基于歷史數據的汽輪機調節閥流量特性優化

王 竹，吳 鵬，張銳鋒，龐文濤，盛德仁

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基于歷史數據的汽輪機調節閥流量特性優化

王 竹1，吳 鵬2，張銳鋒2，龐文濤1，盛德仁1

（1.浙江大學熱工與動力系統研究所，浙江 杭州 310027； 2.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州 貴陽 550000）

汽輪機在經過長期運行、汽輪機數字電液控制系統（DEH）或通流部分改造后，汽輪機調節閥的實際流量特性曲線將偏離設計值，從而影響機組一次調頻和負荷控制能力，而現場流量特性試驗存在試驗條件苛刻、耗時長、精度低等缺點。本文通過對機組歷史運行數據進行分析和挖掘，針對不同的情況提出2種方法以辨識汽輪機調節閥實際流量特性，有閥后壓力數據時采用迭代計算求出各閥門流量特性曲線，無閥后壓力數據時采用弗留格爾公式求出閥組流量特性曲線，分別通過仿真和分段線性化對DEH閥門管理曲線進行優化修正，確定閥門合理的重疊度。將該方法應用于某660 MW機組，結果表明在順序閥模式下，汽輪機調節閥流量特性曲線的線性度有了很大改善，機組自動發電控制（AGC）變負荷和一次調頻的能力得到了提高。

汽輪機；調節閥；流量特性；DEH；閥門管理曲線；變負荷；調頻

汽輪機調節閥流量特性是指汽輪機進汽調節閥開度與通過調節閥的蒸汽流量之間的關系。在生產過程中，汽輪機長期運行或調節閥解體檢修后，調節閥的流量特性將發生改變，在機組自動發電控制（AGC）變負荷和一次調頻時，可能出現負荷突變而調節緩慢，或者導致汽輪機轉子系統劇烈振蕩，嚴重影響機組運行的安全性和穩定性[1-3]。準確獲取汽輪機調節閥的實際流量特性，使汽輪機調節閥總閥位與總流量呈線性關系，從而實現機組的精確控制與優化運行，是汽輪機控制的重要環節。

目前，電廠多通過現場流量特性試驗來獲取汽輪機調節閥流量特性，但現場流量特性試驗普遍存在試驗條件苛刻、耗時長、精度低等缺點[4-6]。

在機組運行過程中，分布式控制系統（DCS）存儲了大量實際運行數據，是機組運行特性的全面、客觀反映。尚星宇等[7]采用DCS數據擬合建立蒸汽流量、閥門開度和總閥位指令之間的數學模型，利用流量校正的方法對閥門開度進行優化，最后利用BP神經網絡對優化后的閥門流量特性進行模擬還原，結果表明該方法能有效提高優化的可靠性。鄒包產等[8]基于試驗測得的實際調節閥流量特性，運用最小二乘法對實測數據進行辨識建模，確定最優調節閥流量特性曲線，并利用BP神經網絡模型預測出修正量，從而對總閥位進行校正。陳堅紅等[9]通過理論計算求出汽輪機調節級的臨界壓比，得出調節級中全開閥后的噴嘴組最先達到臨界狀態，噴嘴組壓比始終低于動葉壓比；并且級臨界壓比是僅與調節級結構尺寸有關的常數，與新蒸汽參數、機組配汽方式無關。李存文等[10]采用功率值表征機組進汽量，提出一種基于噴嘴流量計算公式的汽輪機調節閥組流量特性辨識方法，優化了流量管理函數，提高了順序閥模式下流量曲線的線性度。王剛等[11]等通過對某660 MW機組汽輪機運行歷史數據的挖掘和分析，結合其特征通流面積的特點，提出了一種新的流量特性曲線辨識方法。

本文對機組歷史運行數據進行深入挖掘，對運行數據進行預處理，剔除非穩態數據和噪聲數據，針對機組有無調節閥后壓力測點的情況提出了不同的調節閥流量特性辨識方法。有閥后壓力測點時采用迭代計算求出各閥門的流量特性曲線，通過MATLAB軟件配汽仿真對DEH閥門管理曲線進行優化；無閥后壓力測點時通過弗留格爾公式，求出閥組流量特性曲線，通過分段線性化方法對汽輪機數字電液控制系統（DEH）閥門管理曲線進行優化。以某660 MW機組為例，分別使用2種方法，結果顯示調節閥流量特性曲線的線性度有很大改善，機組AGC變負荷和一次調頻的能力得到提高。

1 數據預處理

1.1 流量特征參數選取

本文主要研究汽輪機各閥門和閥組的流量特性，因此只需選取與調節級閥門及汽輪機流量相關的參數即可，包括機組負荷、主蒸汽參數、調節級參數、高壓缸排汽口（高排）參數、總閥開度、各閥門開度、各閥后壓力等，具體見表1。

表1 機組調節閥流量特征參數

Tab.1 Flow characteristic parameters of the control valve

1.2 穩態數據篩選

2 調節閥流量特性辨識

2.1 有閥后壓力測點機組

2.1.1 迭代計算

汽輪機調節級各閥門的流量可以由通過其噴嘴組的流量確定

2.1.2 仿真優化

通過迭代計算求出調節級各個閥門全開度范圍下的流量后，對流量結果進行標幺化處理，得到各個閥門的流量-開度關系曲線。由于關系曲線包含的工況數據點較多，為后續仿真的閥門流量特性函數的確定造成了困難，運用-means聚類算法對流量-開度關系曲線進行擬合[14]，擬合出各個閥門的流量特性函數。采用MATLAB軟件中的仿真軟件Simulink搭建閥門管理模塊，對汽輪機DEH閥門管理過程進行模擬仿真。根據各個閥門的實際流量特性函數確定閥門間合理的重疊度，優化DEH閥門管理曲線，實現汽輪機調節閥配汽運行優化。仿真結構流程如圖2所示。

圖1 迭代計算流程

圖2 汽輪機DEH閥門管理曲線仿真結構流程

2.2 無閥后壓力測點機組

2.2.1 弗留格爾公式

弗留格爾公式常用來計算汽輪機級組變工況時的流量特性

式中，、、分別為主蒸汽流量、壓力、溫度，下標0表示額定工況參數，下標1表示級組前參數，下標2表示級組后參數。

弗留格爾公式不適用于蒸汽超音速流動以及閥門切換過程中的流量計算，并且其誤差主要來源于理想氣體假設[15]。因此對于無閥后壓力測點的機組，將研究對象確定為調節級后第一壓力級至高壓缸排氣口間的壓力級組成的級組，并用壓力和比容的乘積代替溫度，從而有效減小誤差[16]，改進后的弗留格爾公式為

式中，下標2表示調節級后參數，下標d表示高壓缸排汽口參數。

通過式(3)將機組的實際工況流量修正到額定工況流量，并對流量結果進行標幺化處理，得出額定工況下機組總流量-總閥位關系曲線，同樣，運用-means聚類算法對總流量-總閥位關系曲線進行擬合，即得調節級閥組流量特性曲線。

2.2.2 分段線性化

總閥位是機組DCS根據當前主蒸汽壓力及負荷指令等運行參數通過比例積分產生的計算值，汽輪機各閥門根據總閥位值確定各自開度，即閥門管理曲線[17]。在定壓運行下，機組負荷與總流量近似成正比關系，因此，總閥位是連接總流量與各閥開度（流量）的中間值。采用分段線性化的方法對閥組流量特性曲線進行優化，通過改變流量拐點和非線性段對應的總閥位值，達到改變總閥位與各閥位對應關系的目的，即優化了DEH閥門管理曲線，實現了汽輪機調節閥配汽運行優化。

3 660 MW機組算例及結果

本算例機組采用N660-24.2/566/566型超臨界、凝汽式汽輪機，調節閥為常規的四閥門配置，開啟順序為CV2/4→CV1→CV3從機組DCS數據庫中提取指定參數連續3天的運行數據，采樣周期為1 s，采集工況數據點259 200個。對提取的數據進行預處理，剔除非穩態數據和噪聲數據，得到穩態工況數據點9 583個，數據精簡效率達到96.3%。穩態工況數據庫覆蓋機組運行區間為：機組負荷321.56~668.75 MW，主蒸汽溫度477.12~566.37 ℃，主蒸汽壓力9.95~25.63 MPa。

3.1 迭代計算

通過Visual Studio平臺的MFC模塊，使用C++語言編寫軟件，實現上述迭代計算和-means聚類算法，軟件主界面如圖3所示。

從穩態工況數據庫中篩選出單個閥門全開度下的運行數據并存入Excel，所需參數包括主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、閥后壓力、調節級壓力和閥門開度。在主界面手動輸入調節級結構尺寸參數（噴嘴出口角1、動靜葉出口面積比、調節級平均直徑），然后點擊文件讀取Excel的運行數據，對各個閥門全開度范圍下的流量進行計算，最后通過聚類分析完成各個閥門流量特性函數擬合。該660 MW機組的CV1―CV4流量特性曲線以及與原設計流量特性曲線的對比如圖4所示。

分析可得CV1－CV4實際流量特性與原設計流量特性的主要偏差有2點：1）存在死區，即前5%開度段的流量為0；2）滯后性，特定開度下的實際流量小于原設計流量。因此必須根據CV1－CV4實際流量特性重新整定閥門管理函數，確定閥門間合理的重疊度，通過MATLAB軟件仿真優化后閥門管理函數見表2。

表2 優化后閥門管理函數

Tab.2 The optimized valve management function %

3.2 分段線性化

大多數時間內，機組實際運行在40%~100%額定負荷區間[18]，較低負荷段的運行數據為非穩態數據。在無閥后壓力測點的情況下，對穩態工況數據庫中的主蒸汽流量應用式(3)進行修正，同樣，對結果進行標幺化處理，并運用-means聚類算法擬合出閥組流量特性曲線，結果如圖5所示。

由圖5可知：擬合曲線能夠完全表征實際的閥組流量特性，無失真；通過與理想流量特性對比發現，在總閥位開度為75%~95%時，流量特性曲線出現下凹現象，流量變化較小。該660 MW機組總閥位開度為75%~95%時對應CV1、CV3開啟段，因此需要重新設置CV1和CV3開啟段的開度曲線以及合理的重疊度。采用分段線性化方法修正總閥位指令，優化后的閥門管理函數對比見表3中加黑部分。對比表2和表3可知，2種方法優化后的閥門管理函數基本相同，也驗證了MATLAB軟件仿真優化的準確性。

表3 優化前后閥門管理函數對比

Tab.3 The original and optimized valve management functions %

該660 MW機組采用優化后的閥門管理函數實際運行后，提取一段時間內的運行數據，同理，辨識出汽輪機閥組流量特性，優化后的閥組流量特性以及閥門管理曲線如圖6所示。由圖6可見，總閥位開度為75%~95%時的流量下凹現象得到解決，流量特性曲線的線性度得到很大改善。

4 結 語

本文對機組歷史運行數據進行深入挖掘，針對機組有無調節閥后壓力測點的情況提出了不同的調節閥流量特性辨識與優化方法。通過編寫軟件實現上述功能，較好地解決了流量特性試驗復雜、耗時長的問題，可用于指導機組實際運行優化。以某660 MW機組為例，2種方法所得結果基本一致，汽輪機調節閥流量特性得到了極大的改善，機組變負荷、一次調頻能力得到了提高。

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Research on flow characteristics of steam turbine regulating valve based on historical data

WANG Zhu1, WU Peng2, ZHANG Ruifeng2, PANG Wentao1, SHENG Deren1

(1. Institute of Thermal Science and Power System, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 2. Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang 550000, China)

After long-term operation and retrofit of digital electro-hydraulic (DEH) control system or flow path of steam turbine, the actual flow characteristic curve of the turbine’s regulating valve will deviate from the design values, thus affecting the unit’s primary frequency and load control ability. However, the field flow characteristics test has common shortcomings of severe test conditions, long duration and low precision. In this article, through analysis and excavation of the unit’s historical operation data, two methods are proposed for different situations to identify the actual flow characteristics of the steam turbine’s regulating valve. The flow characteristic curves of each valve are obtained by iteration calculation when the downstream pressure data can be achieved, or by the Freugel’s formula when the downstream pressure data can not be achieved. The DEH valve management curve is optimized by simulation and piece-wise linearization to determine the reasonable valve overlap degree. The application of this method in a 660 MW unit shows that, in sequence valve operation mode, the linearity of the flow characteristics curve has been improved greatly, and the capability of the load variation and primary frequency regulation have been enhanced.

steam turbine, regulating valve, flow characteristics, DEH, valve management curve, variable load, frequency modulation

Science and Technology Project of Guizhou Power Grid Co., Ltd. (GZ2015-2-0091)

王竹(1995—)，男，碩士，主要研究方向為火電機組運行優化，50439923@qq.com。

TK37

B

10.19666/j.rlfd.201804079

王竹, 吳鵬, 張銳鋒, 等. 基于歷史數據的汽輪機調節閥流量特性優化[J]. 熱力發電, 2019, 48(2): 39-44. WANG Zhu, WU Peng, ZHANG Ruifeng, et al. Research on flow characteristics of steam turbine regulating valve based on historical data[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(2): 39-44.

2018-04-19

貴州電網有限責任公司科技項目(GZ2015-2-0091)

盛德仁(1960—)，男，教授，shengdr@zju.edu.cn。

（責任編輯 杜亞勤）