600 MW亞臨界空冷機組汽輪機高調門擺動問題的分析及解決方案

呂雪霞，李照忠，邢 媛，鄭耀東，原志國

(1.通遼霍林河坑口發電有限責任公司，內蒙古 通遼028000;2.哈爾濱工業大學能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱15000)

0 引言

在實際中，電網的頻率是不斷波動的，如在末端電網，由于許多新能源發電單元(如風電機組)的并網運行，其頻差信號經常在±0.05 Hz左右(對應轉速差為±3 r/min)頻繁變化。而電力系統運行的主要任務之一是對頻率進行監視和控制，因此，發電機組的一次調頻功能對維持電網頻率的穩定至關重要。如文獻［1］和文獻［2］中指出，在電網頻率的波動事件中，一次調頻能力離設計值相差甚遠，很多裝備有快速數字電液調速器的機組沒有參與一次調頻。文獻［3］中，針對一次調頻引起EH油管振動問題，從硬件的角度提出了在每個高壓調門的進油管路增加了蓄能器，并對管束支撐進行了加固的處理措施，并取得了一定的效果。而文獻［4］中，針對某135 MW亞臨界機組為例，從DEH系統邏輯上分析了一次調頻功能在重疊度區容易引起閥門大幅晃動，甚至引起EH油管振動的原因;并且，提出在重疊度范圍略微減弱流量—閥位曲線斜率較大的閥門一次調頻能力，在總體上保證一次調頻的幅度和精度滿足電網要求，在國內首次從軟件優化的角度來消除一次調頻引起的閥門大幅晃動和EH油管振動;同時，還通過仿真試驗驗證了在CCS與DEH聯合調頻方式下，優化后可大大降低閥門晃動幅度，提高了汽輪機組的安全穩定性。由于，600 MW級別的機組目前在我國占有很大的比重，許多文獻中提及這個級別的機組在實際運行中會出現許多問題［5－10］，而且這些問題隨著機組運行參數的升高，問題的嚴重性以及出現的概率也相應地加大。如超臨界機組的問題就要比亞臨界的多一些，如國內大多數未進行系統高調門配汽優化工作的火電機組，都存在高調門配汽規律設計不佳的情況。當機組投入順序閥方式運行時，出現了一些由配汽規律設計不當而引發的問題，因此，600 MW級別機組的運行優化經驗是非常寶貴的［11－16］。

1 機組存在的問題分析及解決方案

1.1 優化前機組存在的問題

本廠的兩臺機組自投運以來，一直存在一些問題，其中最主要的一個問題就是高調門的擺動問題。當機組在順序閥方式下運行時，汽輪機的綜合閥位(85%左右)剛好處于高調門的第三個閥與第四閥重疊區域附近時，就會出現高調門的大幅擺動問題如圖1所示，高調門GV4最大擺動幅度為±10%左右。并且，調門的擺動還會直接導致主汽壓的擺動以及負荷的擺動，極大地影響了機組的安全穩定運行，如圖2、圖3所示，主汽壓擾動較小，基本在小于0.05 MPa的范圍內;但是對負荷的擾動較大，最大負荷擾動為±5 MW左右。因此，需要對機組采用一定的運行優化策略，解決閥門擺動這個首要問題。

圖1 機組高調門擺動趨勢圖

圖2 機組主汽壓擺動趨勢圖

圖3 機組負荷擺動趨勢圖

1.2 高調門的問題分析及解決方案

為了對機組存在的問題進行深入的分析研究，避免其余干擾因素，所以將機組切換至閥位控制方式下運行，此時，汽輪機的綜合閥位剛好處于高調門的第三個閥與第四閥重疊區域附近時，高調門的擺動問題也存在，并且擺動的幅度時大時小，因此，需要對機組的實際運行參數及DEH控制邏輯進行分析。通過分析DEH控制邏輯發現，機組雖然在閥位控制方式下，但是機組的閥位指令還是處于不斷變化中，因此，也就引起了高調門的擺動現象。最終，通過對引起閥位指令變化的回路的分析，發現是機組所處地域的網頻較差，機組的功頻調節回路處于工作狀態，一次調頻的動作，因此，閥位指令的不斷變化，最終引起高調門的擺動問題。并且，當綜合閥位剛好處于高調門的第三個閥與第四閥重疊區域附近時，第三個高調門的開度變化斜率較大，如圖4所示，因此，當閥位指令變化較小時，就會引起第三個高調門的大幅擺動，這實際上是由于高調門的配汽規律設計不當而引發的問題。

圖4 機組原高調門的進汽規律

機組高調門配汽規律設計不當，會引發機組的一系列安全性和經濟性以及調節性能問題。如順序閥規律的重疊度設置不當時，機組在高調門重疊區域的閥位附近運行時，不僅會產生較大節流損失使機組運行的經濟性下降，還可能引發高調門的大幅高頻擺動問題，還可能伴隨不同程度的負荷擺動問題，嚴重時甚至導致停機。此外，機組閥門流量特性的準確程度對汽輪機也具有極其重要的影響。而在現實當中，由于現場安裝等因素、汽輪機制造過程中存在差異以及機組的調門進行檢修或更換等各種因素，造成實際的閥門流量特性曲線與機組出廠時DEH中預置的閥門流量特性曲線存在不同程度的差異。這種差異較大時，可能會引起在機組變負荷和一次調頻時出現負荷突變和調節緩慢的問題，造成機組控制困難，影響機組的安全性和變負荷能力。因此，對機組進行高調門的配汽規律優化工作十分有必要的。

如圖4所示，機組高調門的原進汽規律存在一些不合理之處，尤其是在重疊區域附近，不僅#4高調門在85%的閥位時存在擺動的問題;當機組運行至62%左右閥位時，綜合閥位指令的小幅變化也會導致#1和#2高調門出現大幅擺動問題。通過對機組進行變工況計算以及實際的閥門流量特性的重新辨識，設計出了機組新的高調門進汽規律，如圖5所示。新設計的順序閥規律，不僅解決了在重疊區域先開啟的閥門的開啟過陡問題，還解決了原規律的線性度差的問題。并且，根據現場運行數據中的軸系穩定性問題，對開啟順序也做了一些優化調整。

圖5 優化后的機組高調門的進汽規律

2 實際運行效果驗證試驗

2.1 高調門擺動問題解決的試驗驗證

新設計的順序閥高調門進汽規律，在機組DEH中通過閥門管理函數的修改來實現，已投入到實際運行中，對新設計的規律進行實際運行效果的驗證工作，實驗過程如下圖6～圖8所示。

圖6 驗證試驗中的高調門趨勢圖

從圖6～圖8所示的實驗過程中可以看出，優化后當機組在順序閥方式下運行時，汽輪機的綜合閥位(85%左右)處于高調門的第三個閥與第四閥重疊區域附近時，不存在高調門的大幅擺動問題;如圖6所示，高調門GV4最大擺動幅度僅為±1%左右。并且，調門的擺動還會對主汽壓的擺動以及負荷的擺動的影響也較小，機組基本處于的安全穩定運行狀態;如圖7和圖8所示，對主汽壓基本無擾動了，而對負荷的擾動也較大，最大負荷擾動僅為±1 MW左右。因此，通過對機組的運行優化，達到了解決閥門擺動的問題。

圖7 驗證試驗中的主汽壓趨勢圖

圖8 驗證試驗中的機組負荷趨勢圖

2.2 高調門配汽優化的其他效果

同時，兩臺600 MW機組的現場試驗還發現，汽輪機上下缸體的膨脹偏差也比原來要小，這對改善機組的經濟性有很大的幫助。因為，上下缸溫差大不僅可能會直接導致汽缸漏汽，還可能引起汽缸變形，動靜碰磨，汽封磨損。由于汽缸變形，啟、動、靜碰磨等原因，很容易造成汽封磨損，汽輪機徑向間隙增大等一系列影響機組安全與經濟性的問題。此外，由于經過細致的閥門流量特性辨識，機組高調門的順序閥規律與其實際特性吻合較好，高調門流量特性曲線的線性度得到了很大的改善，如圖9和圖10所示，因此，這也就意味著極大地改善了機組的調節性能，如一次調頻性能和AGC跟蹤性能。

圖9 原高調門綜合流量特性曲線的線性度

圖10 優化后的高調門綜合流量特性曲線的線性度

3 結論

本文通過對兩臺600 MW機組實施配汽優化，從軟件優化的角度來降低高調門在重疊區域由于一次調頻動作造成的高頻擺動問題，改善機組的安全穩定運行性能。目前，國內參與調峰和一次調頻的汽輪機組，不少在全程調頻和順序閥方式時都出現過高調門的大幅擺動，一些電廠基本都從硬件的角度來采取避免措施，很少從軟件的角度來進行運行優化的，至于從高調門的整體流量特性的角度出發來進行配汽規律的優化從而解決一次調頻引發的高調門擺動問題更是不多。配汽優化不僅可大大降低閥門擺動的幅度，提高汽輪機組的安全穩定性，還能在總體上保證一次調頻的幅度和精度，滿足電網要求。因此，希望此文能起到拋磚引玉的作用，以此共同研討出更好措施，消除一次調頻功能給機組帶來的安全隱患。這對于600 MW級別的各種類型機組，無論是亞臨界還是超臨界以及超超臨界機組，在機組參與電網的調峰和調頻任務而投運順序閥運行方式時，都可以借鑒以上的優化策略。

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