具有孤网运行方式的DEH系统设计及应用

杨文强，雷文涛，王林

（1.华能山东发电有限公司，山东济南250000；2.山东鲁能控制工程有限公司，山东济南250022；3.山东日照发电有限公司，山东日照276826）

具有孤网运行方式的DEH系统设计及应用

杨文强1，雷文涛2，王林3

（1.华能山东发电有限公司，山东济南250000；2.山东鲁能控制工程有限公司，山东济南250022；3.山东日照发电有限公司，山东日照276826）

针对孤网的运行特性，详细阐述传统大网和孤网的DEH系统的控制策略的不同之处，介绍火电机组含有孤网运行方式的DEH系统的设计方案，通过实例说明了具有孤网运行方式的DEH系统设计方案的可行性。

汽轮机数字电液控制系统；孤网运行；转速控制；设计

0 引言

火电机组已经普遍采用汽轮机数字电液控制系统（DEH）。常规火电机组运行于大电网中，DEH的功能是完成汽轮机的转速控制和负荷控制。在机组启动过程中控制汽轮机转速，转速达到额定值时发电机组并网，并网后DEH可参与电网一次调频，电网调度发送二次调频指令到机组DEH控制汽轮机负荷。常规DEH基本不设计孤网运行方式，但在某些情况下孤网运行方式是有用的。文献［1］为解决区域电网的安全供电问题提出火电机组单机孤网运行控制方案，文献［2］提出了当大电网出现故障解列时机组孤网运行时开放一次调频限制的措施，但针对DEH本身的改进因客观条件限制无法实施。随着我国经济的发展，许多大型企业都有自备电厂，从经济性和社会其他因素的考虑，会选择孤网运行，这就需要DEH能够适应孤网运行的特点，以保证小网的频率稳定，为企业的主业生产提供稳定电能。

经过近些年的发展，国产DCS系统已经广泛应用到火电机组生产过程的各个环节，技术日趋成熟，为DEH的研制和应用提供了很好的平台。在LN2000分散控制系统基础上设计开发了具有孤网运行方式的DEH系统，并在某公司两台60 MW机组应用取得成功。

1 DEH控制策略分析

1.1 孤网方式控制策略

常规DEH控制系统是80年代引进的美国西屋公司的技术，而其技术主要是应用于大电网中的机组，鉴于大电网和孤网的特点不同，需要对其进行改进以适应孤网运行的特点。在孤网运行方式下，机组启动达到额定转速后可以并网，并网后控制电网频率，在负荷变化的情况下自动保持电网频率的稳定，实现一次调频功能。运行人员关注的问题不是负荷调整，而是通过操作DEH系统的给定值调整孤网频率，使之维持在额定频率附近，完成二次调频。由于孤网容量较小，DEH系统应具有更高的灵敏度，更小的迟缓率和更快的动态响应［3］。

在大网中，电网调度会对每台发电机组下达负荷指令，所以常规DEH在机组并网后，控制方式多为功率控制方式、协调控制方式等，这些控制方式的控制目的都为控制机组负荷。常规DEH网频的调整由一次调频来完成，而且一次调频的投入负荷范围和调节幅度都有一定限度，一般来讲，一次调频都会设定调频死区。常规DEH面向的是大电网，大电网一般不要求上网机组参与二次调频，所以常规DEH不设计自动二次调频功能。常规DEH的OPC设定动作值为额定转速的103%（3 090 r／min），当机组转速到达OPC动作值，汽轮机主蒸汽调节阀门和再热蒸汽调节阀门都会关闭，等机组转速低于OPC动作值后才会打开。

以控制负荷为目的的控制方式在孤网运行时已经不适用［4］。孤网运行的负荷是由实际所需负荷决定，所以在孤网运行中，DEH的控制对象应为转速（或频率），使得孤网的频率稳定在50Hz（3000r／min），频率越稳定，说明DEH的调节效果越好。取消功率控制方式等控制负荷的闭环回路，孤网运行下DEH的控制应为阀位控制，具有孤网运行方式的DEH系统要求响应速度更快。

1.2 提高系统响应速度措施

通过增大伺服控制系统的开环放大倍数可以减小油动机时间。但过大的放大倍数会造成伺服系统振荡。对于常见的积分型油动机，伺服控制器采用比例调节器，这样可有效减小油动机时间常数。油动机的响应时间应小于0.3 s。

缩短DEH运算周期。将调节周期及延迟时间缩短到50 ms以内，可使发电机组甩负荷时转速的动态响应基本与连续调节系统相当。将一次调频转速反馈闭环回路算法独立出来，组成一个调节周期为50 ms的快速调节任务。它们包括转速测量比较、不等率计算、修改总阀位给定、阀门曲线修正、阀门分配管理最终将各阀位给定输出到伺服板。

修正阀门流量特性曲线。阀门流量特性曲线的死区会对调速系统的相应速度造成极大的影响，故在孤网状态下，阀门流量特性曲线是否符合阀门特性直接影响调速系统的调节品质。如发现阀门调节存在死区，必须对其进行修正。

1.3 一次调频和二次调频

减小调频死区，改善频率的动态响应。考虑到频繁出现的微量电网功率余缺，可依赖电网的自然调频特性来调节供电频率。但为避免机组功率频繁波动，可人为设置一定的调频死区。将一次调频死区设为±1 r／min，在单机孤网工况时，应将调频死区去掉。

优化调频限幅。机组转速降低，在一次调频作用下开大调节阀，利用锅炉蓄能的支持可增大发电功率。若锅炉蓄能不足，可能会使蒸汽压力下降过大。另外若调节阀开度过大，也可能使发电机功率过大。故可在加负荷方向上设置适当的限制。但为避免机组超速在关调节阀方向必须无任何限制（单机孤网在黑启动时，调频下限应由机组负荷决定，不能无限制）。

一次调频对功率的调整是有差调节，即功率的变化是以频率的偏差为代价，为了使孤网频率回到50 Hz，必须对调节回路中的功率给定进行调整。

二次调频为转速PID控制，它在孤网运行时对负荷扰动具有良好的适应性，能自动根据不平衡功率调节机组出力，在机组调节范围内实现无差调频。二次调频的PID参数整定建议频率的快速调节主要在一次调频中实现，故二次调频中无需设置比例作用，积分作用是实现误差调节，如设置太强，会引发孤网频率震荡，应适当减小积分作用。微分作为比例和积分的一个补充，主要作用在机组负荷徒增或者徒减时，实现对频率的压制或者提升。

1.4 OPC功能

鉴于孤网运行的特点，如OPC动作会造成负荷的大幅波动，OPC的反复动作对于孤网的频率稳定起到了破坏作用，故OPC在并网后，根据实际情况采用两种方式。1）直接取消OPC动作功能，或者提供OPC动作值至3 300 r／min，让其与110%超速同时动作，单机孤网工况时，OPC的控制功能必须取消。2）采用转速加速度来触发OPC，避免OPC在稳定转速过程中的反复动作。

2 DEH系统方案设计

2.1 系统配置

具有孤网运行方式的DEH系统采用了LN2000分散控制系统作为平台，充分利用LN2000控制系统的软硬件方面的优势，软件方面在常规DEH逻辑基础上，结合孤网运行的特点，完善一次调频功能，增加二次调频功能，优化OPC功能设计，开发具有孤网运行方式的DEH系统。系统构成如图1所示，系统配置了1台工程师站和1台操作员站，1对冗余控制器，在常规DEH系统配置的基础上，硬件配置方面增加调频模块，配合伺服模块实现对调节阀门的控制。以单抽纯凝机组为例，系统配置见表1。

2.2 转速测量

转速测量由超速保护模块完成。汽轮机测速采用了3个磁阻式探头，探头产生的信号分别送入3个超速保护模块测得汽轮机的转速。根据保护逻辑快速发出可靠的汽轮机超速保护信号，通过继电器输出驱动超速保护电磁阀和危急遮断电磁阀，实现汽轮机超速保护功能，同时将整形处理后的转速信号输出到控制器。

图1 系统配置图

表1 系统配置

汽轮机转速测量齿轮是影响测量精度和测量周期的一个重要因素。在转速测量算法中，通过计数器的计数值与占用时间比值计算转速，测速齿轮的加工精度会影响测量精度，选择与测速齿轮齿数整倍数相同的计数值可以消除其影响。测量周期为汽轮机旋转一周的时间，当汽轮机转速为3 000 r／min时，测量周期为20 ms。

2.3 伺服模块

伺服模块用于闭环控制系统气动或液动伺服的阀位控制。输入指令4～20 mA，指令与LVDT反馈阀位信号进行P或PI调节之后，输出±40 mA电流去驱动伺服阀。伺服模块主要由2路LVDT信号调制解调电路、电压／电流转换电路、比例积分运算模拟电路等组成。其功能如下：具有LVDT适配器电路，振幅可调；两路LVDT信号输入，对应输出两路4～ 20 mA阀位信号，零点及满量程可分别调整；两路LVDT信号取大后与DEH来控制信号进行比较；可外接停机接点；可调整的比例，积分调节回路；面板上带有开门／关门状态指示。

2.4 控制算法

DEH系统采用全新的扫描方式，系统对逻辑块自动排序，避免了逻辑运算中的逆序，此种扫描方式保证了DEH控制系统具有更高的灵敏度和更快的动态响应。增加甩负荷转速压制功能。孤网运行中外部设备的突然停运或者故障等极端工况，会使得孤网的网频造成飞升，如DEH无法对机组转速进行有效的压制，电网会崩溃。研发了甩负荷转速控制功能块，对孤网运行中的甩负荷等极端工况下的网频实现有效控制。

具有孤网运行方式的DEH一次调频和二次调频组态如图2所示。机组并网以后，人工或自动投入调频功能，实现一次调频、二次调频和甩负荷转速控制。一次调频功能为根据转速设定值与实际转速测量值之间的偏差，经过一次调频函数运算后进行放大得出一次调频的调频量。一次调频按照转速不等率5%设定，不设置下限（孤网单机运行除外），放大倍数可根据机组运行实际情况设定。甩负荷转速控制功能是根据转速设定值与实际转速测量值之间的偏差，经过转速压制函数运算后进行一定的放大倍数得出甩负荷转速压制的调频量。转速压制函数要设定一定的死区，一般为10～20 r／min，或者更大，转速偏差越大函数斜率越大。放大倍数一般设定为“1”，除特殊情况，不轻易放大。二次调频功能是根据转速设定值与实际转速测量值之间的偏差，经过PID运算后得出二次调频量。三者调频量相加得出机组调频量，加到DEH阀门流量值，实现对机组转速调节。

图2 一次调频和二次调频组态

3 具有孤网运行方式的DEH系统应用

在方案实施过程中，孤网方式下DEH的调试过程主要涉及的参数设置包括伺服模块、一次调频、二次调频等。

伺服模块的比例设置。汽轮机多配套积分型油动机，伺服控制器采用比纯比例调节。设置时可先把比例值逐步增大，直到调节阀门产生振荡，然后再逐步减小比例值，直到振荡消除。

一次调频的参数设置。调频的转速不等率一般设置为5%；死区的设置可在调试中从1 r／min逐步减小，观察负荷的动态曲线，如负荷不频繁波动，则可不设置死区；另外在单机孤网中，如遇黑启动情况，一次调频的幅度应有限制，可根据机组所带负荷的大小决定调频的幅度，避免一次调频在动作时，甩负荷过大，电网崩溃。

二次调频的参数设置。二次调频是一次调频的辅助，需配合使用。二次调频的积分值设置范围一般为3～8，如积分过大，会产生振荡。微分的设置不易过大，一般微分的设定范围为0～2。如有条件可进行100%或50%甩负荷试验，进一步验证调速系统的响应速度、控制精度等技术参数。

2011年此套系统首次应用，通过数台机组的验证，在孤网运行中，面对各种工况，调速系统都能满足生产要求。如图3所示，某公司机组在单机运行，负荷为49.36 MW，主蒸汽压力为8.84 MPa、转速为3 003 r／min。此时用电设备跳闸，甩掉负荷27 MW，DEH甩负荷转速压制功能模块迅速动作，高调门指令瞬间下降，机组转速得到压制，最高升至3 067 r／min后逐步回调，3 min内转速稳定至3 000 r／min。

图3 孤网运行DEH趋势图

4 结语

采用了LN2000分散控制系统作为平台，充分利用LN2000控制系统的软硬件方面的优势，软件方面在常规DEH逻辑基础上，结合孤网运行的特点，完善一次调频功能，增加二次调频功能，优化OPC功能设计，开发了具有孤网运行方式的DEH系统。生产应用表明，此系统可满足孤网运行下的各种工况要求。

［1］李俊.火电厂单机带孤网运行控制策略［J］.中国电力，2008，41（11）：51-54.

［2］何杰，项耀华.孤网方式下火电机组的应对措施［J］.江西电力，2009，33（3）：26-27.

［3］刘起超.汽轮机孤网运行控制系统的设计与实现［D］.西安：西安电子科技大学，2011.

［4］蔡笋，冯永新.孤网运行频率稳定控制策略分析研究［J］.广东电力，2012，25（2）：16-19.

Design and Application of DEH System with Isolated Network Operation Mode

According to the operation characteristics of the isolated network，we described the difference of DEH system control strategy between the traditional net and the isolated network in detail.We introduced the design scheme of DEH system of thermal power unit with the isolated network operation mode.In addition，we illustrated the feasibility of DEH system design scheme with isolated network operation mode.

turbine digital electro-hydraulic control system；isolated network operation；rotating speed control；design

TK263.7

：B

：1007－9904（2014）05－0077－04

2014-06-06

杨文强（1976—），男，工程师，从事火电厂热工自动化生产管理工作；

雷文涛（1978—），男，工程师，从事火电厂控制系统的设计、调试工作；

王林（1974—），男，工程师，从事火电厂机组运行工作。