趙大朋,范雙雙,孫天中,吳 哲,張 民,劉春曉

(1.吉林電力股份有限公司白城發(fā)電公司，吉林 白城 137000；2.東北電力大學，吉林 吉林 132012；3.中油電能熱電一公司，黑龍江 大慶 163314)

0 引言

目前，為了提高新能源電力系統(tǒng)對具有不確定性風電、光伏發(fā)電的消納比例，越來越多的大功率汽輪發(fā)電機組都參與靈活調峰運行[1]；甚至，還開展高效靈活二次再熱機組的研制與應用工作[2]。為了提高機組長期低負荷運行的安全穩(wěn)定性，不少汽輪機需要由順序閥控制方式切換至單閥方式；但是，實際切換過程中不可避免的會存在一些影響機組安全經(jīng)濟運行的問題。很早就有大量關于汽輪機閥控方式切換方面的研究，一方面主要關注切換過程中影響機組自身運行安全性的軸系失穩(wěn)問題[3-4]，涉及理論計算和試驗方面研究不平衡汽流力的消除方法；另一方面主要關注閥控方式切換時產(chǎn)生負荷和主汽壓的波動問題[5-6]，因為參數(shù)波動會給電網(wǎng)的安全可靠運行帶來安全隱患[7-9]。同時，對于汽輪機單閥-順序閥控制方式的無擾切換研究，工程中除了會針對流量特性曲線進行優(yōu)化之外[10-11]，也有關于切換條件選擇方面的研究[12]。此外，機組頻繁參與調峰使得調節(jié)系統(tǒng)硬件磨損程度加大，不少汽輪機調節(jié)閥出現(xiàn)了一些影響調節(jié)性能的故障[13-14]，機組在閥控方式切換及變負荷運行時，都會出現(xiàn)參數(shù)擾動問題。然而，單純依靠對配汽規(guī)律曲線進行優(yōu)化設計使其與高調閥實際流量特性相匹配，即便是選擇較好的切換條件、設置最佳的切換控制參數(shù)，最多也就是將負荷和主汽壓力波動減小到一定范圍，是無法從根本上消除這種參數(shù)波動問題。

綜上所述，針對負荷及主汽壓力波動的根源進行理論分析，提出一種可以從根本上解決切換過程中參數(shù)波動問題的汽輪機單閥-順序閥的非線性自動無擾切換方法，對進一步改善大功率汽輪機靈活調峰的安全穩(wěn)定性具有重要意義和價值。

1 現(xiàn)有單閥-順序閥切換的控制方式及存在問題

目前，電網(wǎng)希望機組能夠穩(wěn)定參與調峰，因此低負荷工況下需要保證單閥-順序閥配汽方式之間可以進行無擾切換，即切換過程中盡可能減小負荷波動，避免機組負荷波動對電網(wǎng)造成負面影響，從而危及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。然而，目前的單閥/多閥切換方式是無法真正實現(xiàn)負荷波動最小，達到無擾切換的目的。以某機組的典型配汽方式為例，如圖1所示的是具有四個調節(jié)閥的2種配汽規(guī)律：單閥配汽(四個閥門動作一致)和順序閥配汽(#1+#3→#4→#2，先開閥門#1和#3，再開#4，最后開#2)。以A處負荷點為例。機組啟動后在此負荷點進行配汽方式的切換，由單閥配汽切換到多閥配汽#1+#3→#4→#2?，F(xiàn)有的切換控制方式，切換開始時和切換結束時的蒸汽流量是相等的，即綜合流量指令相等。由于閥門的流量特性為非線性的，切換過程中由閥門#2、#4關小所引起的蒸汽流量的減少量始終小于由閥門#1、#3開大所引起的蒸汽流量的增加量，所以這種切換規(guī)律必然會產(chǎn)生功率較大的波動。

圖1 四個調節(jié)閥的兩種配汽規(guī)律比較示意圖

2 單閥-順序閥的非線性自動無擾切換方法

2.1 無擾切換的理論依據(jù)

定義χ為綜合流量指令，u為閥門開度，n為閥門個數(shù)，則兩種配汽方式可表示為：

順序閥配汽規(guī)律為

u1=f1(χ)
u2=f2(χ)
u3=f3(χ)
u4=f4(χ)

(1)

單閥配汽規(guī)律為

(2)

假設在負荷點χ0處由單閥切換到順序閥，從t1時刻開始，t2時刻切換過程結束。

在切換開始，t1時刻時

(3)

以u1為例，在切換結束，t2時刻時有

u1=f1(χ0)

(4)

在切換過程中，t1時刻→t2時刻有

(5)

同理，u2、u3、u4也相同。

(6)

其中，t∈[t1,t2]，i=1,…,4；并且，有以下關系式成立

(7)

如圖2所示，在B負荷點處從單閥切換到順序閥，四個閥門都是隨時間做線性動作的。

圖2 現(xiàn)有技術B負荷點處配汽切換方式

無擾情況下，切換過程中負荷保持不變，即實際流量保持不變

q(t)=χ0，t∈[t1,t2]

(8)

2.1 無擾切換的實現(xiàn)方法

令第k個閥門在切換過程中隨時間進行非線性動作，而其他n-1個閥門依然進行線性動作，使得對?t′∈(0,t2-t1)存在以下關系

(9)

可轉化為以下關系式

(10)

此時，實際流量為

q(t1+t′)=χ0+Δq(t1+t′)=χ0

(11)

第k個閥門用于抵消其他閥門由于開度和流量呈非線性而導致的總流量偏差，則

(12)

如圖3所示，A負荷點作為切換點，此時選取#1閥門作非線性動作，其余3個閥門依然作線性動作；圖4中，以B負荷點作為切換點，選取#1閥門作非線性動作；圖5中，以C負荷點作為切換點，選取#2閥門做非線性動作。

圖3 A負荷點處非線性自動無擾切換方式

圖4 B負荷點處非線性自動無擾切換方式

圖5 C負荷點處非線性自動無擾切換方式

對?t′∈(t1,t2)，由于其他n-1個閥門依然進行線性動作，因此閥位ui(i=1,2,…,n且i≠k)可以得出，此時進行理論計算或實驗，使得

(13)

切換點χ0和非線性切換閥門的選擇規(guī)則：選取流量變化范圍大的閥門作非線性運動。

切換規(guī)律優(yōu)化設計方法：切換時只有第k個閥門是按照非線性規(guī)律動作的，而其他的閥門都是按照線性規(guī)律動作的；配汽方式的非線性切換規(guī)律可以由以下三種方案確定：實驗方法確定切換方法、理論計算確定切換方法或實驗與理論計算相結合的方法。

根據(jù)上述理論，實際中的高負荷、中負荷也可以設計常用的自動非方式線性無擾切換點。

2.3 非線性切換規(guī)律的獲取方法

非線性切換規(guī)律可以通過實驗確定：

(1)調節(jié)t′時刻下的閥位ui(i=1,2,…,n且i≠k)，然后調節(jié)閥位uk，直到使實際流量q(t′)=χ0，此時功率保持不變，即確定非線性規(guī)律上的第一個點；

(2)重復以上操作，就可以得到非線性切換規(guī)律上的一系列點，進行擬合，就能得到連續(xù)的非線性切換規(guī)律了。

此步驟不需理論計算，操作簡單，精度基本滿足實際運行需要。然而，缺點就是實驗結果存在的隨機性。

非線性切換規(guī)律還可利用理論計算實現(xiàn)：

(1)確定t′時刻下的閥位ui(i=1,2,…,n且i≠k)，計算出保持實際流量q(t′)=χ0所需的閥位uk，即確定非線性規(guī)律上的第一個點；

(2)重復以上計算，就可以得到非線性切換規(guī)律上的一系列點，進行擬合，就能得到連續(xù)的非線性切換規(guī)律了。

此步驟不需要進行實驗，但需要準確的理論計算，而且得保證計算所需數(shù)據(jù)準確，才能夠滿足實際運行需要。

此外，上述的實驗方法還可以與理論計算相結合：條件允許的電廠，還可以將理論計算與實驗相結合，能夠更好的辨識出機組高調門的實際流量特性，此步驟使得精度可以滿足運行需要，也在一定程度上避免了實驗結果的隨機性。

3 結論

本文針對大功率汽輪機低負荷工況下單閥-順序閥切換時出現(xiàn)的參數(shù)波動問題進行理論分析與研究，得到的結論如下：

(1)通過理論分析可以看出，高調閥具有非線性控制特性，切換時采用線性等比例開關控制方法會引起蒸汽流量的變化，這是切換過程中負荷及主汽壓力產(chǎn)生波動的根源：

(2)現(xiàn)有切換方式產(chǎn)生參數(shù)波動是必然的，即便在對實際單閥和順序閥流量特性控制曲線進行優(yōu)化、選擇合適工況點的條件下，也是無法完全消除切換過程中的參數(shù)波動問題；

(3)采用非線性自動無擾切換方法，可以從根本上解決切換過程中的參數(shù)波動問題。

本文對進一步改善大功率汽輪機靈活調峰的安全穩(wěn)定性具有重要意義和價值。