一起机组负荷异常波动的分析与处理

张 强，孙 博，张 英，王 行，刁云鹏，于晓辉，陈国勇，张来星

(1.通化热电有限责任公司，吉林 通化 134000；2.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵阳 550000；3. 国家能源集团吉林龙华白城热电厂，吉林 白城 137000；4. 国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021；5. 国网吉林省电力有限公司，长春 130028)

负荷异常波动会影响机组的安全运行和电网的稳定性。某发电厂装有2×210 MW超高压燃煤供热机组，汽轮机为哈尔滨汽轮机厂有限公司生产的GG160/N210-12.75/535/535型超高压、一次再热、单轴、双缸双排汽、双抽式汽轮机。该厂2号机组于2019年6月进行了大修，大修后由于燃烧煤质多变，机组一直处于阀控方式运行。2020年6月10日，2号机组再次启动并网，汽轮机并网后机组多次发生负荷突增及突降的现象，严重影响机组的安全稳定运行。

1 事件现象及原因分析

1.1 事件现象

自2020年6月10日2号机组汽机并网后，机组出现多次负荷波动，选取2020年6月19日负荷波动情况对事件进行分析，2号机组负荷突增及突降时，机组参数变化曲线见图1，1、2、3为高压调节阀GV2、GV3、GV4阀位输出，4为主蒸汽流量，5为阀前压力，6为GV3阀后压力，7为GV2阀后压力，8为机组负荷。

机组波动期间，处于单阀控制阀控方式运行。运行人员以2 MW/min的速率改变数字式电液控制系统(digital electro-hydraulic control system,DEH)机组综合阀位指令进行升负荷操作，在缓慢升负荷的过程中，机组出现20 MW左右的升负荷阶跃，随即运行人员又以2 MW/min的速率进行减负荷操作，机组又出现了了20 MW左右的降负荷阶跃。负荷突增及突降期间，综合阀位指令及各阀门开度未见明显变化，但4个高压调节阀门的后压力均发生了变化，机组所有功率测点正常，负荷最大降幅达21.3 MW。

图1 2号机组负荷波动时相关参数变化趋势

1.2 负荷波动原因排查

通过调取机组历史曲线，从机组负荷突变过程中主要运行参数变化规律看，一方面每次负荷突变均包括两个阶段，分别为负荷突增和负荷突降，存在对应关系；另一方面，在突变过程中各高压调节阀门阀位指令及反馈未发现明显变化，但在负荷突增过程中主蒸汽压力小幅度降低，调节级压力明显升高，而在随后负荷突降过程中主蒸汽压力小幅度升高，调节级压力明显降低，表明汽轮机进汽量实际发生了突变[1]。基于以上两方面分析，初步判断一个或多个调节阀门存在机械故障，可能为预启阀行程过大或者传动部件配合间隙不合理。

1.2.1 多个调节阀门同时出现故障

机组主蒸汽控制原理示意图见图2，图中MSV为高压主蒸汽阀。机组负荷波动的过程中，GV1至GV4调节阀门后的压力均出现了不同程度的波动，如果4个高压调节阀门同时出现问题，则最可能的原因为：DEH控制器与所有高压调节门的伺服卡件之间的通讯发生了中断故障；DEH控制站的主副控制器进行的切换；DEH控制器发生故障，控制器停止工作。

图2 机组主蒸汽控制原理示意图

经过现场对DEH的控制器运行情况进行检查，并调取事件期间4个高压调节阀的历史曲线，发现机组运行期间各调节阀都存在着微小的波动，并不存在控制器扫描中断、所有的信号未同时出现在短时间内无微小波动呈直线运行的状态，由此可以排除DEH控制器及通讯等方面故障，排除4个高压调节阀同时出现故障的可能性[2]。

1.2.2单个阀门出现故障

通过调取机组历次负荷波动时机组负荷、主蒸气流量、主汽压力、各阀后压力、综合阀位指令、阀门位置反馈情况的历史曲线，可以发现机组每次负荷波动时都存在共同的现象：每一次负荷突变均包括两个过程，一次负荷的突增必然对应着一次负荷的突降，而且是有且只有一次对应，即一次负荷突增后若不出现负荷突降，便不会出现下一次的负荷突增；一次负荷突降后，若不出现负荷突增，便不会出现下一次的负荷突降。

20206月19日2号机组负荷突增及突降时各主要参数见表1。

表1 负荷突增及突降前后各主要参数统计

通过观察每次负荷波动时调节阀门阀后压力数据的变化可知：GV1、GV4在负荷波动时，阀后压力变化幅度基本一致；GV2、GV3阀后压力变化差别很大，其中GV2阀后压力远远大于GV1、GV4,同时，GV3的压力变化幅度介于GV2和GV1、GV4之间。

在机组负荷波动时，伴随着自己升降负荷的运行操作，由于机组综合阀位指令变化速率较小，负荷波动时，综合阀位指令及各阀门开度未见明显变化，但机组负荷却发生了大幅度突变，由此可以推断出是调节阀体机械结构部分出现了问题。通过分析负荷波动时GV1至GV4阀后压力的变化幅度，基本可以判断出故障的阀门为GV2，为此进行了单个阀门的线性试验。

为了进一步明确事件原因，分别对GV1、GV2、GV3、GV4进行了阀门活动试验，具体试验方法为：首先将机组调整为单阀控制阀控方式运行，维持机前压力稳定；然后分别对GV1、GV2、GV3、GV4以1%变化速度从当前阀位开至100%，再以相同变化速度关至当前开度，试验过程分两个阶段进行。第一阶段：主蒸汽流量在470 t/h以下时阀门活动试验情况见图3；第二阶段：主蒸汽流量在470 t/h以上时阀门活动试验情况见图4，图中1、2、3、4分别为GV1、GV2、GV3、GV4阀位输出，5为主蒸汽流量，6为阀前压力，7为GV3阀后压力，8为GV2阀后压力，9为机组负荷。

图3 主蒸汽流量在470 t/h以下时各阀门活动试验情况

图4 主蒸汽流量在470 t/h以上时各阀门活动试验情况

从试验结果可以看出，主蒸汽流量在470 t/h以下时，只2号高压调节阀活动过程中发生了负荷突增及突降各一次；而主蒸汽流量在470 t/h以上时，各高压调节阀活动过程中均发生了负荷突变情况。每次负荷突变时GV2阀后压力变化量明显高于GV3阀后压力变化量，由此可确认GV2存在机械故障。在主蒸汽流量较大时，任一高压调节阀门的活动都会引起负荷波动。

经现场检查及阀门活动试验，分析认为GV2存在机械故障，使实际进汽量发生突变，可能为预启阀行程过大或者传动部件配合间隙不合理，在变负荷过程中主蝶阀浮动引起进汽量突变进而造成负荷波动，需要利用停机检修机会对GV2解体检查加以进一步验证。

2 防负荷波动处理

由于机组不具备停机检修的机会，不能够将GV2进行解体检修，从而不能够从根源上解决负荷的波动。根据机组的运行方式和运行需求，给出两种在线处理的措施。

a.机组目前的运行方式为单阀控制阀控方式，在单阀运行方式不变的前提下，由热工人员对GV2进行强制关闭的操作，从而避免机组GV2参与负荷调节。

b.机组目前顺序阀的运行阀序为GV1→GV2→GV3→GV4，建议将机组阀序修改为GV1→GV3→GV4→GV2，减少GV2的调节，从而避免负荷波动情况的发生。

3 结论

阀门故障引起机组负荷波动的事件在机组运行期间时有发生，伴随着阀门脱落等故障，机组阀门流量特性曲线会发生偏移和变化，从而导致机组负荷的大幅波动。通过对负荷波动前后历时相关数据的分析，最终确定故障阀门，同时通过对每一个阀门的拉阀试验，验证了对故障情况的确认。