1000MW超超臨界機(jī)組調(diào)閥快關(guān)邊界條件分析與應(yīng)用

宋曉輝，梁恒，陳新明，普建國，廖軍林，伍剛，尹金亮

1000MW超超臨界機(jī)組調(diào)閥快關(guān)邊界條件分析與應(yīng)用

宋曉輝1，梁恒1，陳新明2，普建國1，廖軍林1，伍剛1，尹金亮3

（1．西安熱工研究院有限公司，陜西省 西安市 710054；2．中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京市 昌平區(qū) 102209；3．國家電投集團(tuán)河南電力有限公司技術(shù)信息中心，河南省 鄭州市 450000）

某1000MW超超臨界機(jī)組在冷態(tài)沖轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)調(diào)閥頻繁快關(guān)動作，造成閥體支撐晃動大，無法繼續(xù)升速。針對這一問題，試運(yùn)現(xiàn)場通過調(diào)整沖轉(zhuǎn)參數(shù)、檢查電磁閥油路、重新化驗(yàn)控制油油質(zhì)等措施仍未得到解決。為此，從轉(zhuǎn)速控制邏輯出發(fā)，分析快關(guān)動作發(fā)生的條件及調(diào)閥快關(guān)過程中比例積分(proportion integration，PI)調(diào)節(jié)量的變化，得出快關(guān)過程中影響總流量指令(即最終的閥位開度)最主要的因素是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的前饋量變化，而并非是轉(zhuǎn)速PI輸出量的變化。依據(jù)這一分析，在不改變沖轉(zhuǎn)參數(shù)、閥門流量特性曲線的條件下，計(jì)算出轉(zhuǎn)速控制前饋量的邊界值。通過多次嘗試確立前饋量的最優(yōu)值，避免控制邏輯中因參數(shù)設(shè)置不合理而觸發(fā)調(diào)閥快關(guān)動作。優(yōu)化后實(shí)際轉(zhuǎn)速跟隨設(shè)定值平穩(wěn)上升，調(diào)閥開度線性開啟，不再出現(xiàn)頻繁擺動，達(dá)到升速控制的要求。

超超臨界機(jī)組；頻繁快關(guān)；轉(zhuǎn)速控制；調(diào)節(jié)量；前饋量；最優(yōu)值

0 引言

汽輪機(jī)組的冷態(tài)沖轉(zhuǎn)是機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，上海電氣集團(tuán)股份有限公司上海汽輪機(jī)廠(以下簡稱“上汽”)1000MW機(jī)組的沖轉(zhuǎn)嚴(yán)格按照自動升速控制程序執(zhí)行。沖轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)的故障狀況迥異[1-6]，目前調(diào)閥頻繁快關(guān)造成跳機(jī)的情況大多出現(xiàn)在閥門活動性試驗(yàn)(active turbine test，ATT)過程中[7]。文獻(xiàn)[8]研究發(fā)現(xiàn)跳閘電磁閥油路卡澀，造成調(diào)閥快關(guān)。文獻(xiàn)[9]研究發(fā)現(xiàn)高壓調(diào)閥存在空行程，在某個連接處存在松動，造成調(diào)門振蕩。運(yùn)行中還出現(xiàn)過因調(diào)閥反饋差動位移傳感器(linear variable differential transformer，LVDT)波動大而造成閥位信號振動的問題[10]；甚至在控制油泵聯(lián)動過程中也出現(xiàn)過調(diào)門快關(guān)的問題[11]。以上大多數(shù)故障都出現(xiàn)在汽輪機(jī)帶負(fù)荷階段，調(diào)閥已經(jīng)經(jīng)歷了冷態(tài)、熱態(tài)的各種考驗(yàn)，并且暴露的問題多數(shù)與蒸汽參數(shù)、控制油回路、測量裝置、LVDT桿的信號傳輸、汽輪機(jī)熱應(yīng)力等因素[12-19]有關(guān)。在實(shí)際處理中，通過硬件設(shè)備的更換、維修，基本上可以解決上述因物理、機(jī)械、信號等故障而造成的調(diào)閥快關(guān)問題。

本文中調(diào)閥快關(guān)發(fā)生在汽輪機(jī)首次冷態(tài)沖轉(zhuǎn)階段，在故障初期通過排除以上故障隱患后仍未得到解決，因此從另一個角度出發(fā)，重點(diǎn)分析沖轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)速控制邏輯，計(jì)算調(diào)閥快關(guān)動作的邊界條件，為該問題的解決提供一種新的思路，對同類型機(jī)組在啟動調(diào)試階段的故障排除具有一定的指導(dǎo)作用。

1 機(jī)組概述

某電廠汽輪機(jī)采用上汽生產(chǎn)的C1000-28/0.4/600/610型高效超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、抽汽凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組設(shè)有9級非調(diào)整回?zé)岢槠?，分別供應(yīng)4臺高壓加熱器、1臺除氧器、5臺低壓加熱器，另外設(shè)計(jì)有外置式蒸汽冷卻器。

汽輪機(jī)的主汽閥與調(diào)閥組件分別布置在高壓缸兩側(cè)。每個組件包括一個主汽閥和一個主調(diào)閥，并且共用一個閥殼。主汽閥可以迅速關(guān)斷以截?cái)嘀髡羝艿赖恼羝?，關(guān)閉時間極短且可靠性極高；主調(diào)閥可根據(jù)機(jī)組負(fù)荷要求控制進(jìn)入高壓缸的蒸汽流量。主汽閥是一個內(nèi)部帶有預(yù)啟閥的單閥座式提升閥，由油動機(jī)開啟，由彈簧力關(guān)閉。主調(diào)閥帶有中空的閥碟閥桿，在位于內(nèi)閥蓋的閥桿襯套滑動，在閥碟上設(shè)有平衡孔以減小機(jī)組運(yùn)行時打開調(diào)門所需的提升力，同樣地，調(diào)門也由油動機(jī)開啟，由彈簧力關(guān)閉，這樣在系統(tǒng)或汽輪機(jī)發(fā)生故障時，主汽閥和調(diào)門能夠立即關(guān)閉，確保安全。閥門布置如圖1所示。

1—主蒸汽進(jìn)口；2—高壓缸；3—主汽閥；4—主汽閥油動機(jī)；5—主調(diào)閥；6—主調(diào)閥油動機(jī)；7—進(jìn)汽插管。

2 快關(guān)過程及調(diào)閥流量特性分析

2.1 快關(guān)過程

上汽1000MW超超臨界機(jī)組于2018年11月8日具備沖轉(zhuǎn)條件，主蒸汽參數(shù)為7.406MPa/ 400℃，再熱蒸汽參數(shù)為1.129MPa/400℃，背壓為9.677kPa。機(jī)組冷態(tài)階段首次沖轉(zhuǎn)至360r/min后充分暖機(jī)，判定暖機(jī)結(jié)束后開始升速，在升速過程中高、中壓調(diào)閥出現(xiàn)大幅度擺動，就地異響明顯，嚴(yán)重影響繼續(xù)升速，打閘停機(jī)后繼續(xù)沖轉(zhuǎn)，仍出現(xiàn)上述現(xiàn)象。從分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)采集的沖轉(zhuǎn)過程調(diào)閥指令反饋的變化曲線如圖2所示，可以看出，高壓調(diào)閥在轉(zhuǎn)速360~1400r/min區(qū)間內(nèi)頻繁快關(guān)，對應(yīng)的調(diào)閥開度為1.99%~8.82%；中壓調(diào)閥在轉(zhuǎn)速360~1800r/min區(qū)間內(nèi)頻繁快關(guān)，對應(yīng)的調(diào)閥開度為0.81%~5.19%。當(dāng)轉(zhuǎn)速升至2200r/min以上時，高、中壓調(diào)閥開始平緩開啟，不再出現(xiàn)頻繁快關(guān)的現(xiàn)象，就地異響現(xiàn)象消失，汽輪機(jī)順利定速在3000r/min，各瓦振動正常。

2.2 調(diào)閥流量特性分析

調(diào)門的流量特性曲線決定了沖轉(zhuǎn)階段的閥門開度。每個調(diào)節(jié)閥上裝有一個比例控制器，為了改善控制特性，閥位控制器接收來自主控制器信號，每個控制閥有一個閥門特性校準(zhǔn)，其將進(jìn)汽流量要求信號(來自主控制器)轉(zhuǎn)化為閥位指令信號，油動機(jī)上測得的閥位信號作為反饋送入閥位控制器，從而控制調(diào)節(jié)閥的閥位。如果實(shí)際閥位信號失效，則相應(yīng)的控制閥緩慢關(guān)閉。表1、2分別為高、中壓調(diào)閥流量特性數(shù)據(jù)，圖3、4分別為對應(yīng)的流量特性曲線。

1—高壓主汽壓力；2—主汽溫度；3—中壓主汽門前壓力；4—再熱溫度；5—真空；6—實(shí)際轉(zhuǎn)速； 7—高壓調(diào)閥1號快關(guān)信號；8—高壓調(diào)閥2號快關(guān)信號；9—中壓調(diào)閥1號快關(guān)信號。

從圖3可以看出，當(dāng)高壓調(diào)閥開度在0~ 22.31%時呈線性開啟狀態(tài)，對應(yīng)的流量指令SFD為0~75%，該階段進(jìn)汽流量較大，一旦調(diào)閥出現(xiàn)頻繁快關(guān)，對機(jī)內(nèi)進(jìn)汽流量的擾動劇烈，轉(zhuǎn)速控制更困難。當(dāng)高壓調(diào)閥開度在22.31%~47%時緩慢開啟，對應(yīng)的SFD為75%~93%，高壓調(diào)閥基本上可以達(dá)到全容量進(jìn)汽。繼續(xù)增大高壓調(diào)閥開度至50%以上時，對進(jìn)汽流量的影響較小。

從圖4可以看出，中壓調(diào)閥呈現(xiàn)出與高壓調(diào)閥類似的流量特性，當(dāng)中壓調(diào)閥開度在17%以下時，對應(yīng)的流量指令SAF隨開度的增加呈線性規(guī)律增大，在17%~37%時對應(yīng)的流量指令變化幅度較小。主要的區(qū)別之處是中壓調(diào)閥開度在37%時，對應(yīng)的流量指令就可以達(dá)到84%，繼續(xù)增大中壓調(diào)閥，流量指令接近全開狀態(tài)。

調(diào)閥的流量特性曲線反映了該閥門設(shè)計(jì)與制造的屬性，不宜輕易改變與修改。沖轉(zhuǎn)階段所需蒸汽流量較少，調(diào)閥開度處在線性上升區(qū)間，如果總流量指令能平穩(wěn)輸出，則調(diào)閥就能平緩開啟，滿足升速的要求。因此，在不改變調(diào)閥流量特性參數(shù)的條件下，如何做到在沖轉(zhuǎn)階段調(diào)閥線性平緩開啟，是避免調(diào)閥快關(guān)問題發(fā)生的主要突破點(diǎn)。

表1 高壓調(diào)閥流量特性數(shù)據(jù)

表2 中壓調(diào)閥流量特性數(shù)據(jù)

圖3 高壓調(diào)閥流量特性曲線

圖4 中壓調(diào)閥流量特性曲線

3 快關(guān)邊界條件分析

3.1 快關(guān)條件的判定

上汽汽輪機(jī)調(diào)閥快關(guān)邏輯的判定條件一般設(shè)置為：當(dāng)閥位反饋對應(yīng)進(jìn)汽流量值大于閥門進(jìn)汽流量設(shè)定值25%以上時，調(diào)閥快關(guān)電磁閥失電，使調(diào)閥快關(guān)，防止汽輪機(jī)超速。當(dāng)閥門進(jìn)汽流量設(shè)定值與閥位反饋對應(yīng)進(jìn)汽流量值的差小于25%時，快關(guān)指令消失。

以高壓調(diào)閥1快關(guān)邏輯為例，汽輪機(jī)的高壓調(diào)閥1閥位反饋通過一個折線函數(shù)計(jì)算出對應(yīng)的高壓調(diào)閥進(jìn)汽流量指令(SFD)，然后再和汽輪機(jī)高壓調(diào)閥進(jìn)汽流量設(shè)定值(SFD1)進(jìn)行比較，如果偏差大于25%，就會觸發(fā)快關(guān)。快關(guān)動作時，調(diào)門跳閘電磁閥1、2失電，調(diào)門伺服閥輸出為最大的負(fù)電流，使調(diào)門快速關(guān)閉；當(dāng)高壓調(diào)門快關(guān)動作時，會通過邏輯觸發(fā)同側(cè)的中壓調(diào)門快關(guān)。通過沖轉(zhuǎn)階段歷史曲線發(fā)現(xiàn)，升速過程中調(diào)門指令與反饋偏差頻繁大于25%。沖轉(zhuǎn)過程中調(diào)閥快關(guān)動作曲線如圖5所示。

3.2 轉(zhuǎn)速控制邏輯

汽輪機(jī)組的轉(zhuǎn)速是通過改變主汽閥和調(diào)節(jié)汽閥的位置來控制的。汽輪機(jī)控制系統(tǒng)將要求的閥位信號送至伺服油動機(jī)，并通過伺服油動機(jī)控制閥門的開度來改變進(jìn)汽量。數(shù)字?電?液控制系統(tǒng) (digital electric hydraulic control system，DEH)接收來自汽輪機(jī)組的反饋信號(轉(zhuǎn)速、功率、主汽壓力等)及運(yùn)行人員的指令，進(jìn)行計(jì)算，發(fā)送輸出信號至伺服油動機(jī)，驅(qū)動閥門開啟對應(yīng)的開度[20-21]。

1—轉(zhuǎn)速偏差psf40；2—換算后的轉(zhuǎn)速偏差比psf560；3—控制回路的前饋量n410；4—實(shí)際轉(zhuǎn)速；5—設(shè)定轉(zhuǎn)速；6—總流量輸出指令ynprom；7—高壓調(diào)閥1反饋；8—高壓調(diào)閥2反饋；9—中壓調(diào)閥1反饋；10—中壓調(diào)閥2反饋。

在轉(zhuǎn)速控制方式時，延時轉(zhuǎn)速設(shè)定和實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差以sf40表示。該轉(zhuǎn)速偏差與額定轉(zhuǎn)速的比值轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速偏差比sf560。將sf560除以轉(zhuǎn)速不等率0.05得到的sf580作為比例積分(proportion integration，PI)調(diào)節(jié)器的輸入量。轉(zhuǎn)速偏差比sf560乘上比例系數(shù)dn作為轉(zhuǎn)速控制回路的前饋量，用410表示：

410=dn′sf560(1)

在轉(zhuǎn)速控制回路中最終的總流量輸出指令nprom是由410直接和PI調(diào)節(jié)器的輸出量idout相加所得，即

nprom=idout+410(2)

總流量指令按式(3)和(4)形成高壓調(diào)閥進(jìn)汽流量指令SFD和中壓調(diào)閥進(jìn)汽流量指令SAF，最后根據(jù)閥門流量特性曲線形成高、中壓調(diào)閥的閥位指令。

SFD=(nprom+0%)/(80%-0%)(3)

SAF=(nprom+4%)/(56%-4%)(4)

DEH中設(shè)置的轉(zhuǎn)速控制邏輯如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速控制SAMA圖

3.3 邊界條件的計(jì)算與優(yōu)化

從調(diào)門快關(guān)判定條件得知調(diào)閥快關(guān)動作條件：

當(dāng)閥門快關(guān)時反饋指令=0，此時￠=-0.25，根據(jù)式(3)計(jì)算得出nprom等于20%。即當(dāng)調(diào)閥快關(guān)的瞬間，總流量指令瞬時變化20%。同理根據(jù)式(4)計(jì)算得出，總流量指令瞬時變化9%時中壓調(diào)閥快關(guān)。

根據(jù)式(2)可知，轉(zhuǎn)速控制階段總流量指令由PI調(diào)節(jié)器輸出量和前饋量共同決定。取圖5中總流量指令nprom變化量為?10.5%的時刻，此時調(diào)閥快關(guān)動作，其中前饋量410變化?9%，PI調(diào)節(jié)器輸出量僅變化?1.5%。由此判斷對流量指令起決定性作用的是前饋量410的變化量。因此重點(diǎn)對前饋量進(jìn)行分析。取沖轉(zhuǎn)過程高、中壓調(diào)閥快關(guān)的某一時刻(圖5中轉(zhuǎn)速實(shí)際值為585r/min，轉(zhuǎn)速設(shè)定值為602r/min)，此時對應(yīng)的nprom變化量為22%，410變化量為17.3%，idout變化量為4.7%。由前述計(jì)算可知高壓調(diào)閥快關(guān)時nprom的邊界值為20%，將當(dāng)前idout的值代入式(1)、(2)中，計(jì)算得到dn為26.52。因此在轉(zhuǎn)速偏差不變的情況下，只要dn>26.52，則高壓調(diào)閥快關(guān)，進(jìn)而引起中壓調(diào)閥快關(guān)。

同樣地，取沖轉(zhuǎn)過程中調(diào)閥快關(guān)的另一時刻(圖5中轉(zhuǎn)速實(shí)際值為1685r/min，轉(zhuǎn)速設(shè)定值為1677r/min)，此時對應(yīng)的nprom變化量為11.4%，410變化量為10.5%，idout變化量為0.9%。將中壓調(diào)閥快關(guān)時nprom邊界值9%和該時刻下的idout值代入式(1)、(2)中，計(jì)算得到dn為31.35。因此當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差不變的情況下，只要dn>31.35，則中壓調(diào)閥快關(guān)。

控制系統(tǒng)中原系數(shù)dn設(shè)置為30，根據(jù)計(jì)算出的快關(guān)邊界條件，通過上述分析將原值修改至25以下，經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)，當(dāng)系數(shù)dn取20時，調(diào)節(jié)品質(zhì)最佳，因此最終確定將系數(shù)dn修改為20。

修改前饋量比例系數(shù)后，升速階段轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，調(diào)門閥位波動較小，滿足平穩(wěn)安全升速要求[22]。優(yōu)化后的沖轉(zhuǎn)過程曲線如圖7所示。

4 結(jié)論

對汽輪機(jī)發(fā)生的調(diào)閥快關(guān)問題進(jìn)行了整理與分析，得出以下結(jié)論：

1）大多數(shù)的調(diào)閥快關(guān)動作發(fā)生在帶負(fù)荷階段，該階段應(yīng)重點(diǎn)從控制油油質(zhì)、電磁閥油路、LVDT信號傳輸以及汽輪機(jī)熱應(yīng)力等方面進(jìn)行分析解決和預(yù)防。

1—轉(zhuǎn)速偏差psf40；2—換算后的轉(zhuǎn)速偏差比psf560；3—控制回路的前饋量n410；4—實(shí)際轉(zhuǎn)速；5—設(shè)定轉(zhuǎn)速；6—總流量輸出指令ynprom；7—高壓調(diào)閥1反饋；8—高壓調(diào)閥2反饋；9—中壓調(diào)閥1反饋；10—中壓調(diào)閥2反饋；11—高壓調(diào)閥1號快關(guān)信號；12—高壓調(diào)閥2號快關(guān)信號；13—中壓調(diào)閥1號快關(guān)信號；14—中壓調(diào)閥2號快關(guān)信號。

2）對于發(fā)生在冷態(tài)沖轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)的調(diào)閥快關(guān)問題，應(yīng)重點(diǎn)從內(nèi)部控制邏輯入手，對影響升速階段總流量指令的因素(即PI輸出量與轉(zhuǎn)速控制前饋量)分別加以分析，并得出對流量指令起決定性作用的因素是轉(zhuǎn)速控制前饋量。

3）結(jié)合調(diào)閥快關(guān)動作發(fā)生的判定條件，分別計(jì)算出發(fā)生調(diào)閥快關(guān)時總流量指令的邊界條件，以及高、中壓調(diào)閥快關(guān)動作時前饋量比例系數(shù)的邊界值。

4）按照計(jì)算出的快關(guān)邊界條件，對原邏輯中的前饋量比例系數(shù)進(jìn)行修改，并多次反復(fù)試驗(yàn)，最終確定最優(yōu)值，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)品質(zhì)達(dá)到最佳，滿足升速過程平穩(wěn)安全的要求。

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Analysis and Application of Fast Closing Boundary Conditions for Governing Valves of 1000MW Ultra-supercritical Unit

SONG Xiaohui1, LIANG Heng1, CHEN Xinming2, PU Jianguo1, LIAO Junlin1, WU Gang1, YIN Jinliang3

(1. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, Shaanxi Province, China; 2. Huaneng Clean Energy Research Institute, Changping District, Beijing 102209, China; 3. Technical and Information Center, State Power Investment Company Henan Electric Power Co., Ltd., Zhengzhou 450000, Henan Province, China)

The frequent fast closing action of the governing valve in a 1000 MW ultra-supercritical unit occurred during the cold running process, which caused the valve body to sway greatly and could not continue to speed up. The problem had not been solved by governing the impulse parameters, checking the solenoid valve oil circuit,retesting the control oil quality and other measures. Therefore, starting from the speed control logic, the conditions of fast closing action and the change of proportional integral (PI) regulating quantity were analyzed. It was concluded that the main factor affecting the total flow instruction (the final valve position opening) in the process of fast closing is the feedforward change of speed regulation, not the change of PI output. Based on this analysis, the boundary value of feedforward quantity of speed control was calculated without changing the impulse parameters and the flow characteristic curve of the valve. Through many attempts to establish the optimal value of feedforward quantity, the fast closing action of the governing valve can be avoided due to the unreasonable parameter setting in the control logic. After optimization，the actual speed rises steadily with the set value, the valve opening is opened linearly, and there is no more frequent swing, which meets the requirements of speed up control.

ultra-supercritical unit; frequent fast closing; speed control; regulating quantity; feedforward quantity; optimum value

10.12096/j.2096-4528.pgt.20004

TK 38

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2019YFE0100100)。

Project Supported by National Key Research and Development Program of China (2019YFE0100100).

2020-03-11。

(責(zé)任編輯 尚彩娟)