù)荷突升突降現(xiàn)象，其中2 號(hào)機(jī)在一次410 MW 進(jìn)行B 高壓調(diào)閥試驗(yàn)時(shí)其余3 只高壓調(diào)閥快速開(kāi)啟，負(fù)荷從最低370 MW 上沖至最高471 MW 并出現(xiàn)連續(xù)振蕩（見(jiàn)圖1），運(yùn)行值班員及時(shí)撤出汽輪機(jī)主控穩(wěn)定機(jī)組，避免了事件惡化。試驗(yàn)過(guò)程中2 號(hào)軸承軸振動(dòng)X，Y方向由45 μm，43 μm 分別升至74.8 μm，72.2 μm，軸向位移由－0.31 mm 突降至－1.01 mm，嚴(yán)重威脅主機(jī)安全運(yùn)行。

2.2 負(fù)荷階躍原因分析

純凝機(jī)組調(diào)節(jié)級(jí)壓力與負(fù)荷有近似正比關(guān)系[5]，從2 號(hào)機(jī)B 高壓調(diào)閥試驗(yàn)歷史曲線可以看到，2 號(hào)機(jī)3 只非試驗(yàn)高壓調(diào)閥在B 高壓調(diào)閥試驗(yàn)切除恢復(fù)至試驗(yàn)前閥位、負(fù)荷及調(diào)節(jié)級(jí)壓力回升至試驗(yàn)前值以上后仍快速開(kāi)啟接近全開(kāi)，其調(diào)節(jié)方向與調(diào)節(jié)級(jí)壓力嚴(yán)重背離。查閱歷史曲線該3 只高壓調(diào)閥的動(dòng)作與指令一致，可排除閥門(mén)響應(yīng)故障問(wèn)題，需從閥門(mén)開(kāi)度指令方面進(jìn)行分析。

圖1 2 號(hào)機(jī)B 高壓調(diào)閥（CV2）關(guān)閉試驗(yàn)曲線

運(yùn)行中汽輪機(jī)各高壓調(diào)閥開(kāi)度指令由f（x）函數(shù)根據(jù)汽輪機(jī)總流量指令換算，在高壓調(diào)閥試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)際總流量指令為[6]：

式中：F為實(shí)際總流量指令；Ft為試驗(yàn)時(shí)閥位流量指令；ΔF為壓力補(bǔ)償換算流量指令；Fr為一次調(diào)頻流量指令。

2.2.1 試驗(yàn)時(shí)閥位流量指令的影響

試驗(yàn)時(shí)汽輪機(jī)處于手動(dòng)閥位控制模式，試驗(yàn)時(shí)閥位流量指令Ft保持在自動(dòng)控制前的參數(shù)。查閱配汽曲線測(cè)算，在400 MW 負(fù)荷時(shí)流量指令對(duì)應(yīng)約88%，較大的基礎(chǔ)流量指令會(huì)使得在各修正流量指令增大時(shí)總流量指令更接近100%，閥門(mén)開(kāi)度大幅變化。

2.2.2 一次調(diào)頻流量指令的影響

關(guān)閉試驗(yàn)時(shí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速偏差小，一次調(diào)頻分量極小，其影響可忽略不計(jì)。

2.2.3 壓力補(bǔ)償換算流量指令的影響

壓力補(bǔ)償換算流量指令計(jì)算公式如下：

式中：ΔPg為調(diào)節(jié)級(jí)壓力偏差；Pgo為額定負(fù)荷調(diào)節(jié)級(jí)壓力（16.2 MPa）；Po為汽輪機(jī)額定壓力（24.2 MPa）；Pi為汽輪機(jī)側(cè)實(shí)際主蒸汽壓力；Fo為額定負(fù)荷流量指令（88.5%）；Fno為空負(fù)荷流量指令（24%）；k為修正系數(shù)（1.6）。

當(dāng)調(diào)節(jié)級(jí)壓力偏差ΔPg達(dá)1.6 MPa，閥前主蒸汽壓力Pi為19 MPa 時(shí)，忽略一次調(diào)頻補(bǔ)償流量指令，代入式（2）計(jì)算得到實(shí)際總流量指令F=101.63%。

根據(jù)高壓調(diào)閥閥位與總流量指令對(duì)應(yīng)關(guān)系，在試驗(yàn)過(guò)程中A，C，D 高壓調(diào)閥在試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)全開(kāi)的指令。但該最高流量指令應(yīng)出現(xiàn)在調(diào)節(jié)級(jí)壓力最小即負(fù)荷最低時(shí)，在試驗(yàn)恢復(fù)負(fù)荷回升過(guò)程中該值會(huì)快速減小，至負(fù)荷過(guò)高時(shí)會(huì)反向調(diào)節(jié)[7]，理論計(jì)算流量指令與實(shí)際負(fù)荷在時(shí)間點(diǎn)上無(wú)法對(duì)應(yīng)。檢查補(bǔ)償回路邏輯，發(fā)現(xiàn)DEH 中調(diào)節(jié)級(jí)壓力補(bǔ)償回路選用的調(diào)節(jié)級(jí)壓力（DEH）測(cè)點(diǎn)為單點(diǎn)，并非前期原因分析中引用的DCS（分散控制系統(tǒng)）側(cè)調(diào)節(jié)級(jí)壓力測(cè)點(diǎn)。由于DEH 側(cè)調(diào)節(jié)級(jí)壓力測(cè)點(diǎn)無(wú)歷史記錄，通過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，DEH引用的調(diào)節(jié)級(jí)壓力測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)過(guò)程中與負(fù)荷對(duì)應(yīng)關(guān)系嚴(yán)重偏離，且存在明顯滯后現(xiàn)象。

通過(guò)以上分析，初步判斷出現(xiàn)負(fù)荷階躍和振蕩的原因?yàn)檎{(diào)節(jié)級(jí)壓力變化過(guò)快而DEH 測(cè)點(diǎn)變送器測(cè)量滯后，引起壓力補(bǔ)償回路輸出與實(shí)際負(fù)荷不對(duì)應(yīng)。

經(jīng)檢查校對(duì)發(fā)現(xiàn)壓力測(cè)點(diǎn)無(wú)異常，分析壓力測(cè)量滯后的主要可能原因?yàn)槿汗苈方Y(jié)垢堵塞。由于調(diào)節(jié)級(jí)壓力測(cè)點(diǎn)壓力等級(jí)高，難以在線排污；且該廠為避免操作系統(tǒng)邏輯下裝時(shí)出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)，非必要情況下不允許在線修改、下裝邏輯，因而無(wú)法變更壓力補(bǔ)償回路邏輯中壓力引用點(diǎn)。為降低壓力測(cè)量滯后的影響以及減小試驗(yàn)期間的負(fù)荷變化幅度，可在線對(duì)試驗(yàn)回路中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3 消除試驗(yàn)時(shí)負(fù)荷階躍的措施

3.1 降低試驗(yàn)時(shí)混合配汽曲線流量值

試驗(yàn)時(shí)過(guò)高的閥位流量指令與較大的壓力補(bǔ)償流量指令疊加很容易出現(xiàn)總流量指令至100%的現(xiàn)象，在DEH 側(cè)調(diào)節(jié)級(jí)壓力測(cè)量滯后的情況下，高壓調(diào)閥全開(kāi)更是在實(shí)際負(fù)荷已超目標(biāo)負(fù)荷時(shí)加劇負(fù)荷超調(diào)程度[8]。由于機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)采用順序閥配汽方式，試驗(yàn)時(shí)切換至舊閥序進(jìn)行，降低舊閥序中的閥位對(duì)應(yīng)流量指令值并不會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)性造成實(shí)質(zhì)性影響[9]，因此該廠首先通過(guò)修正閥門(mén)配汽曲線定值使得機(jī)組400 MW 時(shí)的流量指令降低至82%左右。

在優(yōu)化配汽曲線后進(jìn)行的第一次高壓調(diào)閥關(guān)閉試驗(yàn)中未出現(xiàn)其余閥門(mén)全開(kāi)現(xiàn)象，但最高負(fù)荷仍會(huì)上沖至430 MW 左右，負(fù)荷降幅并未消失（見(jiàn)圖2）。

圖2 2 號(hào)機(jī)修改高壓調(diào)閥試驗(yàn)配汽曲線后試驗(yàn)曲線

3.2 降低高壓調(diào)閥試驗(yàn)時(shí)的動(dòng)作速率，增加補(bǔ)償回路切除延時(shí)

理想工況的關(guān)閉試驗(yàn)應(yīng)該是在試驗(yàn)閥門(mén)動(dòng)作過(guò)程中，其他閥門(mén)及時(shí)調(diào)整開(kāi)度盡量維持機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定[10]。從2 號(hào)機(jī)第一次優(yōu)化后試驗(yàn)記錄曲線中觀測(cè)到，試驗(yàn)高壓調(diào)閥關(guān)小時(shí)負(fù)荷連續(xù)下降而其他高壓調(diào)閥開(kāi)啟速度較慢幅度也偏小，直至試驗(yàn)高壓調(diào)閥全關(guān)負(fù)荷達(dá)到最低點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)，降低試驗(yàn)高壓調(diào)閥的動(dòng)作速率可以減緩負(fù)荷變化速率，給予其他閥門(mén)足夠的調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間，從而減小試驗(yàn)過(guò)程中的調(diào)節(jié)級(jí)壓力偏差。同時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)實(shí)際壓力變化減慢有利于削弱DEH 測(cè)點(diǎn)引壓管路堵塞造成的測(cè)量滯后影響[11]。

根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程設(shè)置參數(shù)并參考其他東汽機(jī)組的汽閥關(guān)閉試驗(yàn)設(shè)計(jì)，該廠決定降低試驗(yàn)調(diào)閥的動(dòng)作速率以使其他調(diào)閥有足夠的補(bǔ)償響應(yīng)時(shí)間。為得出合理的動(dòng)作速率，將2 號(hào)機(jī)、4 號(hào)機(jī)汽閥關(guān)閉試驗(yàn)中高壓調(diào)閥試驗(yàn)動(dòng)作速率由5%/s 分別修改為1.5%/s，2%/s。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在試驗(yàn)高壓調(diào)閥關(guān)小過(guò)程中負(fù)荷下降平穩(wěn)且幅度較小，2號(hào)、4 號(hào)機(jī)最低值分別為382 MW 和388 MW，恢復(fù)后機(jī)組負(fù)荷最高分別為400 MW 和401 MW，與試驗(yàn)前一致，負(fù)荷振蕩幅度控制在30 MW 以?xún)?nèi)。但仍存在2 個(gè)問(wèn)題：2 號(hào)、4 號(hào)機(jī)在3 只原開(kāi)度較大的高壓調(diào)閥恢復(fù)過(guò)程中出現(xiàn)負(fù)荷快速下降的現(xiàn)象，其中2 號(hào)機(jī)D 高壓調(diào)閥（原開(kāi)度最大）試驗(yàn)恢復(fù)過(guò)程中最低至333 MW，較以往降幅更大；4 號(hào)機(jī)在D 高壓調(diào)閥關(guān)小至10%觸發(fā)快關(guān)過(guò)程中出現(xiàn)20 MW 的負(fù)荷突降。

根據(jù)2 號(hào)機(jī)第二次優(yōu)化后試驗(yàn)記錄（見(jiàn)圖3），試驗(yàn)恢復(fù)過(guò)程中調(diào)節(jié)級(jí)壓力偏差仍存在，在試驗(yàn)調(diào)閥未恢復(fù)至試驗(yàn)前閥位的情況下，其余3 只調(diào)閥快速關(guān)小至試驗(yàn)前閥位，造成機(jī)組負(fù)荷快速下降[12]。再次梳理壓力補(bǔ)償邏輯發(fā)現(xiàn)，壓力補(bǔ)償回路在試驗(yàn)閥門(mén)全關(guān)后延時(shí)10 s 被切除，其輸出壓力補(bǔ)償流量指令以1%/s 的速率釋放至0。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，2 號(hào)機(jī)、4 號(hào)機(jī)分別在試驗(yàn)閥門(mén)恢復(fù)至15%和20%左右時(shí)其余閥門(mén)快速關(guān)小致負(fù)荷快速下降。即試驗(yàn)調(diào)閥全關(guān)后，其余調(diào)閥延時(shí)10 s 后在幾秒內(nèi)快速關(guān)小至試驗(yàn)前閥位，而此時(shí)試驗(yàn)調(diào)閥因動(dòng)作速率降低僅能開(kāi)至20%和30%左右，遠(yuǎn)不及試驗(yàn)前的閥位（見(jiàn)圖4），這解釋了2號(hào)機(jī)試驗(yàn)動(dòng)作速率較4 號(hào)機(jī)慢的設(shè)置時(shí)恢復(fù)過(guò)程中負(fù)荷降幅更大的現(xiàn)象。因此降低高壓調(diào)閥關(guān)閉試驗(yàn)速率需配合修改壓力修正回路延時(shí)切除時(shí)間，與試驗(yàn)高壓調(diào)閥恢復(fù)至試驗(yàn)前閥位相匹配[13]。

圖3 2 號(hào)機(jī)修改高壓調(diào)閥試驗(yàn)動(dòng)作速率后試驗(yàn)曲線

在第二次試驗(yàn)基礎(chǔ)上，第三次優(yōu)化時(shí)將高壓調(diào)閥關(guān)閉試驗(yàn)速率設(shè)定為1.5%/s，調(diào)節(jié)級(jí)壓力補(bǔ)償回路延時(shí)切除時(shí)間增加為35 s，確保在400 MW 時(shí)原開(kāi)度最大的試驗(yàn)閥門(mén)能在壓力補(bǔ)償切除前恢復(fù)至試驗(yàn)前閥位。第三次優(yōu)化后的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖4 2 號(hào)機(jī)修改高壓調(diào)閥試驗(yàn)動(dòng)作速率前D 高壓調(diào)閥（CV4）試驗(yàn)曲線

圖5 2 號(hào)機(jī)增加高壓調(diào)閥試驗(yàn)切除延時(shí)時(shí)間后試驗(yàn)曲線

如圖5 所示試驗(yàn)過(guò)程中負(fù)荷變化平緩，非試驗(yàn)高壓調(diào)閥動(dòng)作方向平穩(wěn)，其調(diào)節(jié)補(bǔ)償方向與負(fù)荷偏差對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確。試驗(yàn)全程負(fù)荷最低至379 MW，最高至401 MW，負(fù)荷波動(dòng)幅度小于10 MW，負(fù)荷階躍和震蕩現(xiàn)象得到了大幅降低。

3.3 4 號(hào)機(jī)D 調(diào)閥10%快關(guān)時(shí)負(fù)荷突降原因及對(duì)策

比較4 號(hào)機(jī)D 高壓調(diào)閥與A，B，C 高壓調(diào)閥的試驗(yàn)過(guò)程，除A 高壓調(diào)閥初始閥位較小不具可比性外，B，C，D 高壓調(diào)閥在關(guān)小至10%前及恢復(fù)至10%后的負(fù)荷升、降幅均較一致。原因是通過(guò)分析高壓調(diào)閥流量特性曲線發(fā)現(xiàn)，調(diào)閥在10%開(kāi)度時(shí)流量系數(shù)已很小，理論上負(fù)荷變化幅度不應(yīng)超過(guò)20 MW[14]；同時(shí)LVDT（閥位反饋?zhàn)兯推鳎┰谛￠_(kāi)度范圍內(nèi)容易出現(xiàn)較大測(cè)量偏差。因此判斷，D 高壓調(diào)閥在10%快關(guān)過(guò)程中出現(xiàn)負(fù)荷階躍主要是由于閥位測(cè)量時(shí)實(shí)際開(kāi)度大于顯示閥位。根據(jù)負(fù)荷階躍幅度以及調(diào)閥流量特性曲線估算，D 高壓調(diào)閥在10%閥位附近存在約5%的流量系數(shù)偏差，對(duì)應(yīng)開(kāi)度偏差2%[15]。在第二次汽閥關(guān)閉試驗(yàn)時(shí)，采取保持2%/s 的試驗(yàn)速率，并將D 高壓調(diào)閥試驗(yàn)快關(guān)定值修改為8%，試驗(yàn)結(jié)果顯示D 高壓調(diào)閥與B，C 高壓調(diào)閥一致，未出現(xiàn)負(fù)荷階躍現(xiàn)象，驗(yàn)證了之前的判斷。

4 結(jié)語(yǔ)

蒸汽輪機(jī)汽閥關(guān)閉試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)調(diào)節(jié)級(jí)壓力偏差進(jìn)行流量補(bǔ)償維持負(fù)荷，造成一定的負(fù)荷偏差是難以避免的。通過(guò)基于閥序、試驗(yàn)時(shí)閥門(mén)動(dòng)作速率以及時(shí)間的優(yōu)化可以將負(fù)荷偏差控制在較小范圍內(nèi)。針對(duì)重要控制回路采用單一測(cè)點(diǎn)方式，相對(duì)更容易造成控制異常。針對(duì)DEH 側(cè)調(diào)節(jié)級(jí)壓力測(cè)點(diǎn)管路結(jié)垢且難以在線解決，LVDT在小開(kāi)度范圍內(nèi)容易出現(xiàn)較大測(cè)量偏差等問(wèn)題，發(fā)電廠需加強(qiáng)類(lèi)似控制元器件的維護(hù)檢查工作，一旦進(jìn)行機(jī)組檢修，應(yīng)該盡快消缺。建議類(lèi)似發(fā)電廠在設(shè)計(jì)汽閥關(guān)閉試驗(yàn)時(shí)增加汽輪機(jī)功率控制的閉環(huán)控制功能，從根本上解決負(fù)荷擾動(dòng)問(wèn)題。