一、引言
就提高大型发电机组的启动与并网速度而言，中压缸启动被认为是较安全的快速启动方式。然而，该启动方式必须配备汽轮机旁路系统，且启动带负荷后切缸较为复杂，必须谨慎解决同旁路控制相互协调的难题。对于无旁路系统的大型汽轮发电机组，仅能采用高压缸启动方式。然而，高压缸启动过程常常会出现高压缸排汽温度水平较低以及再热蒸汽过热度低，从而导致中、低压转子叶片易于发生湿蒸汽的水冲蚀。蒸汽温度水平低可能致使中压转子温度越过金属脆性转变温度时对应的转速接近最高转速3000r/min，最终使得机组启动过程转动部件在机械性能方面面临严峻的考验。另外，偏低的蒸汽温度使得汽轮机缸体与转子的温升速率偏低，汽轮机通流部分金属膨胀迟缓，极大制约了机组的启动速度。在机组寿命管理限制条件许可下，如何提高机组的启动、并网速度是该类型机组启动过程亚待解决的一个难题。为此，有必要寻求一种实用的汽轮机高压缸启动方式，并将该启动方案的控制策略融于现有机组DEH控制系统中，以完成相应的启动过程的自动控制功能。
本文针对某大型汽轮发电机组的启动过程，研究出了一种带有中压缸进汽压力限制的启动方案及其对应控制策略，并在DEH系统中组态相应的控制策略，通过在工程实际应用过程中不断进行控制回路的优化与完善，最终实现了预想的启动过程，并获得了非常满意的控制回路调节品质。
二、中压限制及启动控制策略
2.1中压限制的启动方案
启动暖机过程一方面利用蒸汽的热能转化为机械能驱动转子，另一方面则利用蒸汽的热能来加热缸体及转子的金属。两项能量是彼消此长的关系，因此可以通过减少单位质量蒸汽在高压缸中的做功能耗，提高通流部分流动蒸汽的热量水平，从而加快机组通流部分金属的加热与膨胀速率，改善中、低压部分工作条件。图1为蒸汽在汽轮机高压缸通流部分的膨胀做功过程烩嫡图，对图1进行分析后可得出其内在机理."
在图1中，锅炉产生的新蒸汽(其参数对应0点)，在汽轮机内按照曲线01膨胀至状态点1。如果通过提高高压缸排汽压力(即提升中压缸的进汽压力)，相应高压缸排汽压力由P1升至P2，对应的高压缸排汽温度从Tl提高至T2，从而使整个高压缸的温度平均水平抬高，有利于高压缸与转子的均匀快速加热。与此同时，经过再热器加热后的再热蒸汽温度也得到相应的提高，相应的蒸汽过热度也得到了提高，有效防止了启动过程蒸汽过热度不足导致叶片湿蒸汽的过度冲蚀，并且有利于中、低压转子与缸体金属的快速加热膨胀。但是机组的再热汽压力也不能无限制抬高，需考虑到启动过程的新蒸汽参数水平、高压缸排汽温度上限及蒸汽实际的做功能力。
从上述的理论分析结果可知，通过控制中压缸进汽压力在某一给定水平，可以有效防止由于中压缸进汽的过热度偏低带来的叶片过度冲蚀现象，进而可以安全地提高无旁路系统的机组启动速度。我们把这种启动方式称作“具有中压限制功能的汽轮发电机组启动”。
2.2具有中压限制功能的启动控制策略
由上节分析结果可知，要使无旁路系统的大型汽轮机安全、快速启动，启动过程中需对中压缸进汽压力进行有效控制。控制中压进汽压力可通过调整中压调节阀门的开度达到，实际控制回路可以采用PID(比例积分微分)控制策略进行偏差反馈控制。然而，机组启动过程中，本质上是通过高压调节阀门控制汽轮机转速的，当中压调门参与中压缸进汽压力控制后，中压调门开度变化必会直接影响汽轮机进汽量，即影响到机组的转速控制。换言之，当高压调门开度不变时，中压调门开大后，由于通流面积与蒸汽通流量的增加，势必使汽轮机的转速增加，相应的中压进汽压力随之下降。而当中压调门开度不变时，高压调门的开度增大后，汽轮机转速升高，中压进汽压力也有上升的趋势。由此可知，转速与中压进汽压力本质上构成了相互祸合的 2×2 多变量控制对象。相应的控制对象方框图如图2所示。图中，Gpov(s)、GNIv(s)分别为中压调门开度μiv、对中压进汽压力与转速影响的传递函数;Gpcv(s)、Gncv(s)分别为高压调门开度μcv 对中压进汽压力与转速的传递函数。
相比而言，高压调门的开度增大后，汽轮机转速变化较为明显，但中压进汽压力相对变化不明显。即中压调门开度对中压进汽压力的静态增益系数明显大于高压调门开度对中压进汽压力的静态增益系数，即：
式(l)中极限的理论依据是单位阶跃响应终值定理。依据多变量控制理论，在控制系统设计过程中，应该选择中压缸进汽压力作为中压调节阀门开度的主控制变量，而高压调门仍然保持控制汽轮机转速。显然，对于多变量控制系统，由于各个控制通道的相互影响，不能直接按照单回路控制系统进行设计。为提高回路控制品质，有必要对其进行解祸设计。本文仅从解决实际问题的简单、实用性出发，在控制系统设计过程中，解藕仅仅采用了一种不完全的、单向、近似解藕的方法，具体的控制系统见图3。
其中， 分别为中压进汽压力与转速控制通道的控制器传递函数;pI、plr、n、pr分别为中压进汽压力实际值、设定值以及转速实际值、设定值。通过转速PI控制器得出的高压调门指令乘以系数创该系数在普通转速控制中亦存在)获得的名义上中压调门开度指令，该名义指令同中压进汽压力调节器计算后的指令比较经小选功能块选取小者作为中压调节门的开度指令。该控制策略的处理仍然是考虑机组正常启动时，中压调门的开度指令原则上是高压调门指令的某一倍数，与此同时，兼顾中压限制回路保证中压进汽压力不能低于某设定值，故而在控制策略中进行了2控制信号的小选处理。
按照仁述控制原理方框图将相应的控制策略在DEH中完成组态，并按照经验预先设置了控制回路中相关调节参数，如表1所示。
2.3控制效果
上述方案在某660MW汽轮发电机组第1次启动时投入运行。在启动过程中对压力控制回路调节参数进行相应的整定，启动初期控制效果基本上还能接受，但是启动后期的转速控制波动剧烈，如图4所示。
图4表明，在机组升速过程中，由于中压进汽压力时常低于设定值，导致中压调门完全关闭，试图将压力维持在期望值。后果是蒸汽在汽轮机中压缸中并没有真正意义上的流通。当中压进汽压力抬高之后，中压调门又快速开启，这种中压调门的快速波动致使汽轮机转速波动剧烈。该现象本质是2个藕合回路均为快速回路所导致，加之未完全解藕，故而产生了被控变量剧烈波动、调节品质极差的现象发生。为了保证启动过程中转速过渡过程稳定，必须对该控制回路进行优化与完善。
三、控制系统的优化
由上节分析可知，转速波动较大的直接原因是中压调门波动较大，甚至将阀门整体关闭，引起了转速控制回路发生振荡。为此，可以从2方面考虑找出对应的优化策略：(l)必须在控制系统中克服中压调门完全关闭的现象发生，即保证中压调节阀门有一最小开度。(2)正是由于压力回路是一快速通道，使得其对调节阀门开度变化过大，可以将该回路整定得慢些，从而使2控制回路的工作频率能尽可能避开。
3.1 优化方案一
为了防止中压调门快速波动导致转速剧烈波动的现象，对原来的控制回路进行了修改，保证中压调门有一最小开度(假设为2%) ，如图5所示。在原有控制策略中增加一个大选模块，使得中压调节阀门的开度指令不小于A值(2%)。
机组再次启动后，机组转速能够平稳过渡，且升速过程中转速动态超调量不大于lr/min，达到了满意的控制品质。具体见图6所示。
图6表明，中压与高压调节汽门基本上能够平稳开启，但在1000r/min至 3000r/min升速过程中发生了2次调门的大波动，其本质原因是中压限制而引起。机组转速到目标直后，2控制通道有相互干扰发生的趋势，仍有优化的空间。为此进行了第2次控制系统的优化与完善。
3.2 优化方案二
考虑到2回路会发生相互干扰，尽量将2回路的工作频率相互避开。另一种优化方案就是保证控制回路原有基本框架不变，考虑到中压控制回路的
调节品质要求并不是很严格，可以将压力调节回路整定得温和些，使得中压调门慢慢动作，其工作频率降低，远离转速控制回路的工作频率。优化前后的具体调节参数对比如表2所示。
表2中的数据表明压力控制回路中的调节参数如比例系数变小，积分时间加长，其目的均为减弱压力限制控制回路的调节作用，使得回路工作频率减少，避开转速工作回路。
这种解决方案成为最终应用方案，调节品质完全满足运行的要求，见图7。
图7表明整个升速过程中，转速能够平稳过渡，只是在10O0r/min 停留过程中大概有最大60r/min的动态偏差，当转速设定值继续上升至3000r/min后，机组实际转速能几乎没有任何动态超调量过渡至3000r/min。转速控制回路品质良好。而压力控制回路的品质虽未达到理想的效果，但确实尽可能保证了低压、低温的蒸汽进入中压缸，有效防止了中低压部分的寿命过度损耗，从而保证了机组长期、安全、可靠地运行。
3.3 优化方案的比较
工程实践表明，方案一存在一个明显的缺点就是过热度低的蒸汽可能会长时间进入汽轮机通流部分，威胁到机组的寿命与安全，而且冲转过程后半段调门偶尔会发生剧烈波动。方案二实际转速虽然没有方案一控制得那么精准，但是控制品质完全符合要求，而且可以有效克服方案一中的不足之处，保证不合格的蒸汽不进入中、低压通流部分，这也正是中压限制功能最本质、最重要目的。因而，方案二被选作最终的优化控制控制策略，机组后续的冷、热态启动过程均表明了该控制策略完全适用机组的整个启动过程。
四、结语
本文介绍了一种无旁路系统大型汽轮发电机组启动控制策略，通过在实际应用过程中不断优化控制策略，并在某台660MW机组上成功实现了快速暖机启动。文中通过对汽轮机启动时的蒸汽热力过程进行深入分析，并结合启动过程中转速和中压缸压力的藕合特性与控制解藕的工作，最终得出了最优的控制方案，并进行了相应的参数整定。工程实际应用后，机组冷态启动过程中各项控制指标均达到优良，证明本文的最终控制策略切实可行。本文所提出的控制方案为无旁路再热机组的启动控制提供了理论依据和切实的借鉴。
