汽輪機(jī)閥門流量特性曲線優(yōu)化

華興魯，梁金坨，孟 帥

(1.國電電力邯鄲熱電廠，河北 邯鄲 056004;2.遼寧大唐新能源有限公司，沈陽 110000;3.河北馬頭發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056000)

1 概述

調(diào)節(jié)閥流量特性是指汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥門開度與流經(jīng)蒸汽流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，機(jī)組在長期運(yùn)行之后調(diào)門實(shí)際流量特性曲線會(huì)與DEH預(yù)設(shè)的曲線相偏離，引起機(jī)組在投入AGC時(shí)負(fù)荷突變、高調(diào)門擺動(dòng)、節(jié)流損失加大等問題，影響機(jī)組的負(fù)荷控制精度和一次調(diào)頻能力，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起轉(zhuǎn)子的劇烈震蕩。

某廠汽輪機(jī)為NC350-24.2/0.4/566/566型凝氣式汽輪機(jī)，額定負(fù)荷為350 MW。機(jī)組于2018年大修后出現(xiàn)了高調(diào)門擺動(dòng)大、同時(shí)伴有一次調(diào)頻不合格、AGC響應(yīng)遲緩等問題，并隨著時(shí)間的推移越來越嚴(yán)重。對(duì)閥門管理環(huán)節(jié)進(jìn)行了試驗(yàn)，獲取了閥門信息，計(jì)算實(shí)際高調(diào)門流量特性曲線，利用最小二乘法獲取了新的流量特性曲線，將修正后的帶有重疊度的汽輪機(jī)調(diào)閥流量曲線預(yù)置入DEH中。

2 調(diào)門流量特性試驗(yàn)

汽輪機(jī)調(diào)門流量特性試驗(yàn)是獲取閥門流量開度特性曲線的方法。由于汽輪機(jī)單閥流量測試較為簡單，順序閥流量特性受每個(gè)閥門流量特性、流量分配。重疊度等因素影響，較為復(fù)雜，實(shí)際生產(chǎn)中，在部分負(fù)荷情況下一般采用順序閥控制方式，因此，針對(duì)順序閥方式下的流量特性進(jìn)行研究，該機(jī)組的順序閥開啟順序?yàn)?GV4+GV5→GV6→GV3→GV2→GV1。

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

a.在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，負(fù)荷由低到高進(jìn)行，順序閥控制選用沒有重疊度的控制方式，測試調(diào)門開度由0逐漸上升至100，在最低或額定負(fù)荷時(shí)增加單個(gè)閥門試驗(yàn)點(diǎn)。

b.在一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，保持10 min穩(wěn)定運(yùn)行，且做好詳細(xì)記錄，每隔2 min做一次記錄。

c.當(dāng)主蒸汽溫度、主蒸汽壓力穩(wěn)定后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，記錄功率、主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、主蒸汽流量、調(diào)節(jié)級(jí)壓力、調(diào)節(jié)級(jí)溫度、綜合閥位、各高壓調(diào)節(jié)門閥位等參數(shù)。

2.2 閥門流量特性曲線計(jì)算

汽輪機(jī)變工況時(shí)，閥門流量特性采用佛留格爾公式計(jì)算

式中:p O為額定工況;G為等效后主蒸汽流量;P為調(diào)節(jié)級(jí)后壓力;T為調(diào)節(jié)溫度。

利用試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)帶入式(1)，即可得出順序閥下的實(shí)際流量，單個(gè)閥門的實(shí)際流量特性曲線如圖1—3所示。

圖1 GV2實(shí)際流量特性曲線

圖2 GV3實(shí)際流量特性曲線

圖3 GV6實(shí)際流量特性曲線

3 流量特性曲線優(yōu)化

3.1 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)閥門流量特性曲線的多項(xiàng)式為m=0

采用最小二乘法對(duì)具有非線性特征的閥門流量特性進(jìn)行優(yōu)化，其目標(biāo)函數(shù)為

因調(diào)節(jié)閥門的流量變化有突變特質(zhì)，即調(diào)節(jié)閥門從關(guān)閉位置到開啟位置的初期，流量的變化不明顯，而當(dāng)調(diào)節(jié)閥門開度接近全啟狀態(tài)時(shí)，閥門流量就達(dá)到了峰值，所以需要對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行一定的變化

式中:t1、t2為函數(shù)分段點(diǎn)。

利用上述的最小二乘法對(duì)試驗(yàn)獲得的閥門流量特性曲線進(jìn)行修正，可擬合出新的閥門流量特性曲線，若新的流量特性曲線和實(shí)際流量特性曲線偏差較大，可繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)高壓調(diào)節(jié)閥門原有的設(shè)計(jì)流量特性曲線，將試驗(yàn)計(jì)算所得的閥門流量特性曲線按數(shù)學(xué)模型給出的方法進(jìn)行最小二乘法計(jì)算，可擬合出新的閥門流量特性曲線，若新的流量特性曲線和實(shí)際流量特性曲線偏差較大，可繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整。因GV2、GV3、GV6閥門擺動(dòng)較大，故僅對(duì)GV2、GV3、GV6閥門進(jìn)行流量特性曲線修正。修正后的閥門流量特性曲線如圖4—6所示。

圖4 修正后GV2閥門流量特性曲線

圖5 修正后GV3閥門流量特性曲線

圖6 修正后GV6閥門流量特性曲線

3.3 重疊度計(jì)算

重疊度是在上一個(gè)閥門處于全部開啟狀態(tài)時(shí)，下一個(gè)閥門的開啟程度。重疊度若過大，即當(dāng)前一個(gè)閥門開度較小時(shí)下一個(gè)即開啟，就會(huì)引起閥門的額定節(jié)流損失增加，影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。重疊度若過小，汽輪機(jī)的AGC響應(yīng)時(shí)間會(huì)變緩，而且在負(fù)荷平緩區(qū)，閥門擺動(dòng)還會(huì)劇烈，影響機(jī)組的安全性，因而重疊度要選擇在合理的區(qū)間。

閥門重疊度有2種表達(dá)方式，即壓力重疊度和行程重疊度，一般意義的重疊度指的是壓力重疊度，但在閥門管理環(huán)節(jié)，由于閥門帶有蒸汽預(yù)啟閥的影響，行程重疊度普遍較大，所以用行程重疊度來對(duì)重疊度進(jìn)行修正。在修正好的閥門流量特性曲線基礎(chǔ)上，利用作圖法，通過給定的目標(biāo)曲線來計(jì)算2個(gè)調(diào)門之間的行程重疊度。計(jì)算好的帶有重疊度的流量特性曲線如圖7、圖8所示。

圖7 有重疊度的GV2+GV3流量特性曲線

圖8 有重疊度的GV2+GV6流量特性曲線

經(jīng)計(jì)算，GV2與GV3之間的重疊度為17%，GV2與GV6之間的重疊度為18%，GV3與GV2之間的重疊度為15%，GV3與GV6之間的重疊度為13%;GV6與GV2之間的重疊度為13%，GV6與GV3之間的重疊度為25%。修正前與修正后對(duì)比，只有GV2與GV6之間、GV6與GV3之間的壓力重疊度不合理，可按照修正好的重疊度將其修改。

3.4 結(jié)果分析

采用最小二乘法對(duì)具有非線性特征的閥門流量特性進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的閥門流量特性曲線比之前有更好的線性度，無奇異點(diǎn)。將修正后的流量特性曲線輸入到DEH控制系統(tǒng)中，閥門運(yùn)行良好。通過優(yōu)化前后閥門運(yùn)行情況對(duì)比，優(yōu)化后比優(yōu)化前閥門運(yùn)行情況更為穩(wěn)定，無大幅擺動(dòng)現(xiàn)象。

根據(jù)優(yōu)化后的閥門流量特性曲線，修正了閥門的重疊度，減少了GV6與GV2、GV6與GV3之間的重疊度，機(jī)組運(yùn)行之后，重疊度可更好的適應(yīng)機(jī)組調(diào)峰，加快AGC響應(yīng)，減小機(jī)組的負(fù)荷擺動(dòng)。

4 結(jié)束語

機(jī)組在長期運(yùn)行或大修后，閥門流量特性曲線與原理想值會(huì)出現(xiàn)偏差，對(duì)閥門流量特性曲線進(jìn)行修正是提高發(fā)電機(jī)組的變負(fù)荷能力和一次調(diào)頻性能的基礎(chǔ)。通過現(xiàn)場汽輪機(jī)閥門流量特性試驗(yàn)，利用最小二乘法優(yōu)化汽輪機(jī)高調(diào)門GV2、GV3、GV6的流量特性曲線，將優(yōu)化好的流量特性曲線輸入到DEH中，閥門運(yùn)行良好，無大幅度擺動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí)根據(jù)閥門流量特性曲線，優(yōu)化了閥門重疊度，結(jié)果顯示AGC響應(yīng)有所加快，減少了負(fù)荷擺動(dòng)。通過對(duì)于閥門流量特性曲線及閥門重疊度的優(yōu)化，大幅度的提升了汽輪機(jī)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。