汽輪機調(diào)速系統(tǒng)異常引發(fā)機組負荷波動的分析及處理

國電內(nèi)蒙古東勝熱電有限公司 趙 偉

1 汽輪機調(diào)速系統(tǒng)

1.1 汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的基本原理

汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的基本原理是控制汽輪機轉速和負荷的穩(wěn)定性，以滿足電力系統(tǒng)對汽輪機輸出功率和電壓的需求[1]。汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的主要任務是調(diào)節(jié)汽輪機轉速，實現(xiàn)負荷調(diào)節(jié)和穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)。

汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的基本控制原理是反饋控制。反饋控制是將系統(tǒng)輸出信號與參考信號進行比較，通過誤差信號的反饋控制作用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出。在汽輪機調(diào)速系統(tǒng)中，反饋控制是汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的核心控制原理[2]，通過傳感器、執(zhí)行機構和控制器等組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。

1.2 汽輪機DEH 控制系統(tǒng)的組成

DEH（Digital Electro-Hydraulic）控制系統(tǒng)是現(xiàn)代汽輪發(fā)電機控制系統(tǒng)的主流。主要通過數(shù)字化的方式實現(xiàn)汽輪機轉速、輸出功率、電壓和頻率等參數(shù)的控制。

DEH 控制系統(tǒng)的基本組成部分包括：

一是數(shù)字計算。作為控制系統(tǒng)的核心，負責采集和處理傳感器的信號，計算控制指令，并將指令傳遞給伺服放大器。二是伺服放大器。將數(shù)字計算機發(fā)出的控制信號轉換為電液伺服系統(tǒng)所需的電信號，并將信號傳遞給電液轉換器。三是電液轉換器。將伺服放大器輸出的電信號轉換為液壓信號，控制油動機的運行狀態(tài)。四是油動機。根據(jù)電液轉換器的控制信號，控制調(diào)節(jié)閥門的開度，調(diào)節(jié)汽輪機的輸出功率。五是LVDT 傳感器。測量汽輪機轉子的位移，將位移信號傳遞給數(shù)字計算機，用于控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

DEH 控制系統(tǒng)采用數(shù)字化的方式，具有控制精度高、響應速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。此外，由于采用數(shù)字計算機作為控制系統(tǒng)的核心，可實現(xiàn)自動控制和遠程監(jiān)控等功能，提高了汽輪發(fā)電機的運行效率和安全性。

1.3 汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的工作過程

1.3.1 信號采集

DEH 控制系統(tǒng)通過LVDT 傳感器等傳感器采集汽輪機轉子的位移、轉速、功率等參數(shù)的變化信號，并將這些信號轉換為數(shù)字信號。

1.3.2 數(shù)字信號處理

數(shù)字計算機作為控制系統(tǒng)的核心，負責采集和處理傳感器的信號，計算控制指令，并將指令傳遞給伺服放大器。在數(shù)字信號處理過程中，還需要進行濾波、放大、計算等處理，以確保控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

1.3.3 控制指令輸出

數(shù)字計算機計算出控制指令后，將指令傳遞給伺服放大器，伺服放大器將指令轉換為電信號，并將信號傳遞給電液轉換器。

1.3.4 液壓系統(tǒng)控制

電液轉換器將伺服放大器輸出的電信號轉換為液壓信號，控制油動機的運行狀態(tài)，進而控制調(diào)節(jié)閥門的開度，調(diào)節(jié)汽輪機的輸出功率。同時，液壓系統(tǒng)還可以通過控制油壓、油溫等參數(shù)來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

1.3.5 反饋控制

DEH 控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，將LVDT 傳感器等傳感器采集的汽輪機位移、轉速、功率等參數(shù)的變化信號反饋給數(shù)字計算機，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的實時調(diào)整和優(yōu)化，以達到更加精準的控制效果。

總的來說，DEH 控制系統(tǒng)通過數(shù)字化的方式實現(xiàn)對汽輪發(fā)電機的精準控制和全面監(jiān)控，具有控制精度高、響應速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是現(xiàn)代汽輪發(fā)電機控制系統(tǒng)的主流。

2 機組負荷波動的原因

汽輪機調(diào)速系統(tǒng)異常可能會引發(fā)機組負荷波動，其原因可以是多種多樣的。

油動機故障：油動機是汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的核心部件之一，其工作狀態(tài)的穩(wěn)定性直接影響汽輪機的輸出功率。如果油動機發(fā)生故障，例如導向軸承損壞、活塞桿磨損、密封件老化變形等，就會導致油動機滲漏油、輸出能力下降，從而引起機組負荷波動。

液壓系統(tǒng)故障：液壓系統(tǒng)是汽輪機調(diào)速系統(tǒng)中用于控制油動機運行的關鍵部件，如果液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，例如油泵失效、系統(tǒng)泄漏等，就會導致油動機無法正常運行，從而引起機組負荷波動。

傳感器故障：傳感器是汽輪機調(diào)速系統(tǒng)中用于測量各種物理量的裝置，例如轉速、溫度、壓力等。如果傳感器故障或者失靈，就會導致數(shù)字計算機接收到錯誤的輸入信號，從而誤判油動機的狀態(tài)，引起機組負荷波動。

控制系統(tǒng)故障：控制系統(tǒng)是汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的核心部件之一，其工作狀態(tài)的穩(wěn)定性也直接影響汽輪機的輸出功率。如果控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，例如數(shù)字計算機失效、伺服放大器燒毀等，就會導致汽輪機的控制指令無法正常傳遞，從而引起機組負荷波動。

總之，汽輪機調(diào)速系統(tǒng)異常引發(fā)機組負荷波動的原因是多種多樣的，需要針對具體故障進行分析和處理。在實際應用中，可以通過對各個部件的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和診斷，及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在的故障，從而保障汽輪機的穩(wěn)定運行和安全性。

3 機組負荷波動的處理方法

調(diào)速系統(tǒng)故障處理方法詳見表1。

表1 調(diào)速系統(tǒng)故障處理方法

3.1 調(diào)整汽輪機負荷特性曲線

汽輪機負荷特性曲線是汽輪機在不同負荷下的運行特性曲線，一般來說，汽輪機在額定負荷下運行時性能最優(yōu)，但在其他負荷下會出現(xiàn)一定的性能變化。因此，對汽輪機負荷特性曲線的調(diào)整可以減小機組負荷波動的影響[3]。

一是調(diào)整汽輪機調(diào)速器參數(shù)。汽輪機調(diào)速器可以通過調(diào)整其參數(shù)來改變汽輪機的負荷特性曲線。例如，可以通過調(diào)整調(diào)速器的比例、積分和微分增益來控制汽輪機的頻率響應和穩(wěn)態(tài)誤差。此外，還可以通過調(diào)整調(diào)速器的調(diào)速方式（如PID、模糊控制等）來改變汽輪機的響應特性和穩(wěn)態(tài)性能。

二是調(diào)整汽輪機控制參數(shù)。除了調(diào)整調(diào)速器參數(shù)外，還可以通過調(diào)整汽輪機控制參數(shù)來改變汽輪機的負荷特性曲線。例如，可以通過調(diào)整汽輪機蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度和位置來改變汽輪機的輸出功率和效率。此外，還可以通過調(diào)整汽輪機調(diào)速器和調(diào)節(jié)閥之間的傳遞函數(shù)來改變汽輪機的動態(tài)特性。

3.2 其他調(diào)整措施

除了負荷補償和負荷特性曲線的調(diào)整之外，還有其他一些調(diào)整措施可以減小機組負荷波動，如調(diào)整汽輪機的排氣溫度、調(diào)整發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、安裝電容器組、調(diào)整熱平衡以及優(yōu)化燃燒控制系統(tǒng)[4]。

4 案例分析

4.1 案例背景

調(diào)查對象為一臺330MW 汽輪發(fā)電機組，最近發(fā)生了機組負荷波動的異常情況。該機組采用DEH 控制系統(tǒng)，異常可能是由液壓系統(tǒng)故障引起的。調(diào)查人員需要對該異常進行分析，并給出處理建議。

4.2 數(shù)據(jù)采集與分析

調(diào)查人員首先對該機組進行了現(xiàn)場調(diào)查，并采集了相應數(shù)據(jù)：

一是調(diào)速器輸出電壓信號曲線圖，顯示調(diào)速器輸出電壓在波動，最大波動幅度為±5V。二是液壓轉換器輸出壓力信號曲線圖，顯示液壓轉換器輸出壓力在波動，最大波動幅度為±10bar。三是油動機及調(diào)速氣門閥位狀態(tài)圖，顯示油動機或調(diào)速氣門的閥位在波動，最大波動幅度為±10%開度。四是機組負荷信號曲線圖，顯示機組負荷在波動，最大波動幅度為±5MW。

經(jīng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在機組負荷波動問題方面，調(diào)速器的參數(shù)設置對于機組負荷的穩(wěn)定性起著至關重要的作用[5]，同時，調(diào)查人員發(fā)現(xiàn)：調(diào)速器輸出電壓信號波動幅度較小，不是導致機組負荷波動的主要原因；液壓轉換器輸出壓力信號波動幅度較大，可能是導致機組負荷波動的主要原因；油動機開關信號波動幅度較大，可能是由液壓轉換器輸出壓力波動引起的；機組負荷信號波動幅度較小，可能是由油動機閥位波動引起的。

4.3 處理建議

一是檢查液壓轉換器是否存在故障，如存在故障需要及時更換；二是檢查油動機是否存在故障，如存在故障需要進行修理或更換；三是對液壓系統(tǒng)進行檢修和維護，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。四是在對液壓系統(tǒng)進行檢查后，發(fā)現(xiàn)油動機的操縱座卡澀，導致液壓系統(tǒng)無法正常工作。經(jīng)過維修后，操縱座卡澀的問題得到解決。

此外，還對系統(tǒng)進行了其他方面的調(diào)整和優(yōu)化，包括調(diào)整油動機和調(diào)節(jié)閥的工作參數(shù)、更換損壞的傳感器和執(zhí)行機構、進行控制系統(tǒng)的重新校準等。經(jīng)過多次測試和運行，機組負荷波動的問題得到了徹底解決。處理措施及效果的詳細情況詳見表2。

表2 處理措施及效果的詳細情況

對于汽輪機調(diào)速系統(tǒng)異常引發(fā)機組負荷波動的問題，需要進行全面細致的故障排除和系統(tǒng)優(yōu)化，針對不同的故障原因采取相應的處理措施，并進行有效的測試和運行驗證，才能確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

5 結語

機組負荷波動的原因可能是多方面的，調(diào)速系統(tǒng)故障是主要原因之一，同時還可能受到其他因素的影響。

對于機組負荷波動問題，可以采取多種措施來處理。常見的處理方法包括負荷補償措施、調(diào)整汽輪機負荷特性曲線等，這些措施能夠有效地控制機組負荷波動，提高機組的穩(wěn)定性和運行效率。

在實際的工程應用中，可以通過對機組調(diào)速系統(tǒng)進行改進和優(yōu)化，提高機組動態(tài)特性，進一步提高機組負荷的控制效果。