李想， 張雪， 曹兵

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

0 引 言

當(dāng)發(fā)電用汽輪機(jī)終端用戶的用電負(fù)荷部分減小或全部失去時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量超過用戶所需的用電量，此時(shí)要求汽輪發(fā)電機(jī)組將發(fā)電量減小到與實(shí)際負(fù)荷相適應(yīng)的值，以防止汽輪機(jī)因出力與負(fù)載不平衡導(dǎo)致汽輪機(jī)超速，這一過程通常叫做汽輪機(jī)甩負(fù)荷。《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中明確規(guī)定對(duì)于新投產(chǎn)機(jī)組和汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)重大改造后的機(jī)組必須進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)。近些年由于垃圾焚燒技術(shù)的發(fā)展，生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)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(shù)[1]，垃圾發(fā)電用汽輪機(jī)得到越來越廣泛的應(yīng)用，垃圾電廠用汽輪機(jī)要求能夠適應(yīng)大的負(fù)荷變化[2]，因此汽輪機(jī)的甩負(fù)荷性能對(duì)整個(gè)垃圾電廠的穩(wěn)定、安全、高效運(yùn)行至關(guān)重要，本文針對(duì)某垃圾發(fā)電用汽輪機(jī)甩負(fù)荷失敗的案例，深入分析甩負(fù)荷失敗的原因，并以此提出優(yōu)化的方案，使機(jī)組甩負(fù)荷性能得到提升。

1 甩負(fù)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(jī)在調(diào)試過程中進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)速高致汽輪機(jī)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(hào)（淡紅色）消失，功率由10 MW瞬間變到0（藍(lán)色），OPC保護(hù)動(dòng)作（黃色）開啟，且調(diào)門指令到0，轉(zhuǎn)速飛升（紅色），最高轉(zhuǎn)速為3268 r/min，機(jī)組跳閘轉(zhuǎn)速為3240 r/min，因此汽輪機(jī)停機(jī)。

2 甩負(fù)荷失敗原因分析

一般來說，汽輪機(jī)所受最大擾動(dòng)發(fā)生在負(fù)荷全部失去的瞬間[3]，以甩100%負(fù)荷為例，汽輪機(jī)甩負(fù)荷動(dòng)作開始發(fā)生，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)作過程主要有以下幾個(gè)階段：1）發(fā)電機(jī)并網(wǎng)開關(guān)斷開后，調(diào)節(jié)汽閥關(guān)閉動(dòng)作尚未開始，此時(shí)蒸汽流量保持不變，轉(zhuǎn)速按接近線性規(guī)律保持升速；2）調(diào)節(jié)汽閥開始關(guān)閉直至全關(guān)，這一過程中引起汽輪機(jī)動(dòng)態(tài)超速的原因有兩部分，分別為在調(diào)門完全關(guān)閉前進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽做功和汽輪機(jī)內(nèi)已存蒸汽做功[4]，故此階段轉(zhuǎn)子升速率將逐漸減??；3）機(jī)組調(diào)節(jié)汽閥關(guān)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(dāng)剩余蒸汽做功的能力等于汽輪發(fā)電機(jī)組各項(xiàng)損失之和時(shí)，轉(zhuǎn)子不再升速，汽輪機(jī)達(dá)到最高飛升轉(zhuǎn)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(dòng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)加速，汽輪機(jī)進(jìn)入降速階段；5）汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)再次介入調(diào)節(jié)將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至并網(wǎng)前轉(zhuǎn)速等待再次并網(wǎng)。

根據(jù)以上過程，我們可以將甩負(fù)荷的整個(gè)過程劃分為幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如圖2所示。

圖2中任意環(huán)節(jié)的動(dòng)作延時(shí)都將最終影響汽輪機(jī)的最高飛升轉(zhuǎn)速，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)化以上各個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)作時(shí)間。

3 調(diào)節(jié)系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 DEH系統(tǒng)優(yōu)化

從以下幾個(gè)方面進(jìn)行DEH系統(tǒng)優(yōu)化，使機(jī)組甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速超調(diào)減小，并快速穩(wěn)定。

3.1.1 轉(zhuǎn)速加速度計(jì)算優(yōu)化

采取智能轉(zhuǎn)速加速度計(jì)算方式，快速、準(zhǔn)確判斷，傳統(tǒng)加速度計(jì)算公式為

式中，TΔ為控制周期，每個(gè)控制周期輸出一個(gè)轉(zhuǎn)速加速度結(jié)果。

智能加速度計(jì)算公式為

式中：δn為加速度計(jì)算系數(shù)，且δ1+δ2……+δn=1；nTn為任意周期轉(zhuǎn)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(diǎn)：傳統(tǒng)加速度計(jì)算方式若選取1個(gè)周期或幾個(gè)周期，加速度計(jì)算時(shí)間太短，導(dǎo)致加速度計(jì)算不準(zhǔn)，且發(fā)生轉(zhuǎn)速探頭測(cè)量跳變，極易引起誤判斷；若選取較長周期，加速度計(jì)算時(shí)間較長，加速度不具備參考價(jià)值，且若在時(shí)間內(nèi)發(fā)生甩負(fù)荷，極易延誤判斷時(shí)間或判斷不出甩負(fù)荷。智能加速度計(jì)算方式選取若干周期轉(zhuǎn)速加速度，通過系數(shù)分配，使約靠近當(dāng)前時(shí)間的加速度占比越大，較準(zhǔn)確地體現(xiàn)出轉(zhuǎn)速加速度。并且通過邏輯優(yōu)化，使每個(gè)控制周期都輸出轉(zhuǎn)速加速度結(jié)果，大大提高了加速度預(yù)判的準(zhǔn)確性。

3.1.2 增加OPC動(dòng)作預(yù)置值

常規(guī)系統(tǒng)OPC動(dòng)作后，轉(zhuǎn)速PID開始穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，但由于OPC動(dòng)作已將PID指令清0，機(jī)組惰走速度較快，PID的運(yùn)算極易造成超調(diào)現(xiàn)象，導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，甚至?xí)?dǎo)致PID頻繁動(dòng)作。

DEH系統(tǒng)通過優(yōu)化OPC動(dòng)作恢復(fù)指令值，當(dāng)OPC動(dòng)作復(fù)位后，根據(jù)機(jī)組蒸汽參數(shù)和以往沖轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置“OPC動(dòng)作預(yù)置值”，使OPC動(dòng)作后的PID計(jì)算初始值從“預(yù)置值”開始輸出，有效避免了PID的超調(diào)，具有更快更穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。

3.1.3 增加轉(zhuǎn)速PID前饋

DEH系統(tǒng)依靠轉(zhuǎn)速PID穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，DEH在轉(zhuǎn)速中結(jié)合轉(zhuǎn)速加速度計(jì)算優(yōu)化，將加速度值設(shè)置為轉(zhuǎn)速PID前饋中，通過“預(yù)知轉(zhuǎn)速值”的前饋，快速、穩(wěn)定控制調(diào)門，避免甩負(fù)荷超速并快速穩(wěn)定轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速。

3.1.4 DEH邏輯順序優(yōu)化

調(diào)整DEH邏輯順序以達(dá)到縮短控制周期的目的，調(diào)整前后邏輯對(duì)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(jī)組OPC動(dòng)作時(shí)，主要依靠DEH指令將經(jīng)電液轉(zhuǎn)換器輸出相應(yīng)的二次油壓清零從而控制油動(dòng)機(jī)關(guān)閉，這一過程因?yàn)橛须娨恨D(zhuǎn)換器的存在必定增加了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，因此考慮在原有二次油管路上增加OPC電磁閥，使得OPC動(dòng)作時(shí)，OPC指令直接動(dòng)作OPC電磁閥使二次油卸掉，從而縮短控制周期，改進(jìn)后的液壓原理圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)優(yōu)化后試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)系統(tǒng)優(yōu)化后機(jī)組甩負(fù)荷性能得到了大大提升，再次試驗(yàn)時(shí)最大飛升轉(zhuǎn)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(shí)間顯示為11:14:07時(shí)，并網(wǎng)信號(hào)（淡紅色）消失，功率由8 MW瞬間變到0（藍(lán)色），OPC保護(hù)瞬間動(dòng)作且維持約5 s，且調(diào)門指令瞬間到0，轉(zhuǎn)速飛升（紅色），最高轉(zhuǎn)速為3079 r/min，經(jīng)12 s左右轉(zhuǎn)速穩(wěn)定至3000 r/min。

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)甩負(fù)荷試驗(yàn)失敗的分析，根據(jù)影響機(jī)組甩負(fù)荷性能的關(guān)鍵因數(shù)，分別從DEH系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)方面進(jìn)行了優(yōu)化，得到了良好的效果，對(duì)此類機(jī)組的設(shè)計(jì)與改造具有一定的借鑒意義。