火電廠汽輪機閥門管理研究分析

薄健

摘 要： 闡述了汽輪機調節系統閥門管理的含義、類型，并對汽輪機啟動過程中閥門管理的應用進行了說明與分析，又通過實際電廠汽輪機DEH調節系統中的閥門管理，充分論證了DEH調節系統中閥門管理的重要性，為了能夠實現閥門管理在控制機構上所采用的特殊方式。

關鍵詞：閥門管理 切換 重疊度

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）02-0304-01

一、閥門管理基本內容及主要功能介紹

在汽輪機DEH中，閥門流量特性曲線是一個重要的函數，其調節特性曲線如果與閥門的實際特性相吻合， DEH 的控制效果就會顯露出其優勢。在DEH 系統出廠時，所設置的閥門管理曲線，通常是根據汽輪機的設計計算得到的。而在實際運行中，它往往會受到閥門的安裝過程、管道的布置等環境因素和人為因素的影響。在閥門管理這個問題中，由于各個廠存在不同程度的問題如在機組變負荷中出現負荷突變、調節緩慢，造成機組控制困難，這種情況在一次調頻過程中，也同樣顯現出來，嚴重影響了機組的安全性以及變負荷的能力。

閥門管理主要針對高壓調節汽門而言，每個閥門有一個獨立的伺服控制回路。閥門管理程序是對高壓調門的控制方式在單一閥門控制（全弧度進汽方式）即節流調節與順序閥門控制（部分弧度進汽方式）即噴嘴調節之間進行轉換的程序，用來控制和確定閥門開啟的順序。在單閥運行方式下，4個調門同時開啟調節進氣量，開啟調門的總數隨著負荷的增加而增加，能夠適應機組負荷較大的變化，并且汽缸轉子軸向上受熱膨脹均勻，但單閥運行時由于每個調門都動作，節流損失較大，對機組的經濟性不利。當機組定壓運行帶部分負荷時，采用順序閥控制能使調門的節流損失減少，因此機組獲得較高的熱效率。但是，此方式存在金屬受熱不均產生熱應力和葉片受到沖擊產生振動等問題，因此機組變負荷能力受限。為了消除主汽壓力變化和高負荷對調門流量特性的影響，在流量-閥位轉換之前，先對流量請求信號進行主汽壓力與負荷的動態修正。

閥門管理的主要作用是將負荷控制回路輸出的流量請求信號變成閥位請求信號，并能在人工干預下，根據機組安全、經濟運行和變負荷要求實現在線單閥/順閥的無擾切換，并且能夠實現閥門流量的線性化，并將單閥或順序閥控制方式下的流量請求值轉換成相應的閥門開度信號。

閥門管理的主要功能如下：

（1）實現在線單閥/順閥的無擾切換。

（2）在閥門控制方式轉換期間，若負荷設定值不變，則DEH能夠保持負荷基本不變。

（3）實現閥門流量特性線性化，并將單閥或順序控制方式下的流量請求值轉換成相應的閥門開度信號。

（4）保證DEH系統能均衡地從手操方式切換到自動方式。

（5）提供最佳的閥位位置。

由順閥控制和單閥控制熱效率差異曲線，表明機組在帶部分負荷時，順序閥門控制方式能提高熱效率。蒸汽通過調節閥門時總有節流損失，汽輪機運行要求盡量減少調節閥門的節流損失，以提高機組效率。一般而言，閥門的節流損失在閥門接近全關或接近最大流量時達到最小，即最佳閥位。

DEH系統根據機組負荷要求，計算出參數與蒸汽流量對應，將此請求值輸入到閥門管理程序中，以控制閥門開度。

輸入的流量值是按額定主汽壓力確定的。當主汽壓力不等于額定值時，同樣的調節閥門開度所獲得的蒸汽流量就不能滿足控制的需求，負荷就達不到要求值。此種情況，我們可以通過負荷控制回路來加以校正。若在轉換成調門開度前，將控制輸出要求的流量當前的主汽壓力校正，然后再按校正后的流量轉換成相應開度，按此開度去調整閥門就能使負荷達到要求值，這就是前饋校正。

負荷對蒸汽流量請求的修正：在低負荷工況下，調門開度小，前后壓差大，調門內部臨界流動，此時，流量和調門開度成一一對應關系。但是隨著負荷的增加，調門背壓升高，前后壓差減小，調門內部變成亞臨界流動，流量不僅與開度有關，而且與背壓也有關系。不同差壓下流量系數計算公式分別如下所示：

其中：蒸汽流量；蒸汽修正系數；過熱溫度；閥門前后壓差；閥前壓力；閥后壓力通過改變調節汽門的開度來實現對汽輪機的轉速控制和功率控制。在單閥控制方式時，高壓調節汽門開度基本是一樣的，計算較為簡單。在順閥控制方式時，需要確定閥門的開啟順序，單獨計算各個閥門的開度。這也是進行汽輪機調節經濟性分析的基礎。

二、閥門流量特性優化

因為閥門的實際流量特性客觀存在很難更改，所以在閥門流量特性的優化方案中，我們根據所測得的閥門實際流量特性曲線，優化相應的閥門管理曲線。我們根據所取得的各閥門的實際流量特性曲線的反函數作為閥門管理曲線，即可實現對單閥管理曲線的優化。對于順閥管理曲線的優化則需要根據單、順閥管理曲線之間的關系進行相應的優化。目前，有兩種模式：1.單、順閥之間采用比例、偏置修正模式；2.單、順閥各自采用不同的閥門管理曲線。

三、閥門切換

閥門管理實質是通過噴嘴的節流配汽（單閥控制）和噴嘴配汽（順序閥控制）的無擾切換，解決變負荷過程中均勻加熱與部分負荷經濟性的矛盾。這樣就出現單閥和順序閥的概念。單閥模式下，調節級全周進汽，葉片均勻受熱，負荷改變速率快，節流損失較大，熱效率低。而順序閥模式下，節流損失減小，改善了機組的熱經濟性，但葉片受熱不均勻，負荷變化速率慢。因此，在冷態啟動或低參數下變負荷時一般采用單閥方式。在變負荷過程中希望用節流調節改善均熱過程，而當均熱過程完成后，又希望用噴嘴調節來改善機組效率，這種工況下要求運行方式采用單閥/順序閥切換來實現兩種調節方式的無擾切換。

對于定壓運行帶基本負荷的工況以及滑壓運行的調峰的變負荷工況，由于調節閥門接近全開狀態，節流調節和噴嘴調節的差別很小，閥門切換的意義不大；部分負荷對應于部分壓力；對于定壓運行變負荷工況，在變負荷過程中希望用節流調節改善均熱過程，完成后，又希望用噴嘴調節來改善機組效率，因此這種工況下要求實現單閥/順閥的無擾切換。

四、閥門重疊度影響分析

一般而言，重疊度大，則調門的節流損失大，經濟性差；重疊度小，則會使調門總流量特性的線性度變差，影響調節系統的穩定。采用噴嘴調節時，多個調門依次開啟，在前一個閥門未完全開啟時，下一個閥門便提前打開。當前閥門全部打開時，下一個閥門提前開啟的量稱為閥門的重疊度。分為行程重疊度和壓力重疊度兩種類型。

按照優化方案實現單閥順序閥切換后，又進行了機組在單閥和順序閥兩種方式下帶負荷的穩定性試驗、高壓缸效率試驗， 試驗顯示，機組在負荷較低時，單閥方式下高調閥開度較小，節流損失較大，與順序閥方式比較， 高壓缸效率較低，經濟性較差。

在調門開啟過程中，小開度大壓差時，調門內為臨界流動，此時通過調節汽門的流量線性地正比于調節汽門的升程。如果汽門繼續開大，雖然汽門的通流面積仍在增大，但汽門前后的壓差減小，流量隨升程增大的趨勢變緩。隨后，即使汽門升程繼續加大，但受汽門喉部尺寸限制，流量增加很小。通常認為：汽門前后的壓力比為 0.95～0.98時，即認為汽門已全開。調節汽門的有效相對升程約為25%。

目前大型火力發電機組均設有閥門管理功能，使機組在不同工況下，進行單閥和多閥調節切換功能。而閥門試驗中的超速試驗，可使檢修人員系統觀察汽輪機的控制性能，及時發現問題，保證機組的安全穩定運行。

參考文獻

[1]林葳. 汽輪機DEH系統高調門控制故障及其分析[J].科技與企業.2013，3.

[2]董清平，劉紅飛. DEH閥門流量特性曲線對機組協調控制的影響[J].科技與業.2013，2.