汽輪機調節系統擺動問題診斷與處理

摘要：汽輪機調速系統的擺動是指汽輪機調節汽閥、油動機等設備周期性動作，同時伴隨著功率、轉速的擺動，調速系統對設備壽命產生不利影響，當調速系統擺動劇烈時，甚至會引起電網低頻振蕩。大量案例表明，已有多次電網低頻振蕩事故是由汽輪機調速系統擺動引起的。而隨著電網特高壓工程的建設以及新能源發電機組的大規模并網，電網穩定性有所下降，火電機組一次調頻愈發頻繁，考核愈來愈嚴格，出現調速系統擺動的次數也越來越多。關鍵詞：汽輪機；擺動本文通過對某機組在啟、停機帶低負荷階段，中調門參與調節時引起的調速系統擺動案例的分析，并采取了相應措施，解決了該機組調速系統擺動問題，為將來出現的類似案例的解決提供參考。1案例介紹某機組自2019年大修以來，在啟、停機帶低負荷階段，多次出現調速系統擺動，功率、調門及轉速同步波動，機組處于單閥運行方式，一次調頻功能投入，PSS功能退出，CCS和DEH側功率閉環處于解除狀態，基本方式運行。圖1是其中一次擺動曲線，擺動時一次調頻動作信號發出，有功谷值為117MW，峰值為207MW，最大振幅90MW，波動頻率0.15Hz;調頻轉速在2994r/min～3002r/min波動，最大調頻頻差4r/min;綜合閥位在32%～36%左右波動，高調門在16%～17%波動，中調門反饋14%～30%波動，持續時間30s(見圖2)。類似現象多次發生。圖1調速系統擺動曲線1

圖2調速系統擺動曲線2

2原因分析及處理導致調速系統擺動的主要原因有:(1)一次調頻回路參數設置過強，如人為地降低速度不等率、增大前饋系數等;(2)協調控制系統(CCS)側或數字電液控制系統(DEH)側功率閉環控制參數設置不當，如PI比例作用過強等;(3)EH油系統或調節汽閥故障等;(4)閥門管理函數與實際流量特性不匹配，使得綜合閥位指令變化所對應的流量變化偏差過大等;(5)發電機勵磁系統參數設置不當等。且以上原因常常相互疊加，最終導致機組在一次調頻動作、負荷調整或配汽方式切換時出現調速系統擺動或功率振蕩問題，汽輪機調速系統擺動甚至會引發電力系統的低頻振蕩問題。2.1油系統、功率閉環及勵磁系統機組出現調速系統擺動時，CCS及DEH的功率閉環控制已解除，可排除由于功率閉環PI參數不合理導致的問題。2.2一次調頻設置檢查該機組一次調頻參數設置，其調頻死區為2998～3002r/min，符合設計要求;設計轉速不等率為4%，符合設計要求;一次調頻功能在20%綜合閥位以下退出，20%～30%綜合閥位時，閥位因子小于1，大于30%綜合閥位時，閥位因子為1。由于該機組調速系統擺動均發生在機組帶低負荷階段，此時中調門參與負荷調節。該機組高、中調門管理函數如圖3。一般情況下，機組運行期間，中調門處于全開狀態，一次調頻功能只需考慮高調門單獨調節的情況，由于再熱器具有比較大的熱慣性，一次調頻動作的前期，僅高壓缸參與做功，功率響應速度和幅值不夠，所以一次調頻參數設置或優化時，多針對只有高調門參調的情況，但當中調門參與調節后，由于沒有了再熱器的慣性，負荷響應的速度和幅值會大幅增加。圖3該機組高、中調門管理函數

為了驗證上述分析，建立模型如圖4，模型中不考慮由于再熱器慣性、中調門參調引起的再熱壓力變化對功率的影響，不考慮CCS側一次調頻的功率閉環作用，只分析DEH側開環調節功率的部分。圖4調速系統仿真模型圖4中w為實際轉速;Kδ為轉速不等率的倒數;Tydj為油動機時間常數;β代表高調門管理函數線性因子;K代表中壓缸是否參與調節，K=1代表參與，K=0代表不參與;Tch為高壓缸時間常數;TR為再熱器時間常數;FG高壓缸做功比例，FIL為中低壓缸做功比例;Pm為輸出功率。取δ=4%，w=2995，Tydj=0.1s，β=1，K分別取0和1，Tch=0.3，TR=8，FG=0.3，FIL=0.7，進行仿真，得到仿真曲線如圖5所示。圖5高調門單獨調節與中調門參調的調頻能力對比

從圖5曲線可以看出，中調門參與調節后，由于沒有再熱器巨大的慣性，一次調頻動作后2s內即可達到2MW，而此時高調門單獨調節的僅為0.75MW左右。粗略估算，中調門參與調節后導致機組局部速度不等率減小，功率調整幅度放大了2.5～3倍，根據相關研究結果，當局部轉速不等率為1%時，機組的振蕩問題幾乎無法避免。2.3閥門管理函數汽輪機調節汽門的開度與流量非線性關系，在DEH中采用閥門管理函數修正的辦法，使綜合閥位指令與蒸汽流量呈線性關系。但從實際運行情況來看，閥門管理函數常出現與閥門流量特性不匹配的情況，導致機組一次調頻能力差、功率波動、調速系統擺動甚至電力系統低頻振蕩的事故時有發生。以往的研究多集中在高調門管理函數優化上，針對中調門管理函數的研究較少。2.4分析結果及建議根據以上分析，初步判斷導致該機組調速系統擺動的主要原因有以下幾點:(1)啟、停機機組帶低負荷階段一次調頻動作時中調門參與調節，導致汽輪機實際速度不等率大幅下降，一次調頻動作時功率調整幅度明顯偏大;(2)中調門管理函數與實際流量特性不匹配，導致綜合閥位在32%～35%區間內變化時所引起的流量變化過大，進一步放大了一次調頻動作幅度，根據實際數據，轉速差4r/min時，功率增加約90MW，計算得到局部速度不等率約為0.89%，遠低于4%的設計值;(3)勵磁系統PSS為退出狀態(200MW以下自動退出)，未能發揮阻尼作用，當汽輪機綜合閥位突變以后，造成汽輪機輸出力矩與發電機電磁力矩不匹配，導致轉速越過一次調頻死區，引起一次調頻動作，然后在一次調頻的作用下，出現了調速系統的持續性擺動。若機組處于功率閉環狀態，該機組的調速系統擺動問題可能還將進一步加劇。經過上述優化，該機組之后啟、停機帶低負荷階段，未再出現過功率、轉速及調門波動的現象。3結束語本文分析了某機組在啟、停機帶低負荷階段出現的調速系統擺動問題，闡述了可能導致調速系統擺動的主要原因，并著重對中調門參與調節之后對汽輪機調節系統特性的影響進行了討論，從中調門參與調節后對一次調頻的影響、中調門閥門管理函數與其實際流量特性的匹配程度兩方面進行分析，結論如下:(1)中調門參與負荷調節以后，會導致汽輪機局部轉速不等率大幅度下降，調整幅度大幅提高;同時由于沒有再熱器的熱慣性，其負荷調整速度也較快。因此當汽輪機中調門參與調節以后，應注意其對一次調頻、功率閉環控制兩方面的影響。(2)中調門管理函數與其實際流量特性不匹配，會導致汽輪機調節線性度較差，當綜合閥位指令在線性度較陡的區間時，若一次調頻動作，便極有可能引發調速系統擺動。(3)汽輪機調速系統擺動多與閥門管理函數、一次調頻或功率閉環控制參數設置不當有關，建議出現調速系統擺動時，盡快退出一次調頻、功率閉環控制，以求消除調速系統擺動，防止事故擴大，再查找問題原因。Reference[1]

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