DEH对机组启动过程中的热应力控制十分严格,从冲转条件到暖机程度的判断,从升速率的计算到变负荷速率的限制,热应力评估器TSE都发挥重要作用.因此机组在临界转速区域内发生TSE故障,发出WTS信号时,DEH也将退出启动.
DEH退出启动时,会给转速设定功能页NS发出退出启动信号ANFABR.此时转速设定值＝当前实际转速－60r,从而确保调门可靠关闭直至退出临界转速区域后,由运行人员在OM上复置“转速设定值复位子环”后,发出SWFQ信号,DEH才会将退出启动信号ANFABR复位,并允许DEH再次设高目标转速冲转.实际投运过程中,该步将在汽机顺控第21步实现,无需操作员人为干预.
为模拟电网频率扰动,在转速测量和处理功能页中附加了一个频率变化仿真模块STFCH.当模拟电网频率扰动的命令开始,仿真模块在一定的范围内根据实际需要的变化率、幅值和持续时间给出一个模拟的频率变化量,并加到转速的实际值中.由于电网频率始终是处于一个小幅波动的过程中,实际做一次调频试验时不推荐使用该功能块,而是在延时转速设定值与实际转速偏差PSF40后另加一切换回路,切换网频偏差至人为给定数值.
1.1.2转速设定值NS
转速设定值的形成分为两大部分.第一部分是目标转速设定.目标转速NS是不同工况下汽轮机需要达到的转速设定值.将目标转速NS经过速率限制后生成的转速指令成为延时转速设定值NSV.其中延时转速设定值是有效的转速设定值,它用于转速调节器NPR进行转速控制.NS和NSV都在OM上显示.
目标转速NS形成回路由设定值调整和存贮器功能块SWS6F以及相应的控制逻辑回路构成.功能块SWS6F在不同的设置指令S作用下存储相应的设定值SV并输出,直至另一个指令发出.设置指令的优先级是按自下而上排序.八种不同工况下的目标转速设定值见表一.
表一:
序号
工况
转速设定值
说明
1
超速试验投入PSSE（取消）
＝3400
超速试验时将转速设定值上限也放大
2
过临界时升速率小或TSE故障,退出启动ANFABR;
TAB小于50％TABGNF;
汽轮机跳闸SS;
＝NT－60
在转速跟踪方式NSNF下,设定值永远小于实际值,NPR的输出为负,保证调门可靠关闭.
3
临界区域外TSE故障;
同期并网时的转速调整;
＝NSV
跟踪延时转速设定值
4
超速试验结束RSSE;
机组并网后,实际功率PEL大于最小功率PMIN延时1min;
甩负荷;
＝3000
5
升至同步转速指令NSYNC
＝3009
指令由汽轮机自启动程控STEP25发出.目标转速略高于额定转速,保证发电机正向并网
6
升至暖机转速指令NSWART
＝360
汽轮机自启动程控STEP21
7
DEH控制负荷时,NPR调节器在负荷控制LBPR与转速控制LBNP间切换产生设置指令SB
＝SVNS
根据功频一致原理计算出SVNS,目的在于保证切换时无扰
8
排除上述工况,可手动设定目标转速
由运行人员在OM设定目标转速
注：
1、优先级自上而下逐渐降低；
2、TSE故障后,汽轮机的启动失去了应力监视,因此启动需要中断或退出；
3、同步并网期间,由于电网频率是随机变动的,因此转速设定值在NSOG和NSUG间切换,延时转速设定值NSV则按一定速率在两个定值之间变动.
4、正常运行时,SVNS＝3000r/min,切至转速控制方式瞬间SVNS＝NT＋PEL×K.其中K＝STATNR*NNOM/PNOM=0.15;STATNR:
汽机转速不等率5％;NNOM汽机额定转速3000r;PNOM:
汽机额定功率1000MW.
5、在机组启动过程中（未并网）,如果延时转速设定值NSV与实际转速偏差大于30r,OM会发出DEVTOOHIGH和STOP警告,停止延时转速设定值NSV的变化,直至实际转速上升至偏差大信号消失,延时转速设定值NSV再根据目标转速按照一定的速率变动.
根据不同工况生成的目标转速设定值NS经过电气侧同步转速升/降后送至一个设定值调节器SWF0F.设定值调节器SWF0F会对输入的设定值按一定的速率限制后再输出形成所谓的延时转速设定值NSV,并将它送至转速/负荷调节器NPR功能页、甩负荷判别LAW功能页以及OM上显示.延时转速设定值是真正用于转速调节的有效设定值.
设定值调节器SWF0F有三种工作方式：
1）正常限速随动方式.在此方式下,SWF0F的输出值根据设好的速率逐渐增加或减少至输入值,SWF0F会监视输入/输出值之间的偏差,最终动态偏差为0.设定值变化的速率取决于不同的工况：
A、正常情况下的升、降速率是由温度裕度子模块WTF计算出来的,升速率OFBN和降速率UFBN通过大小选模块控制在600r/min2以内.
B、同期并网时,需要缓慢的调节转速以便同期装置能及时捕捉到同期点,因此此时的变速率预置值180r/min2.
C、超速试验时,升速率为预置值600r/min2.
2）SWF0F快速跟踪方式.在该方式下,SWF0F不再对输入值进行限速,输入值直通成为输出值.在以下工况下,SWF0F处于快速跟踪方式：
A、转速跟踪方式NSNF
B、在长甩负荷LAW发生5S脉冲内且发电机出口开关和500KV开关在后延时3S内
C、设置指令SB
D、机组带负荷运行,NPR处于转速控制方式发生甩负荷LALBNR
其中转速跟踪方式NSNF是保证汽轮机安全运行的重要手段,在机组启动过临界时发现升速率太小或TSE故障,或TAB<50%,或汽轮机跳闸后都将转速设定值跟踪实际转速－60,从而确保NPR的输出为负,调门可靠的关闭,并将NSNF信号储存,直到汽轮机再次发出升至暖机转速指令,或升至同期转速指令,或汽机转速落在临界区域外时由操作员手动或汽机顺控STEP21复置“转速设定值复位子环”后发出SWFQ指令才可将转速跟踪指令复归.由于汽轮机临界转速区范围很宽,汽机跳闸后转速很快落在2850r以下,在这短时间内,操作员难以做出跳闸原因的正确判断,所以汽机跳闸后很难再次立即恢复冲转,需要转速惰走到390rpm以下,避开临界转速区,机组才能再次冲转升速.
3）SWF0F保持方式.此时SWF0F保持前一时刻NSV,并不受输入信号变化的影响.在以下工况下,SWF0F处于保持方式：
A、启动过程中,延时转速设定值NSV和实际转速NT的偏差大于30r.
B、负荷设定值功能页PS来的停止转速设定值变化STPNS指令.开环控制系统DTS来的自动停机AUST（转速大于2850r时高速处理器FM458内部故障报警或汽机顺控STEP35未检测到发电机并网信号）或TSE故障WTS信号都将使STPNS指令有效.
典型的汽轮机启动过程中,目标转速设定值NS、延时转速设定值NSV和实际转速的变化情况如图1-1.
图1-1汽轮机启动过程中的设定转速和实际转速
汽轮机自启动程控走步到第21步,发出NSWART有效指令,将目标转速NS设定为低速暖机转速870r/min.延时转速设定值NSV按照600r/min2的速率逐渐升高,同时调门逐渐开启,汽机转速跟随NSV一起升高.经过约1h暖机,程控第23步判断暖机条件满足,由操作员手动操作RELNOMINALSPEED子环释放转速设定值至同期并网转速后,程控走步到第25步,将目标转速NS设定为同期转速3009r/min,NSV按照600r/min2的速率逐步升高,调门逐渐开大,汽机转速跟随NSV一起升高.程控走步到第31步,向DCS发送允许发电机并网信号,根据电气侧同期并网需要由电气同步转速升/降信号将目标转速NSV按照180r/min2的速率切至NSOG或NSUG,根据电气同步转速升/降信号的脉冲宽度和脉冲个数调整汽机转速至并网要求转速.并网同步结束后,目标转速NS保持为电气侧同步调整后的同期并网转速NS,直到汽机并网带初始负荷到最小负荷PMIN以上,目标转速NS切为额定转速值3000r/min.机组并网后的实际转速取决于电网频率.
1.1.3转速调节回路分析
根据汽轮机调速系统的静态特性可知,汽机的出力和转速是相互对应的.功率越大,转速越低,反之功率越小,转速越高.汽轮机的功率和转速关系曲线就是静态特性曲线,其中特性曲线的斜率就是就是转速不等率.西门子汽轮机的转速不等率是5.2％,即156r的转速偏差对应额定功率（1040MW）的变动.因此实际功率和转速偏差的对应关系就是∆n=PEL×0.15.正是由于这种严格的对应关系,所以转速调节和负荷调节的机理是一致的,因此两者的调节器可以采用同一个PI调节器.只需根据工况需要,进行一些回路的切换,即可实现转速和负荷控制的切换.它在下列工况下调节汽轮发电机组的转速或负荷：
·汽轮机启动
·与电网并网
·汽轮机带负荷
·甩负荷
·汽轮机停机
图1-2转速调节回路原理图
转速控制的原理如上图1-2.在机组启动过程中,延时转速设定NSV和实际转速NT的偏差再乘上转速不等率的倒数K4即（NSV－NT）×K4作为PI调节器前馈的输入,PI输出经过限幅处理后,加上调节器外部的转速比例直接作用部分（NSV－NT）×KDN成为转速调节器的输出YNPR.YNPR送至OSB处理,最终形成阀位指令.这就是转速控制的基本原理.实际在控制器计算时,习惯将PI调节器的输入偏差值转换成额定量程的百分数进行计算,即转速偏差另除以额定转速,功率偏差另除以额定功率.
1.2负荷控制
负荷控制与转速控制采用同一个调节器.负荷控制回路中包括四个部分,分别是实际负荷处理PEL、目标负荷设定PS、最大负荷设定值PSMX和负荷调节器NPR.正常情况下,作为被控量的负荷设定值与控制量实际负荷之间的偏差是负荷调节器的主要处理对象.但由于工频一致的因素,因此负荷控制也可以通过转速偏差来实现控制,机组对电网频率偏差响应的一次调频回路就是将频差转为负荷偏差叠加到负荷调节器的前馈中,作为一次调频消除静态偏差的部分,达到调频目的.为了实现不同控制方式下的无扰切换,在转速/负荷调节器中设置了较多的切换和跟踪回路.
1.2.1负荷实际值PEL的处理
发电机实际负荷值PEL1,PEL2,PEL3由电气侧功率传感器直接读入汽轮机调节器.在正常的运行中,选用三个负荷实际值中的中间值作为实际负荷PEL,并输出到下列的模块和自动设备中：
·运行和监控系统OM
·机组协调级BLE
·汽轮机开环控制系统DTS
·透平应力评估WTG
·转速设定值NS
·负荷设定值PS
·转速/负荷调节器NPR
·甩负荷识别LAW
模块会监视三个实际负荷值PEL1,PEL2,PEL3是否失效或偏差过大,并将失效信息STPEL1/2/3输出到OM系统.一个实际值失效或偏差过大,选用剩下两个值的大值输出；两个实际值值失效,选用未失效实际值；三个实际值均失效,选用替代值SV.
1.2.1负荷设定值PS
负荷设定值的形成回路与转速设定值的形成回路基本相同,目标负荷设定值PS先转为延时的负荷设定值PSV,再生成有效的负荷设定值PSW.其中目标负荷设定值是在设定值调整和存贮器功能块SWS6F中形成,根据不同的工况确定不同的目标负荷设定值.目标负荷设定值经过负荷变动率的限制后输出成为延时负荷设定值PSV,PSV再经过一些处理就生成有效负荷设定值PSW.
目标负荷形成回路由设定值调整和存贮器功能块SWS6F以及相应的控制逻辑回路构成.功能块SWS6F在不同的设置指令S作用下存储相应的设定值SV并输出,直至另一个指令发出.设置指令的优先级是按自下而上排序.八种不同工况下的目标转速设定值见表二.
表二
序号
工况
负荷设定值
说明
1
TSE故障WTS
＝PSV
TSE故障,机组升降负荷的热应力无法控制,因此保持当前设定值,负荷不变动.
2
汽轮机自启动程控发出的最小负荷指令PSMIN
＝PSMIN
自启动程控STEP15设定,设定值为150MW,目的是避免避免汽轮机无负荷或低负荷运行产生高压缸鼓风危险.
3
DEH控制负荷时,NPR调节器在转速控制LBNP与负荷控制LBPR间切换产生设置指令SB
＝SVPS
根据功频一致原理计算出SVPS,目的在于保证切换时无扰
4
DEH外部设定（CCS过来）
＝PSX
协调投入时,DEH接受CCS发出的负荷指令
5
停机程控发出STILL
＝PSUG
停机程控只有跳机后才会发出,此功能实际上是无效
6
初压方式下
＝PSV＝PEL
DEH切至初压方式运行时,PS跟踪实际负荷
7
目标负荷超限
＝PSB-1％
当延时负荷设定值PSV比最大负荷设定值PSB大2％时
8
排除上述工况,可手动设定
由运行人员在OM设定目标负荷
注：
1、TSE故障,或负荷限制有效BEGRIE（即PSV大于PSB时）,或DEH处于非限压方式,或机组未并网时,DEH闭锁外部负荷外部设定PSXAB；
2、DEH在初压方式下,且压力调节器有效FDPRIE时,负荷设定值开始跟踪实际负荷,以便初压和限压切换时无扰；
3、正常运行时,SVPS＝PEL－PSF,从负荷控制切至转速控制时,SVPS＝0.
4、表中的优先等级是自上而下逐渐降低.
根据不同工况生成的目标负荷设定值PS送至一个设定值调节器SWF0F.设定值调节器SWF0F会对输入的设定值按一定的速率限制后再输出形成所谓的延时负荷设定值PSV,并在OM上显示.设定值调节器SWF0F有三种工作方式：
1）正常限速随动方式.在此方式下,SWF0F的输出值根据设好的速率逐渐增加或减少至输入值,SWF0F会监视输入/输出值之间的偏差,最终动态偏差为0.负荷变化率上下限取决于热应力,运行人员手动设定时,该设定值由热应力WTF功能页与手动设定负荷变化率取小,从而避免机组升降负荷过程中热应力超标.若由运行人员设定,需在OM上的将“负荷变化率投切子环”置ON位.
2）SWF0F快速跟踪方式.在该方式下,SWF0F的输出值快速跟踪.根据优先级的不同,PSV的快速跟踪的值有所区别：
A、机组处于非负荷控制方式时LB＝0,PSV＝0,与原理图上跟踪压力偏差FDXW的修正值有所出入.此时为保证无扰切换,起跟踪作用的是NPR中的SVPS.
B、转速/负荷调节器在机组带负荷运行时,在转速调节器和负荷调节器间切换发出设置命令SB时,PSV＝SVPS.
C、目标负荷超限后,PSV＝PSB－1％.
D、初压方式下,压力调节器有效时,PSV＝PEL,跟踪实际负荷
3）SWF0F保持方式.此时SWF0F保持前一时刻PSV,并不受输入信号变化的影响.在以下工况下,SWF0F处于保持方式：
A、升负荷过程中PSVLH,压力偏差过大,限压动作GDER
B、TSE故障WTS
C、自动停机AUST
延时负荷设定值PSV叠加压力偏差修正（该压力偏差分修正实际未应用）,与最大允许负荷设定值PSB取小后再减去在限压切初压模式切换失败下的附加偏置即生成有效负荷设定值PSW.若超出负荷限制,负荷限制有效BEGRIE信号发出,闭锁外部负荷设定.
1.2.2负荷调节回路分析
负荷调节回路是一个带前馈的调节系统.前馈有两个：
一是负荷前馈,有效负荷设定值PSW乘以前馈增益KPS后,直接加到调节器的出口,目的是提高变负荷调节的响应速度,加快对电网负荷需求的响应.二是一次调频前馈,该前馈由常规受上下限幅的一次调频分量和一次调频超驰部分取大值而得.一次调频超驰部分在机组并网时始终有效,目的是出现频率大幅偏差后不论一次调频投入与否汽机均超驰调节动作,以消除电网频率偏差.有效负荷设定值PSW与实际负荷PEL的偏差再加上一次调频分量PSF580作为调节器的输入,经过调节器PI运算、双向限幅后输出与负荷和频率限制前馈叠加生成负荷调节器NPR的最终输出指令YNPR.YNPR直接被送至进汽设定值形成OSB功能页中的主小选（MIN）功能页的输入端汽轮机开环控制系统DTS.
图1－3负荷调节回路原理图
1.2.3带负荷运行时不同控制方式间的无扰切换
在前面转速调节回路分析一节中已讲过,由于汽轮机的静态特性决定了功率和频率（转速）存在线性关系,转速和负荷实际上是一个被调量,因此转速和负荷控制可以共用一个PI结构的调节器.也正由于上述原因,在机组带负荷后,机组负荷可由运行人员决定是通过转速调节器,还是通过负荷调节器进行负荷调节.另外,DEH也会检测机组的运行状态,发现机组甩负荷、发电机与电网解列等工况时会将负荷调节自动切至转速调节器.
1）并网瞬间分析
汽轮机自启动程控允许走步的一个条件就是转速/负荷调节器处于负荷控制方式,即冲转前LBPR＝1,因此机组同期并列完成后,当电网主开关一闭合LSE,机组即刻进入负荷调节器发挥作用的负荷控制阶段.此时NPR中的主要信号状态如下：
·机组在负荷调节器作用下带负荷运行LBPR（C1）＝1
·机组不在转速调节器作用下带负荷运行LBNP（C2）＝0
·机组处于负荷操作方式LB＝1,即机组并网同时（发电机出口开关和电网开关都处于合闸位）DEH在负荷调节器作用下带负荷运行LBPR＝1
·负荷操作方式下没有发生负荷中断,C10＝1
正是由于C10＝1,将转速/负荷PI调节器的输入偏差从转速偏差回路切至调频回路,同时将有效负荷设定PSW回路接通,使PI调节器的输入偏差为PSW－PEL,调节器转为负荷控制.此时的目标负荷设定值PS＝PSMIN＝15%PNOM,机组逐渐把负荷升至目标负荷.在升至最小负荷设定值期间,转速设定值为同期转速NS,该值经电气侧在并网前同期转速升/降调整至并网转速,正常并网时为正向并网,即具体并网转速值为略大于额定转速3000r,.直到机组负荷大于最小负荷设定值后,目标转速设为3000r/min.
2）运行人员在OM从负荷控制LBPR切至转速控制LBNR的分析
转速/负荷调节器有效（NPRIE＝1）,运行人员在OM上通过负荷运行方式“LOADOPMODE”预选块,可以选择不同的机组带负荷运行方式,选择1是转速控制方式LBNRB＝1,选择2是负荷控制方式LBPNB＝1.
机组并网后,正常都是在负荷调节器作用下带负荷运行（LBPR＝1）.出现某些情况,需要转换成在转速调节器作用下带负荷运行（LBNP＝1）时,NPR中的主要信号状态如下：
·机组不在负荷调节器作用下带负荷运行LBPR（C1）＝0
·机组在转速调节器作用下带负荷运行LBNP（C2）＝1
·机组退出负荷控制,LB＝0（主要原因是C1＝0）
·C10＝0（主要原因是LB＝0）
上述开关信号状态的转变,最主要由于C10开关信号从“1”置为“0”后,转速/负荷调节器的输入端切回转速控制回路.只是此时的PI调节器的输入端不同于转速控制时的转速偏差,而是先把转速偏差乘以不等率转换成负荷设定值后再减去实际负荷成为负荷偏差：
∆＝（NSV－NT）×K4－PEL,从而达到负荷控制的目的.此时的控制原理如图1-4.
图1-4转速调节器作用下带负荷运行（LBNP＝1）的原理图
为了实现两种负荷控制方式间的无扰切换,NPR中引入了SVNS和S
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