汽轮发电机组负荷波动的原因及对策.doc

汽轮发电机组负荷波动的原因及对策刘建生,刘小会 大唐国际陡河发电厂,063028摘要:汽轮发电机组运行中负荷波动一直是一个难于解决的问题，随着机组调节系统自动化程度的提高，去除了一些易发生故障的中间环节，明显的改善了机组运行负荷的稳定性，但由于热电元件、配汽机构仍存在各种问题，负荷波动现象依然存在，查找故障原因更加困难，本文从当前流行的DEH调节系统出发，对控制和配汽机构进行分析，重点阐述了引起负荷波动故障发生的机理和原因，并结合机组运行的实际情况，提出有效的解决方案。关键字:能源与动力工程;汽轮机;调节系统;负荷波动;对策ABSTRACT:Load fluctuation is always a touch problem to solve for turbine-generator sets.Although with the rising of automation degree,load stabilitu has been improved quite a lot,the fluctuation trouble still exists due to various problems lying in the thermoelectric element and steam distribution system.Taking DEH contol system as an eaample,the control and steam distribution mechanism are elaborated while the causing of load fluctuation analyzed,and hence an affective aolution proposed.KEYWORDS:energy and power engineering; steam tuibine ;contol system;load fluctustion; countermeasure1 前言无论是比较落后的液压调节系统还是当前比较流行的DEH电液调节系统，负荷波动一直是汽轮发电机组不能彻底消除的缺陷之一，直接影响机组负荷控制的精度，减弱了机组对外界负荷需求的响能力。如果在运行中负荷波动严重，轻者会影响机组锅炉水位波动，并波及锅炉的燃烧。重者会引起对外提供电能的大幅变化，影响对外提供电能的质量。引起负荷波动的原因主要是机组调节系统的故障，随着现代科学技术的发展，新机组一般采用高压抗燃油或低压透平油的DEH调节系统，以前的老机组也都相继进行了DEH的改造工作。改造后的DEH系统调节能力更强，负荷控制更加精确，负荷波动现象也相应有了一定的改善，但并没有彻底消除，由于DEH系统引入了许多电子元器件，如果发生负荷波动，原因查找更为困难，思考问题往往也有一定的局限性，制约了对故障的解决。DEH调节系统使机组控制进度有了很大的提高，一般在稳定运行状态下转速控制回路的控制精度不低于1 r/min，调节转速的迟缓率不大于0.06%，功率控制精度不低于1MW。但在机组实际运行中，由于调节系统部件发生故障，负荷变化往往会大于保证值。本文根据在汽轮机调节系统多年的工作经验，从各个方面对当前流行地DEH调节系统进行分析，对机组负荷波动的原因进行研究探讨，旨在寻求一种解决汽轮机组负荷波动问题的有效途径。2 负荷波动的原因及解决方案2.1 调速汽门特性曲线设置不合理汽轮机DEH系统经过长时间的发展，目前更加趋于完善，各方面的控制逻辑、保护逻辑也更加可靠。 DEH控制系统的核心是一套相对完善的计算机控制程序，并经过了多年的实践检验，能够引起负荷波动的因素主要涉及调速汽门静态特性曲线的设置。调速汽门静态特性曲线是根据机组负荷和进汽量的对应关系绘制而成，具体表现即为负荷和DEH系统综合阀位的对应关系，两者呈线性对应。综合阀位直接对应于各个调门的开度，如果各个调速汽门的开度之和与进汽量不能形成对应的线性关系，在进汽量曲线陡直处就会引起进汽量的突增，同样平缓处就会出现综合阀位增加，负荷调节迟缓。调速汽门特性曲线对机组负荷调节特性起着决定性的作用，如果新建或改造机组对整定拟和曲线的重视和投入不够，就可能在以后的运行中产生明显的负荷突变，引起附和发生波动，对负荷控制和调节是不利的。有的厂处于节能考虑，对调速汽门的重叠度进行了调整，从而最大限度的避免调速汽门的节流损失，来提高汽轮机的热效率。调速汽门特性曲线随厂家的不同存在着较大的区别，一般都是空低负荷区域不是汽轮机的主要工作空间，设置的自由度较大，在经济负荷和满负荷设置虽有所不同但差别不大。例如TSDF33.5型250MW日立机组的开启曲线设置较为复杂，开始时四个调速汽门同时开启进汽，为了均衡汽缸进汽在以后用回关部分汽门的方式工作，同时也是为了开大部分汽门来避免节流损失。哈汽的机组是#1#2高压调速汽门采用同一条开启特性曲线来达到均衡供汽。有的文章上提到调速汽门采用对冲的方式对汽缸进行供汽，来平衡转子受力，但实际却不全是这样，如有的机组#1#2高压调速汽门位于汽缸下部，也有的机组采用偏向进汽。在机组DEH改造后，阀门管理功能得到了加强，在机组检修甚至在线对调门曲线改进也变得可行，使各个调门的开度灵活控制成为可能。如某厂日立250MW机组在DEH改造后在某一负荷点波动，有明显的可再现性，通过对调速汽门特性曲线观察可以发现，虽然该机组改造后采用的调速汽门特性曲线是参照原来日立厂家提供的曲线绘制的，但细节部位不够完善，在综合阀位60的部位#3调门存在明显得拐点，正是在这个位置，机组在17万负荷时频繁发生波动。为了消除这一缺陷，又重新参照原来的特性曲线进行了改进，并根据实际情况进行了合理的调整。如图所示，以下是修正前后调速汽门特性曲线的对比。可以明显地看到修正后的曲线更加光滑，实际上调门特性曲线直接关系到运行中各负荷点调速汽门的开度，如果在机组正常的负荷位置存在的曲率过于平缓或陡直，都会造成负荷波动或突升。一般来说，如果从直观上看曲线组合尖角拐点过多，一般都会存在汽门进汽特性不合理的问题。图2-1 250MW机组调速汽门特性曲线图厂家提供的特性曲线虽已借鉴了多方的实践经验，也并不都尽善尽美，很多都是沿用老的机组，也会存在这样或那样的不足，主要会带来两个问题，一个是没有充分考虑机组运行中的动态因素，在投产的时候负荷稳定，但在以后的运行中负荷存在波动现象，另一个是重叠度不合理，影响机组的运行效率。节能也是电力发展的一个主题，在辅机效率充分挖掘之后，很多厂家也都对曲线进行了优化，来减少调速汽门的节流损失，来提高机组的热效率。2.2伺服反馈系统导致负荷波动伺服反馈系统主要由伺服阀、LVDT及其控制板卡组成。以下对调速汽门的伺服反馈系统进行简介：图2-2 调速汽门的伺服反馈系统DEH计算机输出的阀位指令，%表示。A 凸轮特性变换后的阀位指令（伏）。P 位置反馈信号（高选、调0、调增益后的值）（伏）。L 油动机实际行程（MM）。W2、W7LVDT#1、LVDT#2调零电位器。W10、W7LVDT#1、LVDT#2调增益电位器。S 伺服线圈输入电压。OFFSET偏置调整电位器。当调门全关时，调整W2使LVDT1等于零；调整W7使LVDT2等于零。当调门全开时，调整W10使LVDT1等于满度；调整W4使LVDT2等于满度。当手动送阀位指令，使 A=2。0V，伺服阀停在中间位置，调整OFFSET电位器使A-P=0.020.03V，保证启动前伺服阀处于负偏置，阀门有效关闭。凸轮特性是指油动机进入凸轮效应范围后，高调门采用相对增长较小的输入电压，使油动机以较快的速度达到阀门全开的位置。高调门正常工作时，LVDT1和LVDT2信号经高选后的P值、DEH经凸轮特性变换后的阀位指令A值和OFFSET信号求和，经功放后控制伺服阀，由油动机带动高调门动作。当调门反馈值和DEH指令值相等时阀门停止运动，形成闭环控制回路。当伺服阀、LVDT及其板卡调整不当或发生故障、线路故障时，都会造成调速汽门波动，同时也会影响机组负荷波动，以下分别进行阐述：2.2.1伺服阀接受功放板来的控制信号来控制调速汽门的开度，为了达到控制目的和防止调速汽门卡涩，一般都在功放板处为伺服阀整定合适振荡电压，用于保证调速汽门有微小的波动，防止伺服阀和调速汽门卡涩，整定的振荡电压以不能用肉眼观察到调门波动为宜。在机组正常运行中，由于各种因素的影响，振荡电压的幅值会发生变化，如某厂250MW机组#1、#2高压调速汽门发生连续波动，观察波动范围0.5mm左右，机组负荷也呈锯较小齿状显示，整体影响机组负荷波动约12MW左右。经热控专业对振荡电压调小后恢复正常。2.2.2 LVDT是利用差动变压器的原理制成的位移反馈元件，LVDT构成了汽轮机DEH系统的反馈系统，在运行中LVDT的反馈值与伺服阀的指令值构成了一个控制闭环回路。LVDT安装于调速汽门滑架的一侧，由于下方就是调速汽门小座，门杆漏气会对LVDT造成烘烤，因此工作环境比较恶劣，但LVDT内部有线圈等比较脆弱的电气元件，对工作条件要求又比较苛刻，因此，无论在调试或运行中，LVDT发生故障时有发生。一般每个调速汽门装有2只LVDT，在运行中对LVDT的位移反馈信号进行高选送至控制回路。如果LVDT发生故障，不随调门实际位置动态改变，调门的动作就会发生异常。如某厂由于安装LVDT的支架不牢固，在运行中脱落，造成该该调门突然关闭，机组振动瞬间增大，幸未超过机组掉闸值，没有引起更大的事故。如果LVDT连杆存在松动，就会使调门在调解过程中产生明显的位移波动，根据对该问题的处理经验，如果LVDT连杆存在0.5mm的间隙，则在伺服系统进行调整时会引起调速汽门2mm或更多的往复波动，一般200MW机组的高压调速汽门行程只有40mm，并包括7-8mm的预起阀行程，尽管DEH的响应速度比较迅速，仍足以引起5MW-10MW的负荷波动。因此，LVDT对安装工艺要求很高，偏斜，松动都会造成不利的影响，在检修和日常巡检中对LVDT的工作情况加强监视显得尤为重要。LVDT的故障会导致调速汽门行程波动，在实际的表现中也是多种多样的。两只LVDT运行中的互相干扰或故障LVDT对正常LVDT造成干扰，也会造成机组负荷波动等异常。某厂一台200MWDEH改造机组，在运行中持续数日间断发生负荷波动，波动幅度最大大达15MW，且波动时间并不固定，严重影响机组稳定运行。汽机和热控人员都投入了人力进行检查，确认该机#1高压调速汽门存在波动，汽机检修对LVDT连接情况进行了检查，并对可能造成松动的部位进行了紧固，故障并未得到消除。对该机组#1调速汽门历史趋势检查中发现#1、#2LVDT都有曲线显示，并从中发现一个问题，就是在发生负荷波动时，#1、#2LVDT曲线为类镜像显示。正常运行中#1LVDT处于高选，故障时当#1曲线突降时，#2表现为突升，反之，当#1突升时，#2也随之突降。但对两只LVDT的电阻等参数进行检查，都未发现问题。为了查清原因，决定分别停止LVDT进行检查，发现停止#1LVDT时#2LVDT工作正常，#2LVDT停止时，#1LVDT在运行中存在突升或突降的不正常现象，但对其板卡电路进行检查，由于不能抓住故障点，故不能测出异常现象。将#1LVDT的和板卡换新后正常，负荷波动现象消失。#1调速汽门LVDT曲线示意图：#1LVDT#2LVDT图2-3 调速汽门LVDT曲线示意图2.2.3 DEH系统对控制线路的安装铺设要求较高，同时线路对工作环境要求也非常苛刻，对传输长度，线路接线方式都有很高的要求，但在生产现场，工作环境比较复杂，附近都是高温设备，线路受机械或高温的损坏现象并不鲜见。当伺服阀或LVDT的线路发生接线端子发生松动、线路受到损坏，都会造成DEH系统的动作异常。某厂#6机组在运行中多次发生负荷波动现象，经证实为#1高压调速汽门故障，但多次查找具体的原因未果，后在检修中对控制线路检查中发现线路存在异常，用改造时铺设的冗余线路进行了替换后正常。2.3调速汽门机械部分造成负荷波动调速汽门是汽轮机调速系统的执行机构，直接控制汽轮机组进汽，但由于该机械机构结构相对直观简单，以前将负荷波动多归罪于控制系统，如液压系统对归于滑阀组，DEH系统多归于伺服和反馈系统，因此调速汽门机械部分是在负荷波动缺陷消除中一个容易被忽视的环节。调速汽门由门座和阀芯组成。关闭状态阀门阀芯下口和门座的扩散器型线全周接触，截断调速汽门进汽。在机组运行时，操纵座上部的油动机接收伺服阀的控制克服弹簧力，通过门杆开启至需要的行程，增大或减小门芯下部的通流面积来达到控制进汽量的目的。由于调速汽门门芯门杆有几十公斤的自重，一般认为受重力作用，调速汽门门芯和门杆会位于下止点，其实在实际运行中并不是这样。以下分2种情况进行分别讨论。2.3.1带有预起阀的调速汽门为了减少调速汽门在初动状态下的开启力，很多调速汽门带有预起阀，在调速汽门初动时首先会开启预起阀，调速汽门进汽后汽门前后压差减小，调速汽门主阀芯开启，预起阀行程一般为5-10mm，如200MW机组高压调速汽门一般为7-8mm。由于采用了预起阀，调速汽门在运行中的工作状态变得更为复杂。在机组运行中，在高压调速汽门开启状态下，阀芯上下均作用经过阀套或经阀芯节流后的主汽压力。由于在调速汽门主阀芯有四个较大的通流圆孔，因此主阀芯上下压力大致相等，正常运行中对于主阀芯而言，由于上下面积相等，主阀芯受重力作用，一直会处于下止点位置。对于预起阀而言，其下部受主汽压力，因此一直会被主汽的向上托起，托起力可以按下式进行估算：FPAP：经节流后的主蒸气压力，随汽门开度增大而增大 A：预起阀上部的门杆截面积A=D2/4（D为门杆直径）如果托起力F小于门杆和主门芯自重之和，主阀芯和端部为预起阀的门杆就会位于下止点，相反，如果托起力F大于门杆和主门芯自重之和，就会有多余的向上托起力F1存在。当调速汽门门杆的连接部分存在间隙时，就会引发调速汽门开度波动，进而引起机组负荷波动现象。具体动作过程为：在调速汽门全关和开度较小时，由于节流的作用，门后压力较低，多余的向上托起力F10，调速汽门主阀芯和门杆就会位于上止点的位置。在调速汽门门芯动作的这个开启临界点，就会出现实际的调速汽门行程波动现象，这个波动值与连接部分的间隙相同。当调门开启到这一临界点时，由于F10，调速汽门在压力作用下门芯突然异常上移，进汽量发生突升，负荷突然增加，在系统回调中，调速汽门关回时，作用在预起阀的压力降低，就会使F10，汽门门芯快速回落，进汽量变小，负荷就会快速降低，由于调节系统的闭环作用，此过程会频繁反复，导致汽机负荷呈连续波动现象。由于调速汽门的门杆连接部分安装位置较为隐蔽，故在生产实际中不易察觉。导致门杆连接部分间隙越来越大，负荷波动幅值也越来越大。如某厂200MW机组在运行中某一负荷点发现门杆有上下串动现象，负荷反幅波动值达15MW或是甚至更多，停机对连接卡兰解体检查发现门杆连接卡兰与套的间隙达到了4-5mm，对门杆连接卡兰进行改进后问题的到了解决。实际经验表明，200MW机组负荷时，如果连接部分存在间隙，一般在调速汽门开度60左右发生门杆串动，同时机组负荷发生波动。我国在早期的高压调速汽门设计制作中多采用卡兰的连接结构，对其进行改进是必要的，也是可行的。虽然对连接部分结构改动不大，但经实践检验收效显著。 原卡兰型式 改进后的卡兰型式图2-4 调速汽门连接部分改进示意图有些人认为在调速汽门某一开度，由于调速汽门室发生强烈的汽流扰动，主门芯会在预起阀行程发生上下串动，导致进汽量变化，负荷发生大幅波动，为此，有的厂将调速汽门预起阀行程由7mm改为4mm后，波动幅度大为减小。但从部分机组的实际运行情况来看，将门杆连接部分间隙消除后，负荷波动现象微小或基本消除，所以这一观点有待研究。2.3.2不带有预起阀的调速汽门不带有预起阀的调速汽门门杆和门芯成为一体，在运行中受力情况较为简单，不会发生类似于主门芯在预起阀行程上的串动现象。但这种结构的调速汽门一般会存在另外一个设计问题，就是有些调速汽门门芯没有周向定位，将定位设置在导向滑架部分。由于门芯在汽门室受力不均，会产生很大的周向力使门芯转动，如果这个周向力与门杆锁紧螺母转向相反，就会越转越紧，不会在连接部分产生间隙，也就不会造成负荷波动。反之，就会在连接部分产生间隙，在某一负荷点造成负荷波动。对于这种阀芯可以旋转的调门设计结构，为了安装一般都装设有连轴短节，此时并不能将上部完全固定来防止转动，如果上部固定不能旋转，就会造成短节下部旋转，使门杆与短节的连接销产生很大的剪切力，在交变剪切应力的作用下横销切断，导致连接螺纹损坏和退出，使门杆与短节脱离，调速汽门无法开全，甚至脱落全关。在国内很多机组都发生过类似现象，造成机组实际的调门行程变小，机组出力下降，只能停机进行解决。其最初和中间阶段，由于门杆连接部分存在间隙，一般也表现为负荷异常波动。造成这一现象的原因主要是设计存在问题，如果在设计安装中为调速汽门门芯设置导向键，从下部限制调速汽门门芯旋转，虽然会对调速汽门门芯在开启方向移动产生阻力，但汽门油动机设计有足够的裕量，一般不会有问题。3负荷波动问题处理的思路造成汽轮机组负荷波动的症结多发生于汽轮机调速系统，对于DEH系统，防止机组运行中负荷波动以及解决机组负荷波动缺陷，应从以下几个方面入手。3.1设计阶段就要对调速汽门特性曲线进行校对。对于采用DEH系统的新机组，厂家一般都有比较完善的设计方案，并有流量和综合阀位曲线的对应关系图作为参考。由于机组采用的是拟和曲线，与实际也会有所差别，可以现场从DEH的工程师站中调出进行确认比较，以确认是否有纰漏，减少机组运行中发生负荷波动的可能。对于改造机组，一般会参与调速汽门特性曲线的设计工作，主要是参照原始凸轮曲线完成，由于原设计采用凸轮传动，必然在设计中会受到局限，并且在运行中不能进行调整，在DEH改造后，增强了阀门的管理功能，并能够根据目前更为先进的设计方案重新进行设计，消除原有的不利因素并可以优化来提高机组效率。对于带有预起阀的调速汽门，由于预起阀随即组运行逐渐磨损，经验表明，200MW机组经过5年的大修周期，#1#2#3预起阀都会有2-3mm的不等量磨损，虽然调速汽门特性曲线没有变化，但实际的调速汽门进汽特性已完全改变，很有可能在实际的进汽曲线中中存在过于平缓或突变的部位，造成负荷波动。在机组检修中对预起阀行程进行测