楊彥平，賈 斌，李曉波，范志強(qiáng)

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)作為一種先進(jìn)的發(fā)電技術(shù)，在我國(guó)電力生產(chǎn)行業(yè)中的地位日益提高。燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)設(shè)備在國(guó)內(nèi)和國(guó)外的市場(chǎng)很大，并隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和清潔煤利用技術(shù)的完善，需求量將進(jìn)一步擴(kuò)大。燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)，其主要目的在于檢驗(yàn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性是否符合設(shè)計(jì)及運(yùn)行要求，并通過甩負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算動(dòng)態(tài)超調(diào)量、轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等特征值[1-3]。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)測(cè)功法甩負(fù)荷試驗(yàn)計(jì)算飛升轉(zhuǎn)速以及研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)整定計(jì)算、動(dòng)態(tài)特性和系統(tǒng)的安全性都有重要意義[4]。本文將結(jié)合某雙軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)例分析。

1 機(jī)組概況

某雙軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組燃?xì)廨啓C(jī)是GE公司生產(chǎn)的PG9171E 型燃?xì)廨啓C(jī)，燃機(jī)由1 個(gè)額定功率1 000 kW 的啟動(dòng)馬達(dá)、1 個(gè)17 級(jí)的軸流式壓氣機(jī)、1 個(gè)燃燒系統(tǒng)（由14 個(gè)分管式燃燒室組成）、1 個(gè)3 級(jí)透平轉(zhuǎn)子組成，燃機(jī)發(fā)電機(jī)是南京汽輪電機(jī)廠生產(chǎn)的QFR-135-2 三相兩極同步發(fā)電機(jī)，機(jī)組銘牌出力為123.4 MW（ISO 工況），聯(lián)合循環(huán)時(shí)出力106 MW。

余熱鍋爐為杭州鍋爐廠生產(chǎn)的無補(bǔ)燃、三壓、帶除氧器、高溫、次高壓、立式懸吊、強(qiáng)制循環(huán)余熱鍋爐；汽輪機(jī)為南京汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的LZN60-5.7/0.58 型雙壓、單軸、單缸、沖動(dòng)、凝汽式汽輪機(jī)；發(fā)電機(jī)采用南京汽輪電機(jī)廠生產(chǎn)的QFW-60-2 三相兩極同步發(fā)電機(jī)；機(jī)組熱工控制為單元制，采用爐、機(jī)、電集中控制方式。

2 甩負(fù)荷試驗(yàn)情況

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷

對(duì)于分軸布置聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)的甩負(fù)荷試驗(yàn)應(yīng)分別進(jìn)行。燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)荷由壓氣機(jī)進(jìn)氣導(dǎo)葉閥和主燃料控制閥控制。甩負(fù)荷瞬間，主燃料流量尚未發(fā)生變化，燃機(jī)發(fā)出的功率用于轉(zhuǎn)子本身的加速；控制系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，通過控制最小燃料量以維持燃機(jī)不熄火不跳機(jī)，轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速[5-7]。

試驗(yàn)前機(jī)組帶額定負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，各主輔設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行良好，超速試驗(yàn)，閥門關(guān)閉時(shí)間及嚴(yán)密性試驗(yàn)合格。燃?xì)廨啓C(jī)帶負(fù)荷106.133 MW，機(jī)組轉(zhuǎn)速為3 002.083 r/min，解除燃機(jī)發(fā)電機(jī)解列跳燃機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)，運(yùn)行人員強(qiáng)制斷開燃機(jī)發(fā)電機(jī)出口主開關(guān)，燃機(jī)轉(zhuǎn)速開始飛升。從燃機(jī)發(fā)電機(jī)解列開始，約2.583 s 后燃機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速3 115 r/min。燃?xì)廨啓C(jī)100%甩負(fù)荷前后主要參數(shù)值如表1 所示。

表1 燃?xì)廨啓C(jī)100%甩負(fù)荷前后主要參數(shù)值

2.2 汽輪機(jī)甩負(fù)荷

2.2.1 汽輪機(jī)高低旁保護(hù)條件

高旁保護(hù)條件。高旁快開保護(hù)條件：電動(dòng)主汽門前壓力>5.8 MPa 或高壓汽包壓力> 6.5 MPa 或高壓集汽聯(lián)箱蒸汽壓力>5.9 MPa；發(fā)電機(jī)負(fù)荷變化率大于5 MW/s。高旁快關(guān)保護(hù)條件：真空>-40 kPa；高旁一級(jí)減溫后溫度>180 ℃且凝汽器溫度>85 ℃；2 臺(tái)凝結(jié)水泵全停。

低旁保護(hù)條件。低旁快開保護(hù)條件：補(bǔ)汽電動(dòng)門前壓力>0.58 MPa 或低壓汽包壓力>0.67 MPa 或低壓集汽聯(lián)箱蒸汽壓力>0.6 MPa；汽機(jī)已掛閘且補(bǔ)汽已投入，出現(xiàn)汽機(jī)跳閘且有切除補(bǔ)汽信號(hào)；發(fā)電機(jī)負(fù)荷變化率大于5 MW/s。低旁快關(guān)保護(hù)條件：真空>-40 kPa；凝汽器右減壓減溫器出口蒸汽溫度>120 ℃且凝汽器溫度>85 ℃；2 臺(tái)凝結(jié)水泵全停。

2.2.2 甩負(fù)荷試驗(yàn)情況

機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的電超速保護(hù)信號(hào)將引起電超速保護(hù)電磁閥動(dòng)作，泄放危急繼動(dòng)油，繼而引起調(diào)節(jié)汽閥關(guān)閉，汽輪機(jī)進(jìn)汽量迅速降至0。延時(shí)一段時(shí)間后，電超速保護(hù)電磁閥復(fù)位，危急繼動(dòng)油壓重新建立，調(diào)節(jié)汽閥逐漸開至所需要的位置。

試驗(yàn)前機(jī)組帶額定負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，各主輔設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行良好，超速試驗(yàn)、閥門關(guān)閉時(shí)間及嚴(yán)密性試驗(yàn)合格，高低壓旁路暖管備用。切除電跳機(jī)、爐跳機(jī)保護(hù)。汽輪機(jī)帶負(fù)荷55.182 MW，主汽壓力4.86 MPa，運(yùn)行人員強(qiáng)制斷開汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)出口主開關(guān)，經(jīng)過1.481 s 機(jī)組達(dá)到最高飛升轉(zhuǎn)速3 165 r/min。汽輪機(jī)100%甩負(fù)荷前后主要參數(shù)值如表2 所示。

表2 汽輪機(jī)100%甩負(fù)荷前后主要參數(shù)值

3 特征值計(jì)算

3.1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算原理

大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，其幾何形狀復(fù)雜，質(zhì)量分布也不均勻，制造廠較難給出一個(gè)準(zhǔn)確值，因此要通過常規(guī)法甩負(fù)荷試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)取。甩負(fù)荷時(shí)快速斷開發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，發(fā)電機(jī)電功率瞬間降為零，此時(shí)機(jī)械功率即為甩負(fù)荷試驗(yàn)前功率，可得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式為[8-11]

其中，J 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg/m2；Ta為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，s；P0為甩負(fù)荷前機(jī)組功率，kW；ω0為轉(zhuǎn)子角速度，rad/s；η 為發(fā)電機(jī)效率，%；n0為初始轉(zhuǎn)速，r/min；an為轉(zhuǎn)子初始加速度，r/（min·s）。

由式（1）、式（2）可知，發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算值取決于轉(zhuǎn)子初始加速度an。an為轉(zhuǎn)子甩負(fù)荷瞬間初始加速度，為動(dòng)態(tài)變化量，需從試驗(yàn)轉(zhuǎn)速飛升曲線上進(jìn)行獲取。

3.2 數(shù)據(jù)分析及處理

機(jī)組測(cè)速時(shí)，測(cè)速傳感器通過測(cè)量探頭與測(cè)速齒盤輪間的高、低電壓變化所形成脈沖信號(hào)的數(shù)量來得到實(shí)際轉(zhuǎn)速值?？焖黉洸▋x采集到脈沖頻率，由脈沖頻率和齒數(shù)在儀器內(nèi)部計(jì)算得到轉(zhuǎn)速值，當(dāng)齒數(shù)為134 齒時(shí)，脈沖頻率為6 700 Hz。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在測(cè)量過程中存在環(huán)境噪聲以及測(cè)量誤差，并且轉(zhuǎn)子在甩負(fù)荷擾動(dòng)下出現(xiàn)的半速渦動(dòng)會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量產(chǎn)生干擾，因此快速錄波儀輸出的轉(zhuǎn)速信號(hào)并不能反映轉(zhuǎn)子甩負(fù)荷過程中的實(shí)際轉(zhuǎn)速。田豐[12]提出了使用時(shí)域2 點(diǎn)鄰近點(diǎn)平均或頻域快速傅里葉變換濾波計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；鮑文龍等[13]提出了基于卡爾曼自適應(yīng)濾波器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法。本文采用鄰近點(diǎn)平均對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，主要用于消除半速渦動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)產(chǎn)生的干擾，目的在于得到更為真實(shí)的轉(zhuǎn)速信號(hào)。

3.2.1 燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算

a）傳統(tǒng)計(jì)算方法。依據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)在于轉(zhuǎn)子初始加速度an的求解。傳統(tǒng)計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法，需人工選取氣體燃料控制閥（或調(diào)節(jié)汽閥）延遲關(guān)閉時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速飛升曲線，對(duì)曲線進(jìn)行一階線性擬合求解加速度。

對(duì)經(jīng)過鄰近點(diǎn)平均處理的燃機(jī)甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速飛升數(shù)據(jù)，以轉(zhuǎn)速開始飛升為時(shí)間起點(diǎn)，數(shù)據(jù)采樣率為5 000 Hz，時(shí)間間隔選取0.06～0.4 s，每0.2 ms對(duì)增加的數(shù)據(jù)點(diǎn)重新進(jìn)行一階線性擬合。由其加速度及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算值可知，選取不同的時(shí)間間隔，其加速度值在131.138～169.771 r/（min·s）之間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算值在19 351～25 051 kg/m2之間，統(tǒng)計(jì)平均值為20 519.419 kg/m2。

b）S 型函數(shù)擬合。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速飛升曲線符合S 型曲線增長(zhǎng)模式：轉(zhuǎn)折期，轉(zhuǎn)速增長(zhǎng)最快；減速期，轉(zhuǎn)速增長(zhǎng)逐漸變慢；飽和期，轉(zhuǎn)速增長(zhǎng)趨于平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值。其擬合公式如式（3）所示。

利用S 型函數(shù)加LM（levenberg-marquard）算法對(duì)轉(zhuǎn)速上升部分進(jìn)行非線性最小二乘擬合，對(duì)擬合曲線進(jìn)行一階微分處理求解轉(zhuǎn)子最大加速度，結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)子初始最大加速度為164.174 r/（min·s），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算值為20 010.091 kg/m2。此算法與傳統(tǒng)選取時(shí)間間隔計(jì)算方法相比，其計(jì)算偏差為2.48%。

3.2.2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算

甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速飛升可分為3 個(gè)階段：一是調(diào)節(jié)汽閥延遲關(guān)閉時(shí)間，進(jìn)汽量Q 保持不變，轉(zhuǎn)速接近直線規(guī)律上升；二是調(diào)節(jié)汽閥關(guān)閉時(shí)間，進(jìn)汽量Q逐漸減小，轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，轉(zhuǎn)子加速度逐漸減??；三是有害容積做功，轉(zhuǎn)速飛升至最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子加速度逐漸趨于零。分別通過下述兩種方法對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行求解。

a）傳統(tǒng)計(jì)算方法。對(duì)經(jīng)過鄰近點(diǎn)平均處理的甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速飛升數(shù)據(jù)，以轉(zhuǎn)速開始飛升為時(shí)間起點(diǎn)，數(shù)據(jù)采樣頻率為5 000 Hz，時(shí)間間隔選取0.05～0.2 s，每0.2 ms 對(duì)增加的數(shù)據(jù)點(diǎn)重新進(jìn)行一階線性擬合。其加速度及轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算結(jié)果顯示，選取不同的時(shí)間間隔時(shí)，其加速度值在305.464～338.223 r/（min·s）之間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算值在5 053～5 595 kg/m2之間。

b）S 型函數(shù)擬合。利用S 型函數(shù)加LM 優(yōu)化算法對(duì)轉(zhuǎn)速上升部分進(jìn)行非線性最小二乘擬合，對(duì)擬合曲線進(jìn)行一階微分處理求解轉(zhuǎn)子最大加速度，結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)子最大加速度為325.269 r/（min·s），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算值為5 254.434 kg/m2。與傳統(tǒng)選取時(shí)間間隔計(jì)算方法相比，其計(jì)算偏差為1.49%。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)特征值計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表3 機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)特征值計(jì)算結(jié)果

對(duì)比上述兩種計(jì)算方法，得出如下結(jié)論。

a）S 型函數(shù)符合甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速飛升規(guī)律，對(duì)轉(zhuǎn)速上升階段有很好的擬合效果。轉(zhuǎn)速飛升初始階段，轉(zhuǎn)速變化劇烈，利用一階線性擬合求解得到的加速度值與實(shí)際值嚴(yán)重偏離。

b）利用S 型函數(shù)加LM 優(yōu)化算法對(duì)轉(zhuǎn)速上升部分進(jìn)行非線性最小二乘擬合求解最大加速度，其解具有確定性，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值較為貼合，且消除了人工選取間隔造成的誤差，提高了計(jì)算精度；而傳統(tǒng)手工選取時(shí)間間隔求解轉(zhuǎn)子加速度，其加速度值與選取的時(shí)間間隔有很大關(guān)系，其值變化范圍較大，其解具有不確定性，且統(tǒng)計(jì)平均值也與時(shí)間間隔相關(guān)。

4 結(jié)束語

a）雙軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷時(shí)，主燃料閥瞬間關(guān)小，排氣溫度迅速下降造成汽機(jī)側(cè)蒸汽參數(shù)急劇下降，需立即手動(dòng)降低汽輪機(jī)負(fù)荷調(diào)整旁路逐步停機(jī)。因此，雙軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組只能分別進(jìn)行燃機(jī)和汽機(jī)的甩負(fù)荷試驗(yàn)。

b）該聯(lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐無煙氣擋板，燃機(jī)帶滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)行汽輪機(jī)100%甩負(fù)荷試驗(yàn)。需手動(dòng)控制汽輪機(jī)旁路，保證再熱器不超壓，且控制主汽壓力的飛升。高低旁最終開度維持在40%左右，主汽壓力最高達(dá)到5.41 MPa，補(bǔ)汽壓力最高達(dá)到0.47 MPa。

c）與傳統(tǒng)計(jì)算方法相比，本文提出的利用S型函數(shù)加LM 優(yōu)化算法擬合求解最大加速度的方法能夠得到較為準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，解決了傳統(tǒng)手工計(jì)算方法人工選取時(shí)間間隔造成計(jì)算偏差的問題。除此之外，由于該機(jī)組設(shè)計(jì)年代較早，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)計(jì)值無法查證，利用甩負(fù)荷試驗(yàn)測(cè)取轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)整定提供數(shù)據(jù)參考。