汽轮机高压调节汽门摆动分析及控制策略优化

徐仁博，徐世明，王晓波，刘 娟，刘志江

(1.华能大连电厂，辽宁 大连 116011；2.华能营口热电有限责任公司，辽宁 营口 115003；3.中国市政工程东北设计研究总院有限公司,吉林 长春 130012；4.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

DEH调节品质好坏直接影响到电厂汽轮机安全、稳定、经济运行，对供电品质和电网的可靠、高效运行也有重要作用。汽轮机高压调节汽门(高压调门)作为DEH配汽执行机构的主要设备，其能否正常动作直接决定DEH调节品质。汽轮机高压调门摆动问题是很多电厂汽轮机的通病，其有效防控和解决对电厂的安全工作具有实际意义[1-3]。

1 机组概况

华能营口热电有限责任公司(简称营口热电)1号、2号机组分别于2009年12月3日、2009年12月13日投产发电，2台机组为330 MW抽凝机组，汽轮机为哈尔滨汽轮机有限责任公司制造的C260/N330-16.7/538/538型亚临界参数、一次中间再热、单轴、两缸、两排汽、双抽供热式机组。该汽轮机的高压进汽部分由2个高压主汽门和4个高压调门组成，2个高压主汽门编号为TV1、TV2，4个高压调门编号为CV1、CV2、CV3、CV4。阀门设有单阀和顺序阀2种运行方式，由于顺序阀与单阀相比具有较小的节流损失，可显著提高汽轮机实际循环热效率，进而降低发电煤耗，因此营口热电常规采用顺序阀运行方式。2台机组的DCS控制系统采用和利时MACSV系统，正常运行时投入AGC方式，DEH系统通过硬线信号接受DCS汽轮机主控制器给出的设定值，将其转换成每个高压调门对应的开度指令，来控制汽轮机进汽量。

2 存在问题

2台机组自投产以来，汽轮机所有高压调门控制基本平稳。随着机组运行时间延长，现在1号、2号汽轮机组的3号高压调门(CV3)在较高负荷运行时摆动较大，经过检查曲线发现CV3大幅度摆动情况频繁发生在270 MW负荷以上且DEH总阀位指令达到87%～93%的工况下，CV3出现了大幅度的摆动现象，当DEH的阀门总指令在顺序阀相邻2个阀门的交叉点上小范围波动时，这种摆动会持续发生，造成机组负荷、主汽压力、门体和EH油压同步波动，某负荷下CV3摆动相关参数曲线如图1所示。

图1 300 MW负荷各个阀门摆动曲线图

3 原因分析

3.1 原阀函数特性曲线不合理

由图2可知，顺序阀阀门管理中，CV1、CV2阀同时开启，根据DEH阀门特性曲线函数关系，当阀位总指令达到81.6%时，CV1、CV2阀指令全开，当阀位总指令在87.7%～93.6%变化时，CV1、CV2阀在100%位置保持不变。由图2可知，CV3阀在CV1、CV2阀开启后打开，当阀位总指令在87.7%～93.6%变化时，CV3阀开度在21%～100%之间变化，造成阀门总指令有较小变化时，CV3阀动作幅度也会很大；CV4阀在CV3阀开启后打开，根据阀函数特性曲线关系，当阀位总指令在87.7%时CV4指令全开，当阀位总指令在87.7%～93.6%变化时，CV4阀开度在0%～10%有小幅度变化。

图2 原顺序阀函数特性曲线

部分开启调节汽门的流量方程为[4]

(1)

式中：G为部分开启调节汽门蒸汽通过的流量，kg/s；β为部分开启调节汽门流量比系数；A为部分开启调节汽门已经开启的面积，m2；p0为调节汽门前蒸汽压力，Pa；v0为调节汽门前蒸汽比体积，m3/kg。

部分开启调节汽门在某一开度下的流量比系数方程为

(2)

式中:εn为部分开启的调节汽门前后压力之比。

在此说明，当部分开启的调节汽门前后压力比满足εn>εcr时，蒸汽通过调节汽门为亚临界流动，β为式(2)计算所得；当部分开启的调节汽门前后压力比满足εn<εcr时，蒸汽通过调节汽门为临界或超临界流动，β=1。

由式(1)可以看出调节汽门的流量主要受β、Α、p03个参数影响，当p0一定时，G主要受β、A控制。由于总阀位指令在后半程87%～93%范围，由式(2)计算β值越来越小，欲达到需要的蒸汽量必须开大阀CV3、CV4，即通过增大调节汽门开启面积A来增加蒸汽流量。图2表明总阀位指令在87%～93%范围，CV4开度在0%～10%大范围内变化，而CV3开度在20%～100%大范围内变化，CV3开度大范围变化相当于增大了控制系统的比例增益，导致稳定裕度下降，当扰动增大和自身调节系统结构参数变化时，将引起DEH系统不稳定，进而造成CV3摆动。

3.2 DEH控制系统阀门动态响应特性不佳

DEH控制系统中各阀门控制回路的控制性能直接影响系统的稳定性。当“PID”电位器参数设定不恰当，对DEH控制系统所有阀门发出控制指令时，若CV3阀门控制回路动态响应不佳，存在超调现象，将会造成CV3严重摆动。

3.3 扰动增大

机组运行初期，机组调频功能较弱，供热负荷小并且调整范围不大，主汽压力的控制品质也比较好，因此DEH系统在AGC负荷指令稳定时所形成的阀门总指令很稳定，分配到每个阀门的开度指令在负荷相同的情况下几乎没有变化，机组经常运行的几个负荷点很少落在顺序阀控制中2个相邻阀门的交叉点上。

当机组一、二次调频以及电网AGC指令的调频功能加强后，机组的电负荷指令不再是一个稳定值，DEH接收到的设定点也不再保持稳定，而是经常在小范围内波动。随着热负荷调整峰谷差范围增大，单位质量蒸汽做功能力减小，由式(1)可知调节汽门将需要更大的开度来满足流量要求，使得同样电负荷情况下对应的阀门总开度经常发生变化。由于DEH系统汽轮机的高压调门有4个，顺序阀方式时高负荷下CV1和CV2一直开满，其它2个阀门CV3、CV4按照阀函数特性曲线关系参与调节，2个阀门间存在交叉重叠(即重叠度)，如果阀门重叠度选择不好，将使交叉点阀门摆动的概率增大。

总之，高压调节汽门严重摆动问题从控制原理的角度属于系统稳定性问题，由于DEH系统的某环节参数不合理、调节惯性、超调的增大、阀门自身的流量特性改变等原因，影响了整个DEH系统的稳定性。加之原来的阀函数特性曲线局部过陡，即比例系数较大，稳定裕量较小，抗扰能力相对较弱。当外界供暖的抽汽量逐年增大，实时调节峰谷差增大，一次调频更为频繁时，最终导致高压调节汽门CV3在某阀位指令范围内严重摆动。

4 解决方案及效果

4.1 阀门控制回路动态响应特性调整

针对DEH控制系统的阀门控制回路动态响应特性调试，主要利用机组停机，对DEH控制系统所有阀门进行“静态响应特性”试验。通过阀门“静态响应特性”试验发现，CV3阀在静态响应特性初期有超调现象，经过反复调整控制回路的调解参数，最终超调现象消除。

4.2 逻辑控制策略优化

逻辑控制策略优化主要通过修改DEH系统阀门管理中的CV3、CV4阀函数特性曲线和一次调频控制逻辑改进优化两方面实施的。

针对CV3、CV4高调门的阀门特性函数曲线进行优化，尽量减小局部过大的阀门开度比例增益。修改的CV3、CV4阀函数特性曲线的指令逻辑如表1、表2所示，顺序阀函数特性曲线修改前后对比如图3所示。

表1 修改前后3号阀位指令 %

表2 修改前后4号阀位指令 %

图3 顺序阀函数特性曲线修改前后对比

针对一次调频扰动的情况，由图3可知，考虑到高负荷下CV3、CV4阀门开度变化较大，进而导致出现阀门持续摆动问题。在DEH控制系统的一次调频逻辑中加入负荷与总阀位指令的限制功能，降低高负荷、高压力下的一次调频系数，进一步解决了负荷较高时主汽压力升高，一次调频过调而造

成的阀门摆动问题。此逻辑可改变高负荷下的调频系数，从而改变高压调门参与调频的动作幅度，进而减轻CV3阀摆动情况。

4.3 解决效果

按前文所述解决CV3摆动问题的方法，通过合理的实施方案，CV3、CV4阀函数特性曲线及一次调频控制逻辑进行修正后静态测试正常，带负荷逻辑测试，各调门在不同的负荷状态下调节平稳。

5 结束语

通过介绍营口热电2台机组运行在270 MW以上且DEH总阀位指令达到87%～93%的工况下，CV3出现了20%～100%大幅度摆动的故障，并进行原因分析。在解决方法上不单从修改阀函数特性曲线着手，而从控制系统整体分析影响系统稳定性，提出对2台330 MW供热机组的阀门控制回路动态响应特性调整、阀函数特性曲线的优化及一次调频控制逻辑修改的组合方法。利用本文提出的方法，解决了CV3阀严重摆动问题。

参考文献：

[1] 吕雪霞，李照忠，邢 媛．600 MW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[J]．节能技术，2012，30(3)：258-261．

[2] 侯剑雄，黄碧亮．600 MW超临界汽轮机滑压优化研究与实施[J]．东北电力技术，2016，37(1)：52-55.

[3] 苏 伟．高压调门静态特性曲线偏离理论曲线的原因[J]．东北电力技术，2001，22(12)：32-35．

[4] 李 勇，曹丽华，刘 莎．汽轮机调节汽门数学模型的建立方法研究[J]．汽轮机技术，2008，50(4)：241-243.