李想， 張雪， 曹兵

（1. 杭州中能汽輪動力有限公司，杭州310018；2. 南京科遠智慧科技集團股份有限公司，南京211100）

0 引 言

當發(fā)電用汽輪機終端用戶的用電負荷部分減小或全部失去時，汽輪發(fā)電機組的發(fā)電量超過用戶所需的用電量，此時要求汽輪發(fā)電機組將發(fā)電量減小到與實際負荷相適應的值，以防止汽輪機因出力與負載不平衡導致汽輪機超速，這一過程通常叫做汽輪機甩負荷。《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》中明確規(guī)定對于新投產(chǎn)機組和汽輪機調節(jié)系統(tǒng)經(jīng)重大改造后的機組必須進行甩負荷試驗。近些年由于垃圾焚燒技術的發(fā)展，生活垃圾焚燒發(fā)電技術作為固廢資源利用的一種方法，已經(jīng)演變成為一種成熟的資源利用技術[1]，垃圾發(fā)電用汽輪機得到越來越廣泛的應用，垃圾電廠用汽輪機要求能夠適應大的負荷變化[2]，因此汽輪機的甩負荷性能對整個垃圾電廠的穩(wěn)定、安全、高效運行至關重要，本文針對某垃圾發(fā)電用汽輪機甩負荷失敗的案例，深入分析甩負荷失敗的原因，并以此提出優(yōu)化的方案，使機組甩負荷性能得到提升。

1 甩負荷失敗情況介紹

國內(nèi)某800 t/日垃圾焚燒線用汽輪發(fā)電機在調試過程中進行甩負荷試驗，試驗過程中出現(xiàn)轉速高致汽輪機跳閘的情況，由DEH系統(tǒng)采集的歷史曲線如圖1所示。

通過曲線可以看到，在14:17:01，并網(wǎng)信號（淡紅色）消失，功率由10 MW瞬間變到0（藍色），OPC保護動作（黃色）開啟，且調門指令到0，轉速飛升（紅色），最高轉速為3268 r/min，機組跳閘轉速為3240 r/min，因此汽輪機停機。

2 甩負荷失敗原因分析

一般來說，汽輪機所受最大擾動發(fā)生在負荷全部失去的瞬間[3]，以甩100%負荷為例，汽輪機甩負荷動作開始發(fā)生，調節(jié)系統(tǒng)的動作過程主要有以下幾個階段：1）發(fā)電機并網(wǎng)開關斷開后，調節(jié)汽閥關閉動作尚未開始，此時蒸汽流量保持不變，轉速按接近線性規(guī)律保持升速；2）調節(jié)汽閥開始關閉直至全關，這一過程中引起汽輪機動態(tài)超速的原因有兩部分，分別為在調門完全關閉前進入汽輪機的蒸汽做功和汽輪機內(nèi)已存蒸汽做功[4]，故此階段轉子升速率將逐漸減小；3）機組調節(jié)汽閥關閉到位，汽缸及各抽汽管路內(nèi)剩余蒸汽繼續(xù)做功，但是做功的能力逐漸減小，升速率減小，當剩余蒸汽做功的能力等于汽輪發(fā)電機組各項損失之和時，轉子不再升速，汽輪機達到最高飛升轉速[5]；4）剩余蒸汽做功的能力繼續(xù)下降直至為0，這一過程剩余蒸汽無法推動轉子繼續(xù)加速，汽輪機進入降速階段；5）汽輪機調節(jié)系統(tǒng)再次介入調節(jié)將汽輪機轉速調至并網(wǎng)前轉速等待再次并網(wǎng)。

根據(jù)以上過程，我們可以將甩負荷的整個過程劃分為幾個關鍵環(huán)節(jié)，如圖2所示。

圖2中任意環(huán)節(jié)的動作延時都將最終影響汽輪機的最高飛升轉速，因此系統(tǒng)設計時應優(yōu)化以上各個環(huán)節(jié)的動作時間。

3 調節(jié)系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 DEH系統(tǒng)優(yōu)化

從以下幾個方面進行DEH系統(tǒng)優(yōu)化，使機組甩負荷轉速超調減小，并快速穩(wěn)定。

3.1.1 轉速加速度計算優(yōu)化

采取智能轉速加速度計算方式，快速、準確判斷，傳統(tǒng)加速度計算公式為

式中，TΔ為控制周期，每個控制周期輸出一個轉速加速度結果。

智能加速度計算公式為

式中：δn為加速度計算系數(shù)，且δ1+δ2……+δn=1；nTn為任意周期轉速；TΔ為控制周期。

智能加速度算法較傳統(tǒng)算法相比有如下優(yōu)缺點：傳統(tǒng)加速度計算方式若選取1個周期或幾個周期，加速度計算時間太短，導致加速度計算不準，且發(fā)生轉速探頭測量跳變，極易引起誤判斷；若選取較長周期，加速度計算時間較長，加速度不具備參考價值，且若在時間內(nèi)發(fā)生甩負荷，極易延誤判斷時間或判斷不出甩負荷。智能加速度計算方式選取若干周期轉速加速度，通過系數(shù)分配，使約靠近當前時間的加速度占比越大，較準確地體現(xiàn)出轉速加速度。并且通過邏輯優(yōu)化，使每個控制周期都輸出轉速加速度結果，大大提高了加速度預判的準確性。

3.1.2 增加OPC動作預置值

常規(guī)系統(tǒng)OPC動作后，轉速PID開始穩(wěn)定轉速，但由于OPC動作已將PID指令清0，機組惰走速度較快，PID的運算極易造成超調現(xiàn)象，導致汽輪機轉速波動較大，甚至會導致PID頻繁動作。

DEH系統(tǒng)通過優(yōu)化OPC動作恢復指令值，當OPC動作復位后，根據(jù)機組蒸汽參數(shù)和以往沖轉經(jīng)驗設置“OPC動作預置值”，使OPC動作后的PID計算初始值從“預置值”開始輸出，有效避免了PID的超調，具有更快更穩(wěn)定的轉速。

3.1.3 增加轉速PID前饋

DEH系統(tǒng)依靠轉速PID穩(wěn)定轉速，DEH在轉速中結合轉速加速度計算優(yōu)化，將加速度值設置為轉速PID前饋中，通過“預知轉速值”的前饋，快速、穩(wěn)定控制調門，避免甩負荷超速并快速穩(wěn)定轉速至額定轉速。

3.1.4 DEH邏輯順序優(yōu)化

調整DEH邏輯順序以達到縮短控制周期的目的，調整前后邏輯對比圖由圖3、圖4所示。

3.2 液壓系統(tǒng)優(yōu)化

液壓系統(tǒng)主要考慮該機組OPC動作時，主要依靠DEH指令將經(jīng)電液轉換器輸出相應的二次油壓清零從而控制油動機關閉，這一過程因為有電液轉換器的存在必定增加了系統(tǒng)的響應時間，因此考慮在原有二次油管路上增加OPC電磁閥，使得OPC動作時，OPC指令直接動作OPC電磁閥使二次油卸掉，從而縮短控制周期，改進后的液壓原理圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)優(yōu)化后試驗結果

經(jīng)系統(tǒng)優(yōu)化后機組甩負荷性能得到了大大提升，再次試驗時最大飛升轉速已得到較好改善，具體數(shù)據(jù)由圖6所示。通過曲線可以看到，在時間顯示為11:14:07時，并網(wǎng)信號（淡紅色）消失，功率由8 MW瞬間變到0（藍色），OPC保護瞬間動作且維持約5 s，且調門指令瞬間到0，轉速飛升（紅色），最高轉速為3079 r/min，經(jīng)12 s左右轉速穩(wěn)定至3000 r/min。

5 結 論

本文通過對現(xiàn)場甩負荷試驗失敗的分析，根據(jù)影響機組甩負荷性能的關鍵因數(shù)，分別從DEH系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)方面進行了優(yōu)化，得到了良好的效果，對此類機組的設計與改造具有一定的借鑒意義。