孤网运行汽轮机控制研究

【摘 要】针对目前电力市场上用户的要求，汽轮机控制系统需具备孤网运行控制能力。本文从孤网运行的控制策略出发，提出了汽轮机控制系统（DEH）满足孤网运行的设计要求。

【关键词】孤网；控制系统

1、概述

截至2011年底，全国发电装机容量已突破9亿千瓦，成为世界第二电力大国。我国电力行业已进入电网大、机组容量大、高电压输电、高度自动化的新时代。据此，国内五大集团的正规电厂对机组孤网运行的能力要求不高或无要求，一般至多是要求满足FCB（fast cut back）工况控制即可。目前仍然存在孤网运行要求的是一些企业的自备电厂特别是民营企业由于多方面原因要求采用孤网运行方式；出口国外（发展中国家，例如印度）机组也要求孤网运行。孤网运行在应对自然灾害及电网的特殊故障的情况下，显得尤为重要。以哈汽公司为例，今年以来就有许多非电力系统用户和国外用户在订货时将汽轮机控制系统（DEH）具备孤网运行功能作为必备条件，有些用户还需哈汽提供专题报告。因此，汽轮机控制系统（DEH）具备孤网运行能力是满足客户需要的前提。本文通过对孤网运行方式的分析，提出了在设计汽轮机控制系统（DEH）中需重点注意的问题。

2、系统的组成

2.1整体配置

整个系统由机房、余热锅炉、烟筒和辅机构成。在机房中燃气轮机、发电机和汽轮机为单轴布置，还配置有与主机相关和汽轮机的冷凝器。

余热锅炉紧挨着机房，在燃气轮机的排气端一侧。燃气轮机的排气通过余热锅炉和排烟通道，由烟筒排出。在余热锅炉内部设置有脱硝装置用的辅机和排水装置。

控制装置和电气设备在机房侧面，中间隔有通道。控制装置采用模块式结构，控制、电气、蓄电池、高低压配电装置、启动装置等结构都很紧凑。电气设备由母线导管、厂内变压器和升压器构成。

2.2轴系设备的构成

2.2.1概要

在本联合循环发电系统上，由燃气轮机、发电机及汽轮机构成的轴系设备的配置情况。

燃气轮机、发电机和汽轮机配置在同一轴上；发电机和汽轮机之间有离合器；采用地面安装方式。

有以下特征：设备启动时，汽轮机通过离合器与燃气轮机分开，而燃气轮机可以利用发电机作为电动机启动，单独负荷运行。然后，利用燃气轮机的排气使余热锅炉产生蒸汽，以启动汽轮机（不需要辅助锅炉）；万一汽轮机跳闸，仍利用离合器的作用，把汽轮机自动断开，而燃气轮机可以继续单独运行；地面安装方式比机座式安装方式的基础费用要低。同时维修也方便。

2.2.2发电机。发电机只有1台，由燃汽轮机和汽轮机共用。这是一种标准结构的二极三相发电机。

2.2.3汽轮机。汽轮机是双缸轴向排汽冷凝式结构，安装在地面基础上，在50～100%负荷范围内采用滑压运行。设备启动时，汽轮机利用离合器可以与发电机脱开，此时，（由余热锅炉）产生的蒸汽全部旁路。

2.2.4离合器。离合器安装在发电机和汽轮机之间的汽轮机高压侧轴承箱内。燃汽轮机启动时，离合器使汽轮机与发电机脱开，而在燃汽轮机运行后，大量蒸汽进入汽轮机（汽轮机的转速超过燃汽轮机的转速）的同时，离合器自动啮合，向发电机传送动力。离合器中啮合后处于与齿形联轴同样的结合状态，没有滑动部分，确保高可靠的运行。

2.2.5余热锅炉。余热锅炉是三压再热自然循环结构。脱硝装置设置在余热锅炉的蒸发管束之间。

2.2.6设备的运行方式

（1）全负荷运行方式。这是设备对应于大气条件的最大出力运行方式。在这种运行方式下，设备的出力在保证透平进口温度一定的状态下进行控制运行。在此状态下，如果燃机排气温度控制装置或高压/再热蒸汽温度控制装置动作时，出力即受到限制。

（2）部分负荷运行方式。根据事前在负荷分配装置上设定的厂用负荷值，由燃机负荷控制装置保持按厂用负荷运行。

（3）并网运行方式。根据速度不等率特征，可以在40～95%负荷范围内与电网并网运行。

2.2.7启停操作

根据汽轮机启动时其转子的温度不同，有热态启动、温态启动和冷态启动三种方式。无论在哪种启动方式下，燃汽轮机的启动时间不变，余热锅炉也不会制约燃汽轮机带负荷的时间。所以，设备的启动时间主要取决于汽轮机的带负荷时间。为了降低汽轮机的热应力，汽轮机转子温度在达到某种设定值之前，燃汽机的负荷需控制在25%以下：一旦汽轮机转子温度达到设定值，燃汽轮机负荷可以马上连续升高。

停机操作可按与启动操作的相反顺序进行。设备停机时间通常50分钟。

2.2.8特殊运行方式如下所述

（1）独立运行方式。在设备与电网解列时，汽轮机跳闸。这时，离全器脱开，汽轮机开始单独减速、停机，另一方面，燃汽轮机在低负荷下继续运转，向本设备持续运行所需的辅机设备供给电力。然后，根据运行工作人员的判断，设备可以重新达到全负荷，或停机。

（2）转子盘车运行方式。燃汽轮机和汽轮机配置有各自的盘车装置。设备停机后，为了转子能均匀冷却，自动地转入这种盘车运行方式。

3、目前在针对有孤网运行要求机组的控制系统设计时，主要从以下方面考虑：

（1）DEH系统采用的硬件CPU控制器主频要求尽可能快，调频控制回路的控制任务运算周期必须保证小于100ms，达到50ms更好。

（2）转速不等率设置在5%左右（一般常规要求）。

（3）设计的控制逻辑要求缺省投入一次调频功能（在大网及孤网的情况下）。一次调频的计算输出作为功率PID的给定。同时将其直接输出到PID的出口上，这样可使得一次调频的快速性得到保证，另外对一次调频死区进行调整，根据情况增大或减小，直至取消。

（4）在并网后，取消103%额定转速OPC功能，或针对需要孤网运行的机组其DEH系统的OPC动作定值适当提高（最好定值根据需要可调），但要对110%电超速及机械超速做好实验，保证可靠动作。

（5）提高伺服系统快速响应性，油动机的关闭时间应小于0.15s。伺服控制器（伺服卡）在采用数字控制时要求响应要快，采用比例调节（也可加入积分），在确保伺服系统稳定性的同时，尽量提高伺服控制器的比例增益。

4、结论

通过在DEH控制系统中编制孤网控制逻辑，哈汽已在一些电厂的机组上取得了业绩，例如广西某自备电厂2×150MW机组（采用西门子硬件PCS7系统），一用一备运行，待厂用负荷；内蒙某电厂2×300MW机组（国电智深硬件EDPF系统），带用户负荷；印尼百通2×600MW机组（西屋硬件，通过FCB实验），上述三个电厂都已稳定运行。哈汽出口机组只要用户要求都具有孤网运行程序。机组孤网运行需要各专业，各个系统（汽轮机，锅炉，发电机，旁路等）的配合，电厂需整体考虑，但频繁的调节，对整个电厂的设备都是一个考验，对设备的寿命都是有影响的。所以，从安全及稳定性考虑，能并上大网是最终的出路，孤网运行不是长久之计。