調(diào)門參數(shù)不匹配引發(fā)的機組功率振蕩問題分析和優(yōu)化

蔡 偉，施 壯，丁 磊

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601)

1 問題分析

某320MW亞臨界機組正常運行時在特定工況下功率和高壓調(diào)門出現(xiàn)大幅振蕩，圖1為機組某次功率和高調(diào)門振蕩曲線。在2018年11月28日02∶15分左右，2號機組降負荷且總閥位指令FDEM降至60.6%左右，總閥位指令、GV4、GV5、調(diào)節(jié)級壓力、主蒸汽壓力和功率同步振蕩，直到02∶18左右，機組持續(xù)升負荷且總閥位指令上升到61.6%，振蕩結(jié)束。此外，查閱機組多次振蕩曲線，發(fā)現(xiàn)振蕩發(fā)生點總閥位指令都處于58%～61%區(qū)域，負荷波動幅度最大超過10 MW。因此，初步確定功率和高調(diào)門振蕩與汽機調(diào)門整體流量特性異常有關(guān)。

2 調(diào)門參數(shù)與順序閥整體流量特性的關(guān)系

調(diào)門流量特性是調(diào)門開度與其流量百分比的關(guān)系曲線，順序閥整體流量特性是順序閥方式下總流量指令與總流量百分比的關(guān)系曲線。順序閥控制方式時，各個調(diào)門在閥門控制程序的管理下順序開啟，并且相鄰調(diào)門有一定的重疊區(qū)域，即后一個調(diào)門在前一個調(diào)門尚未全開時就提前開啟，克服單個調(diào)門流量特性非線性對整體流量的影響，確保順序閥整體流量特性是線性的。順序閥整體流量特性直接影響機組負荷調(diào)節(jié)的性能。

圖1 機組高調(diào)門和功率振蕩曲線

機組高壓調(diào)門控制原理如圖2所示，主要控制參數(shù)包括函數(shù)F(X1)、F(X2)、F(X3)，以及比例偏置因子(K+B)，順序閥方式運行時高壓調(diào)門開啟順序為GV1/GV2、GV4、GV5、GV6、GV3。F(X1)為背壓修正函數(shù)，是機組流量需求與流量指令的修正函數(shù)。由于汽輪機在不同的流量做功時汽輪機排氣壓力隨之變化，蒸汽焓降變化，做功能力不同，需要對流量指令進行修正，該參數(shù)由汽輪機的自身特性決定，無需試驗整定[1]。流量比例偏置因子(K+B)將流量指令分配到各調(diào)門，控制各調(diào)門的開啟順序。F(X2)為重疊度函數(shù)，控制相鄰調(diào)門的重疊度，使整體流量在重疊區(qū)具有較好的線性。F(X3)為流量開度修正函數(shù)，將調(diào)門所需流量指令映射為開度指令，最終控制調(diào)門開度，主要影響非重疊區(qū)整體流量特性的線性度。一般情況下F(X3)反函數(shù)與調(diào)門實測流量特性越接近，整體流量特性線性越好[2]。

圖2 機組DEH閥門控制程序示意圖

3 調(diào)門整體流量特性分析及仿真優(yōu)化

3.1 整體流量特性測試

為進一步確定功率振蕩的原因，通過試驗測試順序閥方式下整體流量特性。將機組調(diào)整至90%額定負荷、汽輪機調(diào)門全開工況，保持機前壓力相對穩(wěn)定，在操作員自動方式下按照一定速率減小總流量指令使調(diào)門依次關(guān)閉，直至總流量指令將至55%左右，獲取順序閥方式下整體流量特性，如圖3所示。其中整體流量特性(百分比)是將調(diào)節(jié)級壓力與機前壓力的比值根據(jù)調(diào)門全開時的比值折算得到的百分數(shù)，整體流量百分數(shù)與總流量指令FDEM的關(guān)系曲線反映了順序閥方式下汽輪機高調(diào)門的調(diào)節(jié)特性。

圖3 整體流量實測曲線和模型仿真曲線對比

由圖3可知，整體流量特性斜率在總流量指令為58.8%～60.6%區(qū)域時突然變陡，當(dāng)機組進入該區(qū)域運行時，總流量指令發(fā)生微弱變化，實際蒸汽流量變化較大，功率發(fā)生過調(diào)，在閉環(huán)控制作用下總流量指令反調(diào)，導(dǎo)致功率反調(diào)過多，功率持續(xù)振蕩。整體流量特性斜率變陡的區(qū)域處于非重疊區(qū)，主要與調(diào)門GV4參數(shù)有關(guān)，當(dāng)總流量指令從60.6%下降時，GV4開度指令相應(yīng)地從51%開始關(guān)閉，在20%～51%區(qū)域GV4實測流量比設(shè)定流量小很多，導(dǎo)致整體流量特性比較小，整體流量特性曲線呈現(xiàn)出快速下降的形狀，如圖4所示。

圖4 GV4流量特性實測曲線及優(yōu)化前后流量開度修正函數(shù)

3.2 整體流量特性仿真及優(yōu)化

3.2.1 模型結(jié)構(gòu)

圖5 整體流量特性仿真模型結(jié)構(gòu)

3.2.2 參數(shù)辨識

圖5的流量特性仿真模型中未知參數(shù)為k1～k6，并且整體流量特性與各調(diào)門流量百分比存在以下線性關(guān)系：

根據(jù)整體流量特性實測數(shù)據(jù)獲得N個樣本數(shù)據(jù)[FDEMiFi]，i=1,2,…,N，作為整體流量特性仿真模型訓(xùn)練樣本，以均方誤差(MSE)作為模型性能評價指標(biāo)[3,4]，采用最小二乘算法辨識模型參數(shù)k1～k6。模型仿真曲線如圖3所示，與實測曲線擬合度較高，并且準(zhǔn)確地仿真出整體流量特性快速下降的過程，為調(diào)門參數(shù)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

在調(diào)門流量特性實測曲線的基礎(chǔ)上，綜合考慮單閥方式下各調(diào)門開度一致性，優(yōu)化GV4流量開度修正函數(shù)F(X3)，并通過仿真模型計算優(yōu)化結(jié)果，實現(xiàn)整體流量特性閉環(huán)優(yōu)化。GV4函數(shù)優(yōu)化前后曲線如圖4所示，優(yōu)化后GV4設(shè)定流量與實測流量比較接近；整體流量特性優(yōu)化仿真結(jié)果如圖6所示，整體流量“陡降”區(qū)域消除、線性度明顯提升。

圖6 優(yōu)化后整體流量特性仿真曲線

4 優(yōu)化效果

將GV4優(yōu)化數(shù)據(jù)導(dǎo)入DEH控制系統(tǒng)后，通過試驗重新測試順序閥方式下整體流量特性，實測曲線如圖7所示，整體流量特性“陡降”現(xiàn)象消除。圖8為優(yōu)化后機組正常運行曲線圖，總流量指令多次位于58%～61%區(qū)域，高調(diào)門和功率均未發(fā)生振蕩現(xiàn)象，機組安全穩(wěn)定運行。

圖7 優(yōu)化后整體流量特性實測曲線

圖8 優(yōu)化后機組正常運行曲線

5 結(jié)論

文章通過分析機組功率振蕩曲線和實測順序閥調(diào)門整體流量特性，確診了功率振蕩的根本原因；并根據(jù)流量特性實測數(shù)據(jù)建立了整體流量特性仿真計算模型，模型準(zhǔn)確地描述了流量特性變化異常的區(qū)域；最后基于仿真模型對調(diào)門參數(shù)進行在線優(yōu)化及仿真。從優(yōu)化后實測結(jié)果來看，整體流量特性“陡降”現(xiàn)象消除，線性度明顯改善；從實際運行結(jié)果來看，機組功率振蕩問題得到有效解決，運行安全穩(wěn)定性顯著提高。