600MW亚临界空冷机组汽轮机高调门摆动问题的分析及解决方案

    0 引言

    在实际中，电网的频率是不断波动的，如在末端电网，由于许多新能源发电单元（如风电机组）的并网运行，其频差信号经常在±0.05Hz左右（对应转速差为±3r/min）频繁变化。而电力系统运行的主要任务之一是对频率进行监视和控制，因此，发电机组的一次调频功能对维持电网频率的稳定至关重要。在电网频率的波动事件中，一次调频能力离设计值相差甚远，很多装备有快速数字电液调速器的机组没有参与一次调频。针对一次调频引起EH油管振动问题，从硬件的角度提出了在每个高压调门的进油管路增加了蓄能器，并对管束支撑进行了加固的处理措施，并取得了一定的效果。针对某135MW亚临界机组为例，从DEH系统逻辑上分析了一次调频功能在重叠度区容易引起阀门大幅晃动，甚至引起EH油管振动的原因；并且，提出在重叠度范围略微减弱流量—阀位曲线斜率较大的阀门一次调频能力，在总体上保证一次调频的幅度和精度满足电网要求，在国内首次从软件优化的角度来消除一次调频引起的阀门大幅晃动和EH油管振动；同时，还通过仿真试验验证了在CCS与DEH联合调频方式下，优化后可大大降低阀门晃动幅度，提高了汽轮机组的安全稳定性。由于，600MW级别的机组目前在我国占有很大的比重，许多文献中提及这个级别的机组在实际运行中会出现许多问题，而且这些问题随着机组运行参数的升高，问题的严重性以及出现的概率也相应地加大。如超临界机组的问题就要比亚临界的多一些，如国内大多数未进行系统高调门配汽优化工作的火电机组，都存在高调门配汽规律设计不佳的情况。当机组投入顺序阀方式运行时，出现了一些由配汽规律设计不当而引发的问题，因此，600MW级别机组的运行优化经验是非常宝贵的。

    1 机组存在的问题分析及解决方案

    1.1 优化前机组存在的问题

    本厂的两台机组自投运以来，一直存在一些问题，其中最主要的一个问题就是高调门的摆动问题。当机组在顺序阀方式下运行时，汽轮机的综合阀位（85%左右）刚好处于高调门的第三个阀与第四阀重叠区域附近时，就会出现高调门的大幅摆动问题如图1所示，高调门GV4最大摆动幅度为±10%左右。并且，调门的摆动还会直接导致主汽压的摆动以及负荷的摆动，极大地影响了机组的安全稳定运行，如图2、图3所示，主汽压扰动较小，基本在小于0.05MPa的范围内；但是对负荷的扰动较大，最大负荷扰动为±5MW左右。因此，需要对机组采用一定的运行优化策略，解决阀门摆动这个首要问题。

图1 机组高调门摆动趋势图

图2 机组主汽压摆动趋势图

图3 机组负荷摆动趋势图

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    1.2 高调门的问题分析及解决方案

    为了对机组存在的问题进行深入的分析研究，避免其余干扰因素，所以将机组切换至阀位控制方式下运行，此时，汽轮机的综合阀位刚好处于高调门的第三个阀与第四阀重叠区域附近时，高调门的摆动问题也存在，并且摆动的幅度时大时小，因此，需要对机组的实际运行参数及DEH控制逻辑进行分析。通过分析DEH控制逻辑发现，机组虽然在阀位控制方式下，但是机组的阀位指令还是处于不断变化中，因此，也就引起了高调门的摆动现象。最终，通过对引起阀位指令变化的回路的分析，发现是机组所处地域的网频较差，机组的功频调节回路处于工作状态，一次调频的动作，因此，阀位指令的不断变化，最终引起高调门的摆动问题。并且，当综合阀位刚好处于高调门的第三个阀与第四阀重叠区域附近时，第三个高调门的开度变化斜率较大，如图4所示，因此，当阀位指令变化较小时，就会引起第三个高调门的大幅摆动，这实际上是由于高调门的配汽规律设计不当而引发的问题。

    机组高调门配汽规律设计不当，会引发机组的一系列安全性和经济性以及调节性能问题。如顺序阀规律的重叠度设置不当时，机组在高调门重叠区域的阀位附近运行时，不仅会产生较大节流损失使机组运行的经济性下降，还可能引发高调门的大幅高频摆动问题，还可能伴随不同程度的负荷摆动问题，严重时甚至导致停机。此外，机组阀门流量特性的准确程度对汽轮机也具有极其重要的影响。而在现实当中，由于现场安装等因素、汽轮机制造过程中存在差异以及机组的调门进行检修或更换等各种因素，造成实际的阀门流量特性曲线与机组出厂时DEH中预置的阀门流量特性曲线存在不同程度的差异。这种差异较大时，可能会引起在机组变负荷和一次调频时出现负荷突变和调节缓慢的问题，造成机组控制困难，影响机组的安全性和变负荷能力。因此，对机组进行高调门的配汽规律优化工作十分有必要的。

图4 机组原高调门的进汽规律

    如图4所示，机组高调门的原进汽规律存在一些不合理之处，尤其是在重叠区域附近，不仅#4高调门在85%的阀位时存在摆动的问题；当机组运行至62%左右阀位时，综合阀位指令的小幅变化也会导致#1和#2高调门出现大幅摆动问题。通过对机组进行变工况计算以及实际的阀门流量特性的重新辨识，设计出了机组新的高调门进汽规律，如图5所示。新设计的顺序阀规律，不仅解决了在重叠区域先开启的阀门的开启过陡问题，还解决了原规律的线性度差的问题。并且，根据现场运行数据中的轴系稳定性问题，对开启顺序也做了一些优化调整。

图5 优化后的机组高调门的进汽规律

    2 实际运行效果验证试验

    2.1 高调门摆动问题解决的试验验证

    新设计的顺序阀高调门进汽规律，在机组DEH中通过阀门管理函数的修改来实现，已投入到实际运行中，对新设计的规律进行实际运行效果的验证工作，实验过程如下图6～图8所示。

图6 验证试验中的高调门趋势图

    从图6～图8所示的实验过程中可以看出，优化后当机组在顺序阀方式下运行时，汽轮机的综合阀位（85%左右）处于高调门的第三个阀与第四阀重叠区域附近时，不存在高调门的大幅摆动问题；如图6所示，高调门GV4最大摆动幅度仅为±1%左右。并且，调门的摆动还会对主汽压的摆动以及负荷的摆动的影响也较小，机组基本处于的安全稳定运行状态；如图7和图8所示，对主汽压基本无扰动了，而对负荷的扰动也较大，最大负荷扰动仅为±1MW左右。因此，通过对机组的运行优化，达到了解决阀门摆动的问题。

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图7 验证试验中的主汽压趋势图

图8 验证试验中的机组负荷趋势图

    2.2 高调门配汽优化的其他效果

    同时，两台600MW机组的现场试验还发现，汽轮机上下缸体的膨胀偏差也比原来要小，这对改善机组的经济性有很大的帮助。因为，上下缸温差大不仅可能会直接导致汽缸漏汽，还可能引起汽缸变形，动静碰磨，汽封磨损。由于汽缸变形，启、动、静碰磨等原因，很容易造成汽封磨损，汽轮机径向间隙增大等一系列影响机组安全与经济性的问题。此外，由于经过细致的阀门流量特性辨识，机组高调门的顺序阀规律与其实际特性吻合较好，高调门流量特性曲线的线性度得到了很大的改善，如图9和图10所示，因此，这也就意味着极大地改善了机组的调节性能，如一次调频性能和AGC跟踪性能。

图9 原高调门综合流量特性曲线的线性度

图10 优化后的高调门综合流量特性曲线的线性度

    3 结论

    本文通过对两台600MW机组实施配汽优化，从软件优化的角度来降低高调门在重叠区域由于一次调频动作造成的高频摆动问题，改善机组的安全稳定运行性能。目前，国内参与调峰和一次调频的汽轮机组，不少在全程调频和顺序阀方式时都出现过高调门的大幅摆动，一些电厂基本都从硬件的角度来采取避免措施，很少从软件的角度来进行运行优化的，至于从高调门的整体流量特性的角度出发来进行配汽规律的优化从而解决一次调频引发的高调门摆动问题更是不多。配汽优化不仅可大大降低阀门摆动的幅度，提高汽轮机组的安全稳定性，还能在总体上保证一次调频的幅度和精度，满足电网要求。因此，希望此文能起到抛砖引玉的作用，以此共同研讨出更好措施，消除一次调频功能给机组带来的安全隐患。这对于600MW级别的各种类型机组，无论是亚临界还是超临界以及超超临界机组，在机组参与电网的调峰和调频任务而投运顺序阀运行方式时，都可以借鉴以上的优化策略。