300 MW汽轮机转速波动大的原因分析及解决措施

陈颖泽，李 峰

(陕西宝鸡第二发电有限公司，陕西 宝鸡 721405)

0 引言

某电厂I期4台300 MW汽轮机采用东方汽轮机厂生产的N 300—16.7/537/537—4型(合缸)亚临界、中间再热、两缸两排汽、凝汽式汽轮机，汽轮机控制系统采用东方汽轮机厂配套生产的纯电调数字电液控制系统(DEH)。由于I期4台机组采用的美国西屋公司DCS控制系统老化，对其控制系统进行换代升级改造。1号机组改造后，在汽轮机冲转至 2 600-3 000 r/m in 过程中，转速始终不太稳定，且最高冲至3 090 r/m in，导致OPC超速保护动作调门关闭。此后在该机组数次启动过程中，汽轮机转速均出现波动、偏差大等问题，DEH转速控制无法满足要求。

为彻底解决上述安全隐患，技术人员分析了DEH系统转速控制策略、控制对象、DEH阀门特性曲线及实际开度和控制逻辑，找出了汽轮机转速波动大的原因，并通过优化控制逻辑、重新整定给定转速升速率值、修改阀门特性参数以及增加转速“软着陆”逻辑等方法，使汽轮机转速在DEH并网过程中得到平稳控制。

1 汽轮机转速控制原理及逻辑

在汽轮发电机并网前，DEH为转速闭环无差调节系统。其设定点为给定转速，给定转速与实际转速之差经过PID调节器运算后，通过伺服系统控制油动机开度，使实际转速随给定转速变化，并根据DEH的启动方式，由中压调节阀ICV或高压调节阀CV控制汽轮机转速。该厂汽轮机DEH的启动方式为并网前转速由ICV和CV共同控制；并网后ICV全开，由CV控制机组负荷。

在操作员设定给定转速后，DEH逻辑自动以操作员设定的升速率向给定转速逼近；当进入临界转速时，自动将升速率改为400 r/m in快速过临界。在升速过程中，通常需对汽轮机进行中速、高速暖机，以减少热应力。当汽轮机转速最终稳定在(3 000±2) r/m in 时，汽轮机定速。

2 汽轮机转速波动大的原因分析

根据原阀门开度-流量特性曲线，经过试验并分析阀门特性曲线及控制逻辑，认为在升速过程中造成转速波动大的主要原因有以下几方面。

(1) 给定转速计算回路存在问题。在DEH逻辑中，给定转速的升速率是由运行设定升速值与定值A相除得到的；A值为换算时间系数，即为经过升速率计算后在一定时间内的汽轮机实际变化转速。给定转速按升速率计算后，得到给定转速中间值，并与实际转速求偏差，然后通过PID运算后控制实际转速。由于定值A与机组实际性能不符，造成转速存在较大偏差。

(2) 汽轮机转速控制回路中PID的参数设置不理想，造成转速波动。

(3) 汽轮机调门的开度-流量特性设计不合理。控制中，当调节门输出指令为0.1 %时，4个高压调节阀指令为9.5 %的开度；流量特性曲线太陡，阀门开度与流量曲线不合理，造成进汽量突然增大，使转速不能得到精确控制。

3 解决措施

(1) 对给定转速计算逻辑的升速率进行调整。在原升速率计算中，当A值为600时，汽轮机实际升速速度为1 r/m in，速率太慢。在阀门刚刚开启时，因阀前压力较大，稍有流量则会导致冲击汽轮机转子速度不能得到精确控制。因此需要适当降低A值，提高汽轮机实际升速速度。经过多次调整试验发现，当A值修改为450，汽轮机升速速度达到1.5 r/m in时，汽轮机转速趋于稳定，达到了消除升速过程中转速偏差大的目的。

(2) 对汽轮机转速控制回路中转速PID中的相关参数进行优化，修改了PID控制器的PI参数，消除了升速过程中转速不稳定现象。

(3) 在机组停运后，通过对单阀加指令后就地观察线性可变差动变压器(LVDT)的实际变化区间，观察9.5 %开度时调门的实际位置，根据阀门开度-流量曲线，对转速系统的输出函数进行修改，使阀门特性曲线更加合理，从而消除了机组升速过程中转速波动大的问题。

(4) 增加转速“软着陆”逻辑——“刹车”函数f(x)，即当转速达到 2 900 r/m in 时，通过“刹车”函数自动判断并减小机组升速率，将升速率由100 r/m in 降低为 60 r/m in；在转速接近 3 000 r/m in时，再将升速率切换为50 r/m in，以避免机组超速。经过这次逻辑优化，DEH原启动中超速至3 090 r/m in的问题没有再发生。

4 试验调整过程

在1号机组启动转速上升过程中，阀位总给定为0.1 %时，高调阀开度即为9.5 %(东方汽轮机厂提供的开度-流量函数)，产生转速波动，造成实际转速比给定转速约高100 r/m in。当转速给定值为 1 200 r/m in 时，实际转速值在 1 280-1 310 r/m in。由于机组长期运行，汽轮机调门进气量与机组设计时的调门开度函数不匹配，需优化转速控制回路中的函数。经过前期测量的调节阀门实际开度，即LVDT实际开度为250 mm；当阀门开度指令为0.1 %时，就地阀门开度为9.5 %，即23.75 mm(其中控制死区为 0.2 %)。根据原阀门开度-流量曲线，对转速系统的输出函数进行修改，将开度指令由0.1 %改为3 %，对应就地实际开度为9.5 %，使阀门特性曲线趋于平缓。此时观察汽轮机转速不再波动，当汽轮机升速至2 000 r/m in时，偏差稳定在2 r/m in以内。当汽轮机升速至3 000 r/m in 时，还存在约 5 r/m in 的偏差。本次处理使汽轮机阀门特性曲线与实际开度-流量曲线相符，达到了稳定汽轮机转速的目的。

针对在额定转速下存在约5 r/m in的偏差，调整转速控制PID参数,将比例系数K由0.17修改为 0.28，积分时间Ti由 450 s修改为 1 000 s(微分时间Td为0，未做调整)后，汽轮机转速稳定在3 000 r/m in，满足DEH转速控制的要求。该机组在之后多次启动过程中，汽轮机转速设定值与实际转速跟踪良好，没有再出现转速波动大的现象，在整个升速过程中转速偏差均能控制在±1 r/m in以内，实现了汽轮机转速的无差调节。

5 结束语

1号机组DEH转速控制经过调整升速率参数、重新整定转速PID参数、优化阀门特性曲线以及增加转速“软着陆”逻辑功能等，使得该机组在以后各次启动时，汽轮机冲转到并网前的过程中转速平稳，再未出现转速波动大的现象，满足了DEH汽轮机转速控制的要求。该方法在其他几台机组的DEH升级改造调试过程中得到了较好验证，也为解决其他同类发电机组汽轮机转速稳定控制提供了方法和经验。

1 华东六省一市电机工程(电力)学会．汽轮机设备及系统  [M]．北京：中国电力出版社，2000.

2 王付生．电厂热工自动控制与保护[M]．北京：中国电力出版社，2006.

3 李铁苍，黄桂梅．热力过程自动化[M]．北京：中国电力出版社，2006.

4 林文孚，胡  燕．单元机组自动控制技术[M]．北京：中国电力出版社，2008.

5 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家  标准化管理委员会．GB/T22198—2008汽轮机转速控  制系统验收试验[S]．北京：中国标准出版社，2008.