660 MW 機(jī)組甩負(fù)荷試驗轉(zhuǎn)速二次飛升原因分析及處理

張新勝，宋佳輝，丁 寧，翁 景

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012）

0 引言

甩負(fù)荷試驗在檢驗火力發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性中起到了重要作用，是預(yù)防發(fā)生超速事故的有效措施[1]。某超超臨界機(jī)組DEH（汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)）通過并網(wǎng)斷路器斷開、KU（負(fù)荷瞬時中斷）和LAW（長甩負(fù)荷）來進(jìn)行甩負(fù)荷判據(jù)，通過功率不平衡引起的調(diào)閥指令和反饋偏差大來進(jìn)行快關(guān)調(diào)閥，從而抑制轉(zhuǎn)速飛升[2]。近年來，隨著單機(jī)容量的增大，為了防止甩負(fù)荷時轉(zhuǎn)速飛升過高，各個電廠通過甩負(fù)荷試驗中發(fā)現(xiàn)的問題，從而對甩負(fù)荷判據(jù)、甩負(fù)荷回路傳輸速度等內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。袁岑頡[3]等人通過DEH 與ETS（汽輪機(jī)跳閘保護(hù)系統(tǒng)）將涉及甩負(fù)荷試驗的主要信號廣播頻率設(shè)置為F（快速），并采用C20觸發(fā)直接硬接線切斷電磁閥電源，確保甩負(fù)荷時停機(jī)電磁閥的及時響應(yīng)，有效防止轉(zhuǎn)速飛升過高；王異成[4]等人對高壓調(diào)節(jié)閥閥位控制偏差定值的形成與修改進(jìn)行了討論，若隨意對該定值進(jìn)行修改，會存在甩負(fù)荷試驗時轉(zhuǎn)速飛升過高的現(xiàn)象；程貴兵[5]等人對甩負(fù)荷的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，著重分析了OPC（超速保護(hù)控制）復(fù)位時間的選擇對抑制轉(zhuǎn)速飛升的影響。這些文獻(xiàn)大多都是從甩負(fù)荷試驗時抑制轉(zhuǎn)速第一次飛升過高的角度進(jìn)行邏輯優(yōu)化，針對甩負(fù)荷試驗轉(zhuǎn)速二次飛升及優(yōu)化措施缺乏深入研究[6-8]。

本文以某660 MW 超超臨界機(jī)組50%甩負(fù)荷試驗時出現(xiàn)轉(zhuǎn)速二次飛升現(xiàn)象開展研究，對甩負(fù)荷控制原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過控制回路組成的劃分，并通過有效的計算對比，指出了導(dǎo)致轉(zhuǎn)速二次飛升的主要原因。針對此類型機(jī)組甩負(fù)荷控制回路的共有問題進(jìn)行了優(yōu)化，并進(jìn)行了試驗驗證，結(jié)果表明，該方法有效抑制了甩負(fù)荷試驗轉(zhuǎn)速的二次飛升。

1 機(jī)組簡介及甩負(fù)荷試驗過程

1.1 機(jī)組簡介

某發(fā)電廠搬遷改造項目為2 臺660 MW 超超臨界燃煤機(jī)組，汽輪機(jī)選用某公司生產(chǎn)的N660/28/600/620 型超超臨界、單軸、四缸四排汽、一次中間再熱、九級回?zé)岷湍狡啓C(jī)，其DEH系統(tǒng)采用Ovation 系統(tǒng)。該機(jī)組汽輪機(jī)高、中壓缸各配置2 個進(jìn)汽門及調(diào)門，進(jìn)汽門及調(diào)門設(shè)置2個快關(guān)電磁閥，發(fā)生流量快關(guān)時，DEH 系統(tǒng)發(fā)出快關(guān)信號至快關(guān)電磁閥的得失電回路，使快關(guān)電磁閥失電，進(jìn)而實現(xiàn)進(jìn)汽調(diào)門快關(guān)。

1.2 甩負(fù)荷試驗過程

2020 年11 月26 日，該機(jī)組按照規(guī)定進(jìn)行50%甩負(fù)荷試驗，試驗前機(jī)組運行方式為CCS（協(xié)調(diào)控制），機(jī)組負(fù)荷333 MW，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，主汽溫度594 ℃，主汽壓力14.2 MPa。甩負(fù)荷指令發(fā)出后，斷開發(fā)電機(jī)并網(wǎng)斷路器，試驗動作正常，以并網(wǎng)信號脫開為計時點，199 ms 高調(diào)門開始從34%開度快關(guān)，296 ms 全關(guān)；216 ms 中調(diào)門開始從100%開度快關(guān)，407 ms 全關(guān)；26 ms 轉(zhuǎn)速開始飛升，4.22 s 轉(zhuǎn)速最高達(dá)到3 113 r/min；44.52 s 轉(zhuǎn)速最低值2 959 r/min；52.27 s 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到3 000 r/min。試驗曲線如圖1 所示。

圖1 50%甩負(fù)荷錄波曲線

由圖1 可知，本次甩負(fù)荷試驗過程中轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了2 次飛升，第一次瞬時最高轉(zhuǎn)速為3 096 r/min；第二次瞬時最高轉(zhuǎn)速為3 113 r/min。甩負(fù)荷開始后，DEH 功率控制回路切位轉(zhuǎn)速控制，目標(biāo)轉(zhuǎn)速3 000 r/min，轉(zhuǎn)速二次飛升后汽機(jī)轉(zhuǎn)速超過3 000 r/min，高、中壓調(diào)閥慢慢關(guān)閉，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速下降并維持至3 000 r/min。甩負(fù)荷試驗導(dǎo)則要求，凝汽式汽輪機(jī)進(jìn)行50%甩負(fù)荷時，若瞬時最高轉(zhuǎn)速超過105%額定轉(zhuǎn)速，則判定甩負(fù)荷試驗失敗。本次試驗中瞬時最高轉(zhuǎn)速為3 113 r/min，雖然沒有超過3 150 r/min，但與以往同類型機(jī)組相比，此次50%甩負(fù)荷試驗出現(xiàn)了2 次轉(zhuǎn)速飛升，且第二次瞬時最高轉(zhuǎn)速明顯偏高。

2 某超超臨界機(jī)組甩負(fù)荷控制原理

某超超臨界機(jī)組引進(jìn)了德國某公司技術(shù)[9]，本次甩負(fù)荷過程動作回路為并網(wǎng)斷路器斷開、觸發(fā)無負(fù)荷中斷C10，C10 動作將負(fù)荷指令切成0，負(fù)荷指令切除后流量指令突降，觸發(fā)快關(guān)指令C20，高、中壓調(diào)閥快關(guān)，C20 觸發(fā)1 s 恢復(fù)。具體控制原理如圖2 所示。

圖2 機(jī)組甩負(fù)荷控制原理

由圖2 可知，該類型機(jī)組甩負(fù)荷控制原理主要由功率/轉(zhuǎn)速[10-12]回路起作用，閥門流量指令由2 路組成（功率控制回路PID 輸出以及功率控制回路流量指令前饋，其中功率控制回路流量指令前饋由功率控制回路流量指令基準(zhǔn)線和一次調(diào)頻前饋組成）。當(dāng)并網(wǎng)信號脫網(wǎng)后，觸發(fā)C10，經(jīng)功率設(shè)定值切為0，造成功率控制回路流量指令基準(zhǔn)線為0，閥門流量指令會大幅度減小，流量指令-當(dāng)前閥門開度對應(yīng)流量＜-0.25，觸發(fā)C20，在硬回路中直接作用的電磁閥失電，確保機(jī)組甩負(fù)荷后高中壓調(diào)閥迅速關(guān)閉。延時1 s 后，C20 復(fù)位，快關(guān)電磁閥恢復(fù)，安全油壓再次建立，調(diào)門再次開啟，維持3 000 r/min 運行。

3 甩負(fù)荷試驗轉(zhuǎn)速二次飛升原因

本次甩負(fù)荷試驗前，為了避免甩負(fù)荷時未能及時觸發(fā)流量快關(guān)C20，導(dǎo)致調(diào)門關(guān)閉時間過長，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)飛升[13-15]，根據(jù)文獻(xiàn)[3]對邏輯以及控制回路進(jìn)行了優(yōu)化：

（1）將圖2 中的并網(wǎng)信號消失以及流量快關(guān)C20 由DEH 控制器廣播至ETS 控制器的廣播頻率改為快速。

（2）將圖2 中的C20 信號直接硬接線由DEH控制器廣播至ETS 控制器，切斷電磁閥電源，通信和硬回路雙重作用，以確保甩負(fù)荷時C20 能及時響應(yīng)。

根據(jù)本次50%甩負(fù)荷過程可知，甩負(fù)荷過程中轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了二次飛升，第二次瞬時最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了3 113 r/min。將高速數(shù)據(jù)采集儀采集的曲線在轉(zhuǎn)速出現(xiàn)二次飛升處細(xì)化，曲線如圖3 所示。

圖3 甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速二次飛升曲線

由圖3 可知，機(jī)組甩負(fù)荷時，并網(wǎng)開關(guān)斷開到調(diào)閥快關(guān)的時間在合格區(qū)間內(nèi)，快速觸發(fā)了C20，高、中調(diào)門快速關(guān)閉，最高瞬時轉(zhuǎn)速達(dá)到3 090 r/min；當(dāng)C20 信號1 s 后復(fù)位時，閥門流量指令不為0，導(dǎo)致高、中調(diào)門重新開啟，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)第二次飛升，最高瞬時轉(zhuǎn)速達(dá)到3 113 r/min。因此，甩負(fù)荷過程中轉(zhuǎn)速出現(xiàn)二次飛升的主要原因為C20 復(fù)位后，流量指令還處在緩慢下降的過程中，切除到0 的速率無法達(dá)到要求。

根據(jù)機(jī)組甩負(fù)荷時控制系統(tǒng)功率控制回路判斷，影響C20 復(fù)位前流量指令沒有快速切除到0的因素主要有：功率控制回路控制器輸出方面；閥門流量特性函數(shù)。因此，分別從這2 個方面對本次甩負(fù)荷試驗轉(zhuǎn)速二次飛升原因進(jìn)行分析。

3.1 功率控制回路控制器輸出

根據(jù)該超超臨界機(jī)組甩負(fù)荷控制原理可知，流量指令的計算公式為：

式中：y 為流量指令；xPID為功率控制回路PID 控制器輸出；xMW為功率控制回路流量指令基準(zhǔn)線；xPFC為功率控制回路一次調(diào)頻前饋。

式中：pldc為機(jī)組負(fù)荷指令。

機(jī)組甩負(fù)荷時，觸發(fā)C10 后，功率控制回路流量指令基準(zhǔn)線切為0，此時功率控制回路一次調(diào)頻前饋以及功率控制回路PID 的輸入偏差變?yōu)檗D(zhuǎn)速差函數(shù)，其具體公式為：

式中：n 為實際轉(zhuǎn)速；c0為一次調(diào)頻作用系數(shù)，一般為30～45，本工程設(shè)置為30；xPFC設(shè)置了上、下限，本工程設(shè)置上限0.04，下限-0.04；xerror為甩負(fù)荷時功率控制回路PID 的輸入偏差；σ 為轉(zhuǎn)速不等率，等于0.05。

根據(jù)式（1），利用本次試驗實際數(shù)據(jù)計算發(fā)生甩負(fù)荷時，功率控制回路控制器PID 輸出為0 需要的時間。閥門流量指令函數(shù)見表1。

表1 閥門流量指令函數(shù)

50%甩負(fù)荷時，閥門開度34%，對應(yīng)流量指令以及流量指令基準(zhǔn)線計算如下：

以第一次瞬時最高轉(zhuǎn)速3 090 r/min，計算xPFC和xerror：

由于xPFC受本工程設(shè)置的上、下限限制，因此xPFC=-0.04。

由式（5）、式（6）可知，發(fā)生50%甩負(fù)荷前，假設(shè)此時一次調(diào)頻未動作，則功率控制回路PID的輸出流量指令xPID0為：

假設(shè)50%甩負(fù)荷時，最高瞬時轉(zhuǎn)速一直保持3 090 r/min，因此，當(dāng)C20 觸發(fā)1 s 后復(fù)位時，PID輸出的流量指令xPID為：

式中：Kp為比例作用系數(shù)，設(shè)置為0.14；Ti為積分時間，設(shè)置為10 s；xerror0為甩負(fù)荷前功率控制回路PID 輸入偏差，因為假設(shè)一次調(diào)頻未動作，所以xerror0為0。

將式（7）—（9）代入式（10），可得50%甩負(fù)荷過程中C20 復(fù)位時PID 輸出的流量指令為：

由式（11）可知，當(dāng)C20 復(fù)位時，閥門流量指令仍有0.325，導(dǎo)致高、中壓調(diào)門再次開啟，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)第二次飛升，最高瞬時轉(zhuǎn)速達(dá)到3 113 r/min。假設(shè)汽機(jī)轉(zhuǎn)速一直保持在最高瞬時轉(zhuǎn)速3 090 r/min，則PID 的輸入偏差xerror一直維持在-0.6，控制器PID 流量指令輸出為0 的時間計算如下：

為了更好地說明C20 復(fù)位時，控制器PID 流量指令輸出為0 需要的時間，以本次甩負(fù)荷試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別計算當(dāng)時閥門開度50%，105%時需要的時間，如表2 所示。

表2 典型閥位下需要時間

由表2 可知，對比不同閥門開度下做50%甩負(fù)荷試驗時，C20 在觸發(fā)1 s 復(fù)位后，流量指令計算到0 需要的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 s，且閥門開度越高需要的時間越長，最大達(dá)到8.42 s。因此，在C20 復(fù)位后，流量指令不為0，導(dǎo)致高、中壓調(diào)門再次開啟，轉(zhuǎn)速也會出現(xiàn)二次飛升，大大影響了甩負(fù)荷試驗結(jié)果，這也是本工程50%甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速二次飛升的主要原因。

隨著特高壓主干網(wǎng)架和新能源的規(guī)?；⒕W(wǎng)，火力發(fā)電機(jī)組參與深度調(diào)峰的時長越來越長，頻次越來越高，成為機(jī)組運行常態(tài)。以浙江省為例，按照省發(fā)改委對統(tǒng)調(diào)發(fā)電機(jī)組深度調(diào)峰技術(shù)改造的要求，2018 年底完成了全省燃煤機(jī)組40%～50%Pe的深度調(diào)峰擴(kuò)容。若機(jī)組在深度調(diào)峰工況發(fā)生甩負(fù)荷時，按照甩負(fù)荷控制回路分析，功率控制回路控制器PID 輸出為0 的時間更長。以瞬時最高轉(zhuǎn)速3 090 r/min 分別計算30%Pe，40%Pe工況閥門開度50%，105%下PID 輸出為0 的時間，如表3 所示。

表3 典型負(fù)荷下需要時間

由表3 可知，機(jī)組在深度調(diào)峰工況觸發(fā)甩負(fù)荷回路后，功率控制回路控制器PID 輸出到0 的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 s；C20 復(fù)位后，PID 輸出還有較大的流量指令，導(dǎo)致高、中壓調(diào)門再次開啟的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)增大。因此，在深度調(diào)峰工況觸發(fā)甩負(fù)荷時，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)二次飛升的幾率更大。同時，因為PID 輸出的流量指令大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速二次飛升的瞬時最高轉(zhuǎn)速就會越高，嚴(yán)重影響甩負(fù)荷試驗結(jié)果。

3.2 閥門流量函數(shù)

近年來，協(xié)調(diào)模式下DEH 功率控制回路控制器PID 經(jīng)常容易積分飽和，且補(bǔ)汽閥頻繁開啟影響振動，因此，對流量分配進(jìn)行了優(yōu)化?？偭髁恐噶钆c高調(diào)閥門開度對比如圖4 所示。

圖4 高閥流量指令函數(shù)曲線

由圖4 可知，修改前為總流量指令÷0.8 對應(yīng)高調(diào)閥門開度；修改后為總流量指令÷1 對應(yīng)高調(diào)閥門開度。修改前：總流量指令0～80%對應(yīng)高調(diào)0～100%，補(bǔ)汽閥此時為0，總流量指令78%～100%高調(diào)仍為100%，對應(yīng)補(bǔ)汽閥0～20%；修改后，總流量指令0～100%對應(yīng)高調(diào)0～100%，總流量指令78%～100%仍對應(yīng)補(bǔ)汽閥0～20%。因此，在同負(fù)荷、同閥門開度情況下，同樣的高調(diào)閥流量指令88%（本次甩負(fù)荷前）對應(yīng)的PID 輸出對比修改前增加18%，在控制器參數(shù)設(shè)置相同的情況下，減慢了PID 輸出調(diào)節(jié)至0 的速度。

4 優(yōu)化措施及驗證

由第3 節(jié)分析可知，本次50%甩負(fù)荷試驗轉(zhuǎn)速出現(xiàn)二次飛升的主要原因是流量快關(guān)指令C20復(fù)位后，DEH 功率/轉(zhuǎn)速控制回路PID 輸出的流量指令沒有切除到0，導(dǎo)致在C20 復(fù)位后，高、中壓調(diào)門立即再次開啟。因此，本文從甩負(fù)荷發(fā)生后快速切除流量指令進(jìn)行控制邏輯優(yōu)化，并以100%甩負(fù)荷進(jìn)行進(jìn)一步驗證。

4.1 優(yōu)化措施

由式（1）可知，功率控制回路流量指令主要由xPID，xMW和xPFC三部分組成，發(fā)生甩負(fù)荷時xMW會迅速切為0，因此從xPID和xPFC兩方面進(jìn)行控制邏輯優(yōu)化。

（1）對DEH 功率控制回路控制器PID 進(jìn)行優(yōu)化，在C10 觸發(fā)時，迅速切PID 輸出至0，脈沖1 s，PID 輸出跟蹤到0，1 s 后根據(jù)當(dāng)時的轉(zhuǎn)速差從0 開始計算輸出值。

（2）發(fā)生甩負(fù)荷時，xPFC為轉(zhuǎn)速差的函數(shù)，并受其上、下限的限制。本工程設(shè)置的下限制為-0.04，為了使流量指令在C20 復(fù)位前快速變?yōu)?，將下限值改為-1。以本次試驗數(shù)據(jù)為例，試驗前閥門開度34%，對應(yīng)流量指令0.886 1，假設(shè)此時一次調(diào)頻未動作，此時控制控制回路PID 輸出為：

本次試驗50%甩負(fù)荷第一次瞬時最高轉(zhuǎn)速為3 090 r/min，則xPFC的計算如下：

若下限設(shè)置由-0.04 改為-1，則xPFC=-0.9，因此發(fā)生甩負(fù)荷時流量指令計算如下：

由式（14）可知，當(dāng)C20 復(fù)位后，流量指令已經(jīng)切除到0，此時高、中壓調(diào)門不會再次立即開啟，從而有效避免了甩負(fù)荷時轉(zhuǎn)速出現(xiàn)第二次飛升。

4.2 試驗驗證

本工程按照4.1 節(jié)優(yōu)化措施對DEH 功率控制回路邏輯進(jìn)行優(yōu)化后，2020 年11 月27 日，該機(jī)組按照規(guī)定進(jìn)行100%甩負(fù)荷試驗，試驗前機(jī)組運行方式為CCS，機(jī)組負(fù)荷659 MW，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，主汽溫度562 ℃，主汽壓力27.3 MPa。甩負(fù)荷指令發(fā)出后，斷開發(fā)電機(jī)并網(wǎng)斷路器，試驗動作正常，以并網(wǎng)信號脫開為計時點，182 ms 高調(diào)門開始從39%開度快關(guān)，290 ms 全關(guān)；183 ms中調(diào)門開始從100%開度快關(guān)，382 ms 全關(guān)；35 ms轉(zhuǎn)速開始飛升，2.39 s 轉(zhuǎn)速最高到3 190 r/min；57.7 s 轉(zhuǎn)速到最低值2 982 r/min；78.3 s 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到3 000 r/min。試驗曲線如圖5 所示。

圖5 100%甩負(fù)荷錄波曲線

由圖5 可知，機(jī)組甩負(fù)荷時并網(wǎng)斷路器斷開到調(diào)閥快關(guān)的時間在合格區(qū)間內(nèi)，快速觸發(fā)了C20，高、中調(diào)門快速關(guān)閉，最高瞬時轉(zhuǎn)速到3 190 r/min，同時在觸發(fā)C10 后，閥門流量指令在xPFC的作用下快速切到了0，當(dāng)C20 信號1 s 后復(fù)位時，閥門流量指令為0，高、中調(diào)門無回調(diào)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速沒有出現(xiàn)第二次飛升。

5 結(jié)論

對某660 MW 機(jī)組50%甩負(fù)荷試驗轉(zhuǎn)速二次飛升原因進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）在進(jìn)行50%甩負(fù)荷時，流量快關(guān)指令C20復(fù)位前，流量指令沒有快速切除到0；在C20 復(fù)位后，流量指令不為0，高、中壓調(diào)門立即再次開啟是導(dǎo)致甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速出現(xiàn)二次飛升以及最高瞬時轉(zhuǎn)速達(dá)到3 113 r/min 的主要原因。根據(jù)計算結(jié)果，在進(jìn)行50%甩負(fù)荷時，功率控制回路PID 輸出依靠比例作用以及積分時間為0 的時間需要數(shù)秒，負(fù)荷越低、閥門開度越大需要的時間就越長，在發(fā)生甩負(fù)荷時，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速二次飛升的幾率就越大。

（2）在對該超超臨界機(jī)組甩負(fù)荷試驗控制原理進(jìn)行分析后，從功率控制回路PID 輸出以及功率控制回路一次調(diào)頻前饋的上、下限值進(jìn)行優(yōu)化，確保C20 復(fù)位前總閥位流量指令切除到0，從而有效防止C20 復(fù)位后總閥位流量指令將高、中調(diào)門再次開啟引起轉(zhuǎn)速二次飛升，造成不可預(yù)測的后果。

（3）該超超臨界機(jī)組DEH 甩負(fù)荷控制邏輯中一些參數(shù)的設(shè)置會間接影響甩負(fù)荷試驗的成功與否，不可隨意改變。同時DEH 甩負(fù)荷控制邏輯中也存在較多問題，本文發(fā)現(xiàn)的問題是同類型機(jī)組共有的問題，需要引起足夠的重視。另外，提供的優(yōu)化措施對同類型機(jī)組甩負(fù)荷控制邏輯設(shè)計以及運行調(diào)試具有一定的參考價值。