汽輪機閥門流量特性優化

劉世軍

(國網新疆電力公司電力科學研究院,新疆烏魯木齊 830011)

汽輪機閥門流量特性優化

劉世軍

(國網新疆電力公司電力科學研究院,新疆烏魯木齊 830011)

如果汽輪機閥門流量特性曲線與實際流量特性相差較大,在一次調頻動作或變負荷時,容易造成負荷變化過大或不足;同時在閥門單、順序閥切換時造成負荷波動較大,影響機組的穩定運行。DEH閥門流量特性試驗就是通過試驗的方式得到閥門流量特性曲線,以解決機組變負荷和一次調頻時,可能出現負荷突變和調節緩慢以及單、順序閥切換過程中出現的負荷擺動的現象,優化機組負荷控制精度,保證機組的安全運行。本文以某135MW機組為例,介紹了流量特性曲線的優化試驗和計算方法。

閥門流量特性 優化 安全 經濟

1 前言

閥門流量特性曲線就是閥門開度與通過閥門的蒸汽流量的對應關系。在生產過程中，汽輪機運行一段時間后或高調門解體檢修后，高調門的流量特性都會發生改變，與原調門流量開度修正函數產生偏差。DEH系統閥門流量特性曲線如果與實際閥門流量相差較大，在機組變負荷和一次調頻時，可能出現負荷突變和調節緩慢的問題，造成機組控制困難，影響了機組的安全性和變負荷能力。在順序閥方式下，如果調節閥門重疊度設置不合理，也會影響機組投入順序閥的經濟性。

因此，當出現閥門流量特性曲線不合適時，必須對汽輪機高壓調門的流量特性進行測試，根據實際情況對其控制參數進行優化整定，提高發電機組的控制品質和調節性能，保障發電機組安全、穩定運行。

圖1 閥門管理流程圖

圖2 單閥方式下閥門流量特性曲線優化前后對比圖

2 某135MW機組閥門管理簡介

某電廠135MW汽輪機組高壓調節汽門有4個，每個調節汽門均配有一個獨立的伺服控制系統，閥門的調節方式有單一閥門調節方式(全周進汽)和順序閥門調節(部分進汽)兩種。

單閥方式時所有高壓調節汽門同時啟閉，控制機組的轉速和負荷，適用于節流調節、全周進汽，該方式使得汽輪機第一級汽室內溫度分布均勻，負荷變化時汽輪機轉子和靜子之間溫差小，機組能承受最大的負荷變化率，但從經濟性角度看，主蒸汽通過調節汽門時的節流損失較大，降低了機組的效率；順序閥控制方式是隨機組負荷的改變逐個開啟或關閉調節汽門的，一般只有一個汽門處于半開啟的調節狀態，其它的調節汽門或處于全開狀態或處于全關狀態，這種調節方式下汽輪機的效率較高，但在機組變負荷時機組所能承受的負荷變化率較小。為了實現閥門管理，DEH 控制邏輯組態中一般采用流量曲線函數和一個比例偏置因子來實現，其具體邏輯流程見圖1。

表1 原單閥流量特性與計算流量的對比

表2 經過優化就算后的單閥流量特性曲線函數

表3 原順閥流量特性與計算流量的對比

表4 經過優化就算后的順閥流量特性曲線函數

圖3 混合式結構調門開度指令形成示意圖

3 閥門流量特性優化試驗

我們對某135MW機組進行了高調門流量特性試驗，試驗首先去除了閥門之間的重疊度，去除順序閥重疊度后首先進行在單閥方式下的試驗，機組退出協調方式，DEH開環控制，試驗開始前機組負荷65MW，主汽壓力在10．4MPa左右。以2～3%一級的速度增加閥門流量總指令，每增加一級后，穩定一段時間，調整鍋爐燃燒以保持主汽壓的穩定，以此方法進行試驗，直到所有閥全開流量指令為100%的工況。然后進行單閥／順序閥切換。切換后，在順閥方式下，以2～3%一級的速度減少閥門流量總指令，每減少一級后，穩定一段時間，調整鍋爐燃燒以保持主汽壓的穩定，以此方法進行試驗，直至負荷達到65MW或根據機組實際情況決定目標值。試驗過程中保持主汽壓、主汽溫度、真空的相對穩定。記錄機組第一級壓力、主汽壓力、CV1～4閥后壓力、發電機功率、CV1～4閥位指令等參數。

圖4 順閥方式下閥門流量特性曲線優化前后對比圖

4 單閥方式下閥門流量特性的優化計算

在DEH的流量分析中，閥門的實際通流量需要折算到額定主汽壓力下，折算后的流量稱為計算流量，計算流量通過如下公式計算得出

式中Q—計算流量；P1—調節級壓力；P1e—額定調節級壓力；Pt—主汽壓力；Pte—額定主汽壓力。

使用上述公式和單閥方式下閥門流量特性試驗數據可以計算出計算流量。通過比較流量指令和計算流量的差值，可以看出原流量特性曲線的優劣程度。經過整理后單閥試驗數據如表1，從表1中可以看出，當實際流量在50%～100%之間時流量指令與計算得出的閥門計算流量之間差值較大，嚴重影響了控制的穩定性。這充分說明了目前的單閥控制方式下閥門流量特性曲線與實際情況相差很大，存在優化空間。

以試驗中的計算流量作為流量指令，經過簡化及計算，保留原有的預啟開度，我們可以擬合出與實際情況較吻合的單閥方式下新閥門流量特性函數如下表2所示，優化前后閥門特性曲線圖對比如圖2所示。

5 順序閥方式下閥門流量特性的優化計算

將順序閥方式下閥門流量特性試驗數據經整理后如下表3，從表3中可以看出，當實際流量在50%～100%之間時流量指令與計算得出的閥門計算流量之間差值較大，在53%左右時甚至差值達到了28．4%，嚴重影響了控制的穩定性。這充分說明了目前的順序閥控制方式下閥門流量特性曲線與實際情況嚴重不吻合，存在優化空間。

該廠DEH中順序閥方式流量特性曲線的設置采用的是混合式閥門開度指令，邏輯框圖如圖3所示。流量比例偏置因子K+B負責對流量指令進行分配，控制各調門的開啟順序；有些情況下這一環節用折線函數替代K+B形式，作用相同。比例、偏置修正只在順序閥方式時起作用，其參數是根據閥門的設計流量和閥門開關順序來確定的，因此不同開啟順序的各個閥門其K和B的值也不相同。

具體如何計算，舉例如下:根據試驗數據，我們知道當流量指令為0%時CV1/CV2全關，流量指令為61%時，CV1/CV2全開。因此我們可以列出兩個等式，即0=K×0+B；100=K×61+B；通過解這兩個等式可以得出CV1和CV2的K=1．6393和B=0。下一個開啟的門是CV3，保留一定的開啟度，通過試驗我們知道CV3需要在流量指令為57．5%開度正好為0%；流量指令為92%時，CV3全開。同樣我們列出兩個等式0= K×57．5+B；100=K×92+B；解出CV3的K=2．2986，B=-166．67。使用相同的方法，可以得出CV4的K=9．54198，B=-854．2。

綜上所述，根據試驗數據，經過合理簡化、投影計算及選取合適的重疊度，通過對將計算出的K和B值帶入各閥門的等式，從而得到各閥門流量指令對應的開度值如表4。優化前后閥門特性曲線圖對比如圖4所示。

6 結語

該機組采用優化后的閥門流量特性曲線后，徹底解決了調門擺動、功控無法正常投入、一次調頻性能不合格等問題；通過減少閥門重疊度，還能達到節能目的，對機組運行的安全性、穩定性、經濟性都有一定的提高。從我們試驗和優化后的某廠135MW機組的應用情況看， 提高了控制穩定性和運行經濟性，值得大力推廣。