汽轮机调速系统异常引发机组负荷波动的分析及处理

国电内蒙古东胜热电有限公司 赵 伟

1 汽轮机调速系统

1.1 汽轮机调速系统的基本原理

汽轮机调速系统的基本原理是控制汽轮机转速和负荷的稳定性，以满足电力系统对汽轮机输出功率和电压的需求[1]。汽轮机调速系统的主要任务是调节汽轮机转速，实现负荷调节和稳态调节。

汽轮机调速系统的基本控制原理是反馈控制。反馈控制是将系统输出信号与参考信号进行比较，通过误差信号的反馈控制作用来调节系统输出。在汽轮机调速系统中，反馈控制是汽轮机调速系统的核心控制原理[2]，通过传感器、执行机构和控制器等组成的闭环控制系统来实现。

1.2 汽轮机DEH 控制系统的组成

DEH（Digital Electro-Hydraulic）控制系统是现代汽轮发电机控制系统的主流。主要通过数字化的方式实现汽轮机转速、输出功率、电压和频率等参数的控制。

DEH 控制系统的基本组成部分包括：

一是数字计算。作为控制系统的核心，负责采集和处理传感器的信号，计算控制指令，并将指令传递给伺服放大器。二是伺服放大器。将数字计算机发出的控制信号转换为电液伺服系统所需的电信号，并将信号传递给电液转换器。三是电液转换器。将伺服放大器输出的电信号转换为液压信号，控制油动机的运行状态。四是油动机。根据电液转换器的控制信号，控制调节阀门的开度，调节汽轮机的输出功率。五是LVDT 传感器。测量汽轮机转子的位移，将位移信号传递给数字计算机，用于控制系统的闭环控制。

DEH 控制系统采用数字化的方式，具有控制精度高、响应速度快、稳定性好等优点。此外，由于采用数字计算机作为控制系统的核心，可实现自动控制和远程监控等功能，提高了汽轮发电机的运行效率和安全性。

1.3 汽轮机调速系统的工作过程

1.3.1 信号采集

DEH 控制系统通过LVDT 传感器等传感器采集汽轮机转子的位移、转速、功率等参数的变化信号，并将这些信号转换为数字信号。

1.3.2 数字信号处理

数字计算机作为控制系统的核心，负责采集和处理传感器的信号，计算控制指令，并将指令传递给伺服放大器。在数字信号处理过程中，还需要进行滤波、放大、计算等处理，以确保控制系统的稳定性和精度。

1.3.3 控制指令输出

数字计算机计算出控制指令后，将指令传递给伺服放大器，伺服放大器将指令转换为电信号，并将信号传递给电液转换器。

1.3.4 液压系统控制

电液转换器将伺服放大器输出的电信号转换为液压信号，控制油动机的运行状态，进而控制调节阀门的开度，调节汽轮机的输出功率。同时，液压系统还可以通过控制油压、油温等参数来确保系统的稳定性和安全性。

1.3.5 反馈控制

DEH 控制系统采用闭环控制，将LVDT 传感器等传感器采集的汽轮机位移、转速、功率等参数的变化信号反馈给数字计算机，实现对控制系统的实时调整和优化，以达到更加精准的控制效果。

总的来说，DEH 控制系统通过数字化的方式实现对汽轮发电机的精准控制和全面监控，具有控制精度高、响应速度快、稳定性好等优点，是现代汽轮发电机控制系统的主流。

2 机组负荷波动的原因

汽轮机调速系统异常可能会引发机组负荷波动，其原因可以是多种多样的。

油动机故障：油动机是汽轮机调速系统的核心部件之一，其工作状态的稳定性直接影响汽轮机的输出功率。如果油动机发生故障，例如导向轴承损坏、活塞杆磨损、密封件老化变形等，就会导致油动机渗漏油、输出能力下降，从而引起机组负荷波动。

液压系统故障：液压系统是汽轮机调速系统中用于控制油动机运行的关键部件，如果液压系统出现故障，例如油泵失效、系统泄漏等，就会导致油动机无法正常运行，从而引起机组负荷波动。

传感器故障：传感器是汽轮机调速系统中用于测量各种物理量的装置，例如转速、温度、压力等。如果传感器故障或者失灵，就会导致数字计算机接收到错误的输入信号，从而误判油动机的状态，引起机组负荷波动。

控制系统故障：控制系统是汽轮机调速系统的核心部件之一，其工作状态的稳定性也直接影响汽轮机的输出功率。如果控制系统出现故障，例如数字计算机失效、伺服放大器烧毁等，就会导致汽轮机的控制指令无法正常传递，从而引起机组负荷波动。

总之，汽轮机调速系统异常引发机组负荷波动的原因是多种多样的，需要针对具体故障进行分析和处理。在实际应用中，可以通过对各个部件的运行状态进行监测和诊断，及时发现和解决潜在的故障，从而保障汽轮机的稳定运行和安全性。

3 机组负荷波动的处理方法

调速系统故障处理方法详见表1。

表1 调速系统故障处理方法

3.1 调整汽轮机负荷特性曲线

汽轮机负荷特性曲线是汽轮机在不同负荷下的运行特性曲线，一般来说，汽轮机在额定负荷下运行时性能最优，但在其他负荷下会出现一定的性能变化。因此，对汽轮机负荷特性曲线的调整可以减小机组负荷波动的影响[3]。

一是调整汽轮机调速器参数。汽轮机调速器可以通过调整其参数来改变汽轮机的负荷特性曲线。例如，可以通过调整调速器的比例、积分和微分增益来控制汽轮机的频率响应和稳态误差。此外，还可以通过调整调速器的调速方式（如PID、模糊控制等）来改变汽轮机的响应特性和稳态性能。

二是调整汽轮机控制参数。除了调整调速器参数外，还可以通过调整汽轮机控制参数来改变汽轮机的负荷特性曲线。例如，可以通过调整汽轮机蒸汽调节阀的开度和位置来改变汽轮机的输出功率和效率。此外，还可以通过调整汽轮机调速器和调节阀之间的传递函数来改变汽轮机的动态特性。

3.2 其他调整措施

除了负荷补偿和负荷特性曲线的调整之外，还有其他一些调整措施可以减小机组负荷波动，如调整汽轮机的排气温度、调整发电机励磁系统、安装电容器组、调整热平衡以及优化燃烧控制系统[4]。

4 案例分析

4.1 案例背景

调查对象为一台330MW 汽轮发电机组，最近发生了机组负荷波动的异常情况。该机组采用DEH 控制系统，异常可能是由液压系统故障引起的。调查人员需要对该异常进行分析，并给出处理建议。

4.2 数据采集与分析

调查人员首先对该机组进行了现场调查，并采集了相应数据：

一是调速器输出电压信号曲线图，显示调速器输出电压在波动，最大波动幅度为±5V。二是液压转换器输出压力信号曲线图，显示液压转换器输出压力在波动，最大波动幅度为±10bar。三是油动机及调速气门阀位状态图，显示油动机或调速气门的阀位在波动，最大波动幅度为±10%开度。四是机组负荷信号曲线图，显示机组负荷在波动，最大波动幅度为±5MW。

经数据分析发现，在机组负荷波动问题方面，调速器的参数设置对于机组负荷的稳定性起着至关重要的作用[5]，同时，调查人员发现：调速器输出电压信号波动幅度较小，不是导致机组负荷波动的主要原因；液压转换器输出压力信号波动幅度较大，可能是导致机组负荷波动的主要原因；油动机开关信号波动幅度较大，可能是由液压转换器输出压力波动引起的；机组负荷信号波动幅度较小，可能是由油动机阀位波动引起的。

4.3 处理建议

一是检查液压转换器是否存在故障，如存在故障需要及时更换；二是检查油动机是否存在故障，如存在故障需要进行修理或更换；三是对液压系统进行检修和维护，确保系统稳定运行。四是在对液压系统进行检查后，发现油动机的操纵座卡涩，导致液压系统无法正常工作。经过维修后，操纵座卡涩的问题得到解决。

此外，还对系统进行了其他方面的调整和优化，包括调整油动机和调节阀的工作参数、更换损坏的传感器和执行机构、进行控制系统的重新校准等。经过多次测试和运行，机组负荷波动的问题得到了彻底解决。处理措施及效果的详细情况详见表2。

表2 处理措施及效果的详细情况

对于汽轮机调速系统异常引发机组负荷波动的问题，需要进行全面细致的故障排除和系统优化，针对不同的故障原因采取相应的处理措施，并进行有效的测试和运行验证，才能确保系统的稳定性和可靠性。

5 结语

机组负荷波动的原因可能是多方面的，调速系统故障是主要原因之一，同时还可能受到其他因素的影响。

对于机组负荷波动问题，可以采取多种措施来处理。常见的处理方法包括负荷补偿措施、调整汽轮机负荷特性曲线等，这些措施能够有效地控制机组负荷波动，提高机组的稳定性和运行效率。

在实际的工程应用中，可以通过对机组调速系统进行改进和优化，提高机组动态特性，进一步提高机组负荷的控制效果。