寧有智， ，，，，

(1.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程博士后流動(dòng)站，黑龍江 哈爾濱 150001; 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001; 4.大唐東北電力試驗(yàn)研究所有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引言

目前，火電機(jī)組主要依靠高調(diào)門(mén)動(dòng)作參與調(diào)頻任務(wù)。然而，大規(guī)模新能源電力的并網(wǎng)消納使得更多的大功率火電機(jī)組更為頻繁地參與調(diào)頻運(yùn)行，甚至包括大量原本以熱定電的供熱機(jī)組[1]；因此，參與負(fù)荷調(diào)節(jié)的高調(diào)門(mén)驅(qū)動(dòng)連接件的可靠性面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)[2]，硬件磨損加大導(dǎo)致故障率增加。當(dāng)高調(diào)門(mén)存在硬件連接故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)在順序閥運(yùn)行方式下發(fā)生負(fù)荷突變、振蕩等影響機(jī)組調(diào)頻功能的問(wèn)題[3-4]。

目前，能源結(jié)構(gòu)特殊性決定了中國(guó)火電調(diào)頻的必要性，所以國(guó)際上的成果大多為中國(guó)學(xué)者所發(fā)表；因此，國(guó)內(nèi)此方面的相關(guān)研究現(xiàn)狀基本可以體現(xiàn)國(guó)際主流研究方向。并且，大部分學(xué)者的研究重點(diǎn)都集中在高調(diào)門(mén)流量特性曲線設(shè)計(jì)、閥門(mén)重組解決機(jī)組軸系失穩(wěn)故障以及主蒸汽壓力尋優(yōu)等方面[5-6]。同時(shí)，也有一部分學(xué)者關(guān)注汽輪機(jī)的一次調(diào)頻能力[7]。文獻(xiàn)[8]研究了補(bǔ)汽閥調(diào)節(jié)、低壓加熱器、高壓加熱器回?zé)嵯到y(tǒng)及抽汽供熱系統(tǒng)蓄能利用等技術(shù)，綜合利用上述技術(shù)可以在高壓調(diào)節(jié)門(mén)全開(kāi)方式下，當(dāng)電網(wǎng)低頻動(dòng)作時(shí)較快地增加相應(yīng)負(fù)荷，滿(mǎn)足一次調(diào)頻性能要求。文獻(xiàn)[9]在數(shù)學(xué)解析式基礎(chǔ)上對(duì)不同環(huán)境溫度和迎面風(fēng)速下含空冷機(jī)組的電力系統(tǒng)調(diào)頻能力數(shù)值進(jìn)行計(jì)算及分析。文獻(xiàn)[10]為了表征調(diào)頻死區(qū)對(duì)電網(wǎng)一次調(diào)頻能力的影響，提出利用均方差定義電網(wǎng)一次調(diào)頻能力指標(biāo)。然而，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)卡澀等硬件故障引發(fā)的調(diào)頻能力降低問(wèn)題研究較少[11]。文獻(xiàn)[12]針對(duì)順序閥方式下由于汽輪機(jī)調(diào)門(mén)硬件連接不緊密問(wèn)題而導(dǎo)致的負(fù)荷突變故障，提出了基于高調(diào)門(mén)開(kāi)關(guān)試驗(yàn)的有效診斷方法，可快速對(duì)故障進(jìn)行測(cè)試診斷、有效判斷出故障的類(lèi)別和原因。然而，由于試驗(yàn)過(guò)程需要時(shí)間和一定的技術(shù)處理手段，對(duì)于通過(guò)調(diào)門(mén)實(shí)際故障預(yù)警來(lái)評(píng)估機(jī)組調(diào)頻能力就存在不足。雖然，實(shí)際中存在高調(diào)門(mén)問(wèn)題而引發(fā)的負(fù)荷突變故障案例，但是研究者都將研究重點(diǎn)集中在機(jī)理揭示和有效解決措施提出等方面。而如何通過(guò)調(diào)門(mén)硬件故障預(yù)警來(lái)評(píng)估機(jī)組調(diào)頻能力，目前公開(kāi)文獻(xiàn)資料對(duì)其詳盡闡述的較少。

本文針對(duì)汽輪機(jī)順序閥方式下由于高調(diào)門(mén)硬件問(wèn)題導(dǎo)致的機(jī)組負(fù)荷經(jīng)常失控、不滿(mǎn)足實(shí)時(shí)調(diào)頻需求的問(wèn)題，提出了一種基于通過(guò)增加高調(diào)門(mén)閥后壓力測(cè)點(diǎn)的高調(diào)門(mén)調(diào)頻能力實(shí)時(shí)評(píng)估方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在不進(jìn)行專(zhuān)門(mén)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上有效識(shí)別經(jīng)常發(fā)生的由高調(diào)閥硬件鏈接松動(dòng)等導(dǎo)致汽輪機(jī)調(diào)頻能力下降的問(wèn)題。最后，還進(jìn)行了典型案例分析驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 機(jī)組高調(diào)門(mén)的調(diào)頻能力受限機(jī)理及傳統(tǒng)測(cè)試方法局限性

1.1 調(diào)頻能力受限機(jī)理分析

硬件故障導(dǎo)致調(diào)頻能力受限的問(wèn)題研究較少，文獻(xiàn)[12]針對(duì)高調(diào)門(mén)連接部件松動(dòng)問(wèn)題為例進(jìn)行了較為細(xì)致的闡述。如圖1所示，高調(diào)門(mén)在正常無(wú)故障狀態(tài)下的位置如圖1(b)所示，當(dāng)閥桿與閥頭出現(xiàn)連接不緊密故障時(shí)，閥桿提升時(shí)就會(huì)出現(xiàn)空行程；如圖1(a)所示，即閥桿提升而閥頭的位置不變。如圖1(d)所示，閥頭組件本身受到一個(gè)向下的重力G和一個(gè)向上的汽流力F；當(dāng)機(jī)組主蒸汽壓力降低至某一合適值時(shí)，作用在閥頭的汽流支撐力F會(huì)小于閥頭組件的重力G，此時(shí)閥頭組件就會(huì)掉落至圖1(c)所示的位置，相當(dāng)于閥門(mén)開(kāi)度自動(dòng)突然關(guān)小，導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)負(fù)荷失控。機(jī)組存在此硬件問(wèn)題時(shí)，即便是在單閥方式下負(fù)荷失控現(xiàn)象也是不可避免的。因此，機(jī)組參與AGC和一次調(diào)頻的能力受到了極大的限制和影響。

圖1 負(fù)荷突變故障機(jī)理示意圖[12]

1.2 試驗(yàn)測(cè)試方法及局限性

實(shí)際中，對(duì)于高壓調(diào)節(jié)閥門(mén)故障引發(fā)的機(jī)組負(fù)荷突變問(wèn)題，文獻(xiàn)[12]提出了一種基于高調(diào)門(mén)開(kāi)關(guān)試驗(yàn)的診斷方法。該方法通過(guò)采集DCS數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析，基于弗留蓋爾公式進(jìn)行相對(duì)流量計(jì)算，從而判斷是否存在故障。實(shí)際應(yīng)用案例顯示：該方法采用對(duì)角開(kāi)關(guān)測(cè)試，不僅有利于機(jī)組的軸系穩(wěn)定性，保證試驗(yàn)過(guò)程的機(jī)組安全性；同時(shí)，還能夠快速有效測(cè)試診斷由于高調(diào)門(mén)軟硬件故障而引發(fā)的機(jī)組負(fù)荷突變問(wèn)題；最終，還能對(duì)機(jī)組的高調(diào)門(mén)順序閥流量特性曲線進(jìn)行校核，極具應(yīng)用價(jià)值。

然而，對(duì)于實(shí)際智能電廠所需的故障預(yù)警及機(jī)組調(diào)頻能力評(píng)估問(wèn)題，該方法就存在時(shí)效性缺陷。即該方法只能用于事后診斷，而不能及時(shí)預(yù)警一些機(jī)組部件松動(dòng)、及時(shí)評(píng)估調(diào)門(mén)組件的調(diào)頻能力。

2 實(shí)時(shí)評(píng)估方法及案例分析

2.1 實(shí)時(shí)評(píng)估方法

根據(jù)上一節(jié)的硬件故障基本原理，調(diào)門(mén)硬件故障發(fā)生時(shí)對(duì)流量特性是會(huì)產(chǎn)生影響的。因此，不論是預(yù)警硬件故障(閥門(mén)關(guān)鍵部件松動(dòng)、脫落等)還是預(yù)警軟件故障(流量特性發(fā)生偏移)，都是汽輪機(jī)調(diào)頻能力下降的一種體現(xiàn)；因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)門(mén)的軟件和硬件故障都可以對(duì)汽輪機(jī)高調(diào)門(mén)的調(diào)頻能力進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估；當(dāng)有影響調(diào)頻能力的故障將要發(fā)生時(shí)，及時(shí)對(duì)故障征兆進(jìn)行提示和預(yù)警，便于采取有效措施保證機(jī)組的調(diào)頻能力實(shí)時(shí)處于最優(yōu)。

由于壓力是閥門(mén)的一個(gè)關(guān)鍵表征參數(shù)，然而目前閥門(mén)的壓力測(cè)點(diǎn)只有閥前有，而閥后沒(méi)有，因此，可以通過(guò)增加閥后壓力測(cè)點(diǎn)來(lái)完善閥門(mén)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)；并且，閥門(mén)內(nèi)部結(jié)構(gòu)部件有異常時(shí)，閥前壓力是基本不變的，但是閥后壓力是會(huì)發(fā)生變化的。所以，從閥門(mén)的內(nèi)部流場(chǎng)基本原理來(lái)看，增加閥后壓力測(cè)點(diǎn)是調(diào)門(mén)調(diào)頻能力實(shí)時(shí)評(píng)估的一種可行方式。

2.2 實(shí)際案例分析

2.2.1 驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)及操作過(guò)程

為了更好的印證該方法的有效性，以一臺(tái)200 MW供熱機(jī)組為例，采用文獻(xiàn)[12]已經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的有效方法作為對(duì)比。如圖2所示，為機(jī)組的噴嘴布置圖，以此來(lái)確定調(diào)門(mén)開(kāi)關(guān)順序及組合。

實(shí)際中，需要注意每一步高壓調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度的調(diào)整量要盡可能小，如果某種閥門(mén)順序開(kāi)啟試驗(yàn)的振動(dòng)、瓦溫、瓦振等一者發(fā)生異常、可能危害機(jī)組安全，則迅速停止該種試驗(yàn)，然后進(jìn)行下一種試驗(yàn)。此外，試驗(yàn)過(guò)程中的異常處理方式，也參考文獻(xiàn)[12]。如圖3所示，結(jié)合文獻(xiàn)[12]的方法，依次進(jìn)行如下的閥門(mén)順序開(kāi)關(guān)試驗(yàn)；關(guān)鍵點(diǎn)在于設(shè)計(jì)對(duì)角開(kāi)關(guān)試驗(yàn)，確保機(jī)組的軸系穩(wěn)定性、試驗(yàn)過(guò)程中的機(jī)組安全性。

圖2 機(jī)組的噴嘴布置圖

圖3 文獻(xiàn)[12]中的試驗(yàn)法測(cè)試過(guò)程

圖4 機(jī)組GV2開(kāi)關(guān)過(guò)程出現(xiàn)的負(fù)荷失控故障

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)4個(gè)高調(diào)門(mén)都有不同程度的間隙故障，其中以GV2的故障最為嚴(yán)重，出現(xiàn)兩次明顯的故障現(xiàn)象，如圖4所示。通過(guò)文獻(xiàn)[12]的計(jì)算方法可以看出：GV2在30%開(kāi)度時(shí)，開(kāi)度增加但流量先降后增，流量波動(dòng)值變化占整個(gè)調(diào)門(mén)流量的13%左右；而在43%開(kāi)度處，有負(fù)荷突變(占整個(gè)調(diào)門(mén)流量的10%左右)，如圖5所示。

圖5 高調(diào)門(mén)GV2開(kāi)度與實(shí)際流量的關(guān)系

圖6 高調(diào)門(mén)GV2故障時(shí)的運(yùn)行參數(shù)

實(shí)際中，如果調(diào)門(mén)動(dòng)作緩慢一些，負(fù)荷突變會(huì)再小一些；雖然這也影響機(jī)組的調(diào)頻能力，運(yùn)行人員就比較難以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在。相比之下，采用本文提出的增加閥后壓力測(cè)點(diǎn)的方法，就很容易看出這兩個(gè)負(fù)荷突變的存在；如圖6所示，兩個(gè)閥后壓力測(cè)點(diǎn)變化圖分別與圖4中的兩個(gè)圖相對(duì)應(yīng)。因?yàn)殚y后壓力的相對(duì)變化量是比較大的；此外，閥后壓力在日常運(yùn)行中作為一個(gè)檢測(cè)變量，可以用來(lái)實(shí)時(shí)評(píng)估機(jī)組調(diào)門(mén)的調(diào)頻能力；尤其是機(jī)組調(diào)門(mén)存在小的間隙、對(duì)負(fù)荷影響小于2 MW時(shí)，也可以通過(guò)觀察閥后壓力來(lái)判斷故障點(diǎn)在哪一個(gè)調(diào)門(mén)以及故障嚴(yán)重程度。

3 結(jié)論及展望

火電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)頻的關(guān)鍵部件是汽輪機(jī)高調(diào)門(mén)，本文通過(guò)順序閥方式下出現(xiàn)的由于汽輪機(jī)高調(diào)門(mén)硬件問(wèn)題導(dǎo)致的機(jī)組負(fù)荷控制不穩(wěn)定而不滿(mǎn)足調(diào)頻需求的問(wèn)題進(jìn)行研究，得到的結(jié)論如下：

(1)提出了一種基于通過(guò)增加高調(diào)門(mén)閥后壓力測(cè)點(diǎn)的高調(diào)門(mén)調(diào)頻能力實(shí)時(shí)評(píng)估方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在不進(jìn)行專(zhuān)門(mén)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上有效識(shí)別經(jīng)常發(fā)生的由高調(diào)閥硬件鏈接松動(dòng)等導(dǎo)致汽輪機(jī)調(diào)頻能力下降的問(wèn)題。

(2)實(shí)際機(jī)組案例數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，該方法對(duì)于實(shí)際故障的預(yù)警及處理更有實(shí)效性，這對(duì)機(jī)組調(diào)頻能力在線評(píng)估具有一定的借鑒意義。

后期，還將繼續(xù)對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻能力提升和改善的可視化表征及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行更深入研究。

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