一起機組負荷異常波動的分析與處理

張 強，孫 博，張 英，王 行，刁云鵬，于曉輝，陳國勇，張來星

(1.通化熱電有限責任公司，吉林 通化 134000；2.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴陽 550000；3. 國家能源集團吉林龍華白城熱電廠，吉林 白城 137000；4. 國網吉林省電力有限公司電力科學研究院，長春 130021；5. 國網吉林省電力有限公司，長春 130028)

負荷異常波動會影響機組的安全運行和電網的穩定性。某發電廠裝有2×210 MW超高壓燃煤供熱機組，汽輪機為哈爾濱汽輪機廠有限公司生產的GG160/N210-12.75/535/535型超高壓、一次再熱、單軸、雙缸雙排汽、雙抽式汽輪機。該廠2號機組于2019年6月進行了大修，大修后由于燃燒煤質多變，機組一直處于閥控方式運行。2020年6月10日，2號機組再次啟動并網，汽輪機并網后機組多次發生負荷突增及突降的現象，嚴重影響機組的安全穩定運行。

1 事件現象及原因分析

1.1 事件現象

自2020年6月10日2號機組汽機并網后，機組出現多次負荷波動，選取2020年6月19日負荷波動情況對事件進行分析，2號機組負荷突增及突降時，機組參數變化曲線見圖1，1、2、3為高壓調節閥GV2、GV3、GV4閥位輸出，4為主蒸汽流量，5為閥前壓力，6為GV3閥后壓力，7為GV2閥后壓力，8為機組負荷。

機組波動期間，處于單閥控制閥控方式運行。運行人員以2 MW/min的速率改變數字式電液控制系統(digital electro-hydraulic control system,DEH)機組綜合閥位指令進行升負荷操作，在緩慢升負荷的過程中，機組出現20 MW左右的升負荷階躍，隨即運行人員又以2 MW/min的速率進行減負荷操作，機組又出現了了20 MW左右的降負荷階躍。負荷突增及突降期間，綜合閥位指令及各閥門開度未見明顯變化，但4個高壓調節閥門的后壓力均發生了變化，機組所有功率測點正常，負荷最大降幅達21.3 MW。

圖1 2號機組負荷波動時相關參數變化趨勢

1.2 負荷波動原因排查

通過調取機組歷史曲線，從機組負荷突變過程中主要運行參數變化規律看，一方面每次負荷突變均包括兩個階段，分別為負荷突增和負荷突降，存在對應關系；另一方面，在突變過程中各高壓調節閥門閥位指令及反饋未發現明顯變化，但在負荷突增過程中主蒸汽壓力小幅度降低，調節級壓力明顯升高，而在隨后負荷突降過程中主蒸汽壓力小幅度升高，調節級壓力明顯降低，表明汽輪機進汽量實際發生了突變[1]。基于以上兩方面分析，初步判斷一個或多個調節閥門存在機械故障，可能為預啟閥行程過大或者傳動部件配合間隙不合理。

1.2.1 多個調節閥門同時出現故障

機組主蒸汽控制原理示意圖見圖2，圖中MSV為高壓主蒸汽閥。機組負荷波動的過程中，GV1至GV4調節閥門后的壓力均出現了不同程度的波動，如果4個高壓調節閥門同時出現問題，則最可能的原因為：DEH控制器與所有高壓調節門的伺服卡件之間的通訊發生了中斷故障；DEH控制站的主副控制器進行的切換；DEH控制器發生故障，控制器停止工作。

圖2 機組主蒸汽控制原理示意圖

經過現場對DEH的控制器運行情況進行檢查，并調取事件期間4個高壓調節閥的歷史曲線，發現機組運行期間各調節閥都存在著微小的波動，并不存在控制器掃描中斷、所有的信號未同時出現在短時間內無微小波動呈直線運行的狀態，由此可以排除DEH控制器及通訊等方面故障，排除4個高壓調節閥同時出現故障的可能性[2]。

1.2.2單個閥門出現故障

通過調取機組歷次負荷波動時機組負荷、主蒸氣流量、主汽壓力、各閥后壓力、綜合閥位指令、閥門位置反饋情況的歷史曲線，可以發現機組每次負荷波動時都存在共同的現象：每一次負荷突變均包括兩個過程，一次負荷的突增必然對應著一次負荷的突降，而且是有且只有一次對應，即一次負荷突增后若不出現負荷突降，便不會出現下一次的負荷突增；一次負荷突降后，若不出現負荷突增，便不會出現下一次的負荷突降。

20206月19日2號機組負荷突增及突降時各主要參數見表1。

表1 負荷突增及突降前后各主要參數統計

通過觀察每次負荷波動時調節閥門閥后壓力數據的變化可知：GV1、GV4在負荷波動時，閥后壓力變化幅度基本一致；GV2、GV3閥后壓力變化差別很大，其中GV2閥后壓力遠遠大于GV1、GV4,同時，GV3的壓力變化幅度介于GV2和GV1、GV4之間。

在機組負荷波動時，伴隨著自己升降負荷的運行操作，由于機組綜合閥位指令變化速率較小，負荷波動時，綜合閥位指令及各閥門開度未見明顯變化，但機組負荷卻發生了大幅度突變，由此可以推斷出是調節閥體機械結構部分出現了問題。通過分析負荷波動時GV1至GV4閥后壓力的變化幅度，基本可以判斷出故障的閥門為GV2，為此進行了單個閥門的線性試驗。

為了進一步明確事件原因，分別對GV1、GV2、GV3、GV4進行了閥門活動試驗，具體試驗方法為：首先將機組調整為單閥控制閥控方式運行，維持機前壓力穩定；然后分別對GV1、GV2、GV3、GV4以1%變化速度從當前閥位開至100%，再以相同變化速度關至當前開度，試驗過程分兩個階段進行。第一階段：主蒸汽流量在470 t/h以下時閥門活動試驗情況見圖3；第二階段：主蒸汽流量在470 t/h以上時閥門活動試驗情況見圖4，圖中1、2、3、4分別為GV1、GV2、GV3、GV4閥位輸出，5為主蒸汽流量，6為閥前壓力，7為GV3閥后壓力，8為GV2閥后壓力，9為機組負荷。

圖3 主蒸汽流量在470 t/h以下時各閥門活動試驗情況

圖4 主蒸汽流量在470 t/h以上時各閥門活動試驗情況

從試驗結果可以看出，主蒸汽流量在470 t/h以下時，只2號高壓調節閥活動過程中發生了負荷突增及突降各一次；而主蒸汽流量在470 t/h以上時，各高壓調節閥活動過程中均發生了負荷突變情況。每次負荷突變時GV2閥后壓力變化量明顯高于GV3閥后壓力變化量，由此可確認GV2存在機械故障。在主蒸汽流量較大時，任一高壓調節閥門的活動都會引起負荷波動。

經現場檢查及閥門活動試驗，分析認為GV2存在機械故障，使實際進汽量發生突變，可能為預啟閥行程過大或者傳動部件配合間隙不合理，在變負荷過程中主蝶閥浮動引起進汽量突變進而造成負荷波動，需要利用停機檢修機會對GV2解體檢查加以進一步驗證。

2 防負荷波動處理

由于機組不具備停機檢修的機會，不能夠將GV2進行解體檢修，從而不能夠從根源上解決負荷的波動。根據機組的運行方式和運行需求，給出兩種在線處理的措施。

a.機組目前的運行方式為單閥控制閥控方式，在單閥運行方式不變的前提下，由熱工人員對GV2進行強制關閉的操作，從而避免機組GV2參與負荷調節。

b.機組目前順序閥的運行閥序為GV1→GV2→GV3→GV4，建議將機組閥序修改為GV1→GV3→GV4→GV2，減少GV2的調節，從而避免負荷波動情況的發生。

3 結論

閥門故障引起機組負荷波動的事件在機組運行期間時有發生，伴隨著閥門脫落等故障，機組閥門流量特性曲線會發生偏移和變化，從而導致機組負荷的大幅波動。通過對負荷波動前后歷時相關數據的分析，最終確定故障閥門，同時通過對每一個閥門的拉閥試驗，驗證了對故障情況的確認。