國產引進型300MW等級汽輪機組流量特性綜合整定試驗研究

蔡 文，程志兵，陳 文，萬忠海

（1.國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西南昌 330096；2.國家電投集團江西電力有限公司貴溪發電有限責任公司，江西 貴溪 335400）

0 引言

伴隨著新能源裝機容量的迅猛攀升以及交直流特高壓的大量投運，我國電力行業電源結構和網架結構整體發生了重大變化，對電力系統安全穩定運行提出了更高要求。作為可用規模最大的輔助調頻調峰手段，相比抽水蓄能、儲熱、電化學儲能、飛輪儲能以及燃機等，煤電機組變負荷成本較低，安全保障性較好，但其機網協調性能不僅響應速度相對較慢，而且動作準確性也存在較大提升空間。這是因為汽輪機高壓調節閥屬于“快開型”調節閥，其調門流量特性（數值上表征為閥位指令與進汽流量百分比之間的函數關系）具有典型的非線性特征[1]。這一非線性特征不僅與高壓調節閥（含預啟閥）結構、閥桿全行程位移以及汽輪機通流結構等密切相關，而且還受到運行工況的影響，較為典型的就是同一調節閥所處閥門開啟順序不同，其流量特性的數值表征函數亦不相同。DEH系統配汽函數負責調節閥（組）進汽流量的線性度矯正及綜合管理，進而實現汽輪發電機組的轉速與功率的控制[2]。從控制角度而言，配汽函數直接決定著單閥方式或順序閥方式下FDEM流量指令與各調節閥閥位指令的數值對應關系（可直觀地擬合成單閥方式或順序閥方式的配汽曲線）；因此，配汽函數能否正確反映高壓調節閥（組）的非線性特征直接決定了汽輪機組流量特性的線性度。顯然，汽輪機組進汽流量需求與實際流量之間的偏差越小，彼此相互越線性，越有助于提升汽輪機組的機網協調動作準確率。

間接法配汽組態模式將FDEM流量指令（即實際流量需求）轉換為臨界流量需求來統籌單閥方式和順序閥方式的配汽管理。但在具體實現過程中，由于中間函數物理意義不明晰且結構復雜，準確性干擾環節多，現場整定及實施困難較大，準確性不高[3]。一方面，就函數模塊架構而言，調門流量特性函數F（X4）往往是單閥方式和順序閥方式配汽組態的公用模塊，與遵循既定閥序數值映射的配汽原則相違背，是間接法配汽函數組態結構的先天缺陷；另一方面，在常規配汽函數整定實施過程中，各調節閥的單閥流量修正函數F（X3）均以所有調節閥全開時的總臨界流量為標幺值，由順序閥背壓修正函數F（X1）換算得到，如此一來，各調節閥的函數F（X3）完全相同；同時，調門流量開度函數F（X4）一般由單個調節閥在其他調節閥處于全開狀態下的全行程調門流量特性試驗獲得，未考慮調節閥實際閥序的影響。如此一來，兩方面因素使得單閥方式與順序閥方式的流量線性矯正無法兼得；故此，間接法配汽組態機理存在內在矛盾。因此，合理改進間接法配汽函數整定方法對于提升該類型機組的進汽流量控制精度和提高現場整定、實施效率有著積極意義。

1 案例機組簡介

某電廠3號汽輪機組系上海汽輪機有限公司引進美國西屋公司技術制造的N300-16.7/538/538型亞臨界、中間再熱式、高中壓合缸、雙缸雙排汽、單軸、冷凝式汽輪機，1998年1月投產發電。該機組調速系統為DEH數字電液控制系統，高壓缸進汽部分配置了兩個高壓主汽閥及六個高壓調節閥。2010年，該機組完成了高、中壓缸通流部分改造，改造后機組銘牌變更為N340-16.7/538/538型。

3號機組DEH閥序方式包含單閥和順序閥，順序閥閥門開啟順序為CV1/2（同步）→CV6→CV5→CV3→CV4。DEH配汽函數采用“間接法”組態模式（如圖1），即流量指令（FDEM）經過若干中間轉換函數的換算形成每個高壓調節閥的閥位指令。其中：順序閥背壓修正函數F（X1）反映了順序閥下的“實際流量百分比-臨界流量百分比”的數值對應關系；流量分配函數KX+B反映了順序閥下CV1/2（同步）→CV6→CV5→CV3→CV4各噴嘴組臨界流量占汽輪機總臨界流量的比例關系；函數F（X2）反映了順序閥下的前后調門間的閥位重疊關系；單閥流量修正函數F（X3）給出了單閥方式下的FDEM流量指令與汽輪機總臨界流量的數值對應關系；函數F（X4）為單個調節閥噴嘴組的“閥位指令-臨界流量百分比”流量特性函數。

圖1 間接法配汽函數組態示意圖

2 流量特性試驗現狀分析

在完成該機組單閥流量特性試驗和默認重疊度順序閥流量特性試驗后，分別得到該機組在原配汽函數下的單閥和順序閥流量特性；經分析，存在以下幾個問題（見圖2）：

1）在60%～100%實際流量范圍，單閥、順序閥流量特性均不同程度地偏離1:1流量參照線，即DEH系統的FDEM流量指令與汽輪機的實際流量相互不一致；同時，二者之間的偏差隨流量指令的減小逐漸增大，易造成閥序切換時系統參數波動大。

圖2 現場流量特性試驗結果

2）在順序閥流量特性曲線中，調節閥重疊度設置不甚合理，在各調節閥重疊度區域均存在流量緩滯現象，未能實現重疊區域進汽流量的線性平滑（見圖2），是調節閥重疊度整定過小的典型表現；同時，調門大致在閥位指令40%進入流量控制相對薄弱的“空行程區域”，原配汽函數在調門空行程區域給定的開啟速率過快，易引發調門的異常晃動且不利于EH油系統的安全運行。

3 原因分析

1）原配汽組態中函數F（X4）僅是調節閥理論計算結果，與現場實際情況存在較大偏差；

2）原配汽函數中六個進汽調節閥的F（X4）完全一致，既忽視了調節閥結構的個體制造偏差，也忽視了調節閥所處閥序不同對其流量特性的影響；

3）引進型間接法建立在不同調節閥控制方式下的特有規律基礎之上，即單閥和順序閥兩種閥控方式下的臨界流量曲線近乎重合（圖3）。但這是一種粗略的方法，其忽視了調門非線性特征在不同閥門開啟順序下的流量特性的差異。在組態中，F（X4）作為單閥、順序閥共用模塊，通常采用順序閥下的測試結果；而F（X3）又必須遵循機組單閥方式下的特有規律（通常由順序閥最大臨界流量標幺計算得出），對于六個調節閥完全一致。二者串聯，必然使得單閥方式下六個調節閥開度彼此不同。事實上，在機組通流部分改造后，原順序閥背壓修正函數F（X1）已不符合3號機組現場實際情況；而原配汽組態中的單閥流量修正函數F（X3）也與原順序閥背壓修正函數F（X1）無關；換而言之，原配汽函數也不符合引進型配汽函數的技術要求（盡管其存在先天缺陷和內在矛盾），暴露出配汽函數整定值的給出存在較大的不確定性或隨意性。

圖3 汽輪機組臨界流量特性

4）3號機組調門空行程區域調節閥開啟速率過快的直接原因在于調節閥重疊度函數F（X2）采用線性方式來簡化處理具有非線性特性的調節閥；同時，調節閥重疊度整定缺失相關技術規范或作業標準，難免出現重疊區域內進汽流量的線性失常（如前所述的流量緩滯現象）。

4 綜合整定方法

1）嚴格遵照1號機組各調節閥的既定閥序，獲取其單個調節閥流量特性函數F（X4）；

2）將零重疊度調節閥（組）按既定閥序依次關閉過程中記錄的實際流量結果直接視為FDEM流量指令本身，便可得到反映出汽輪機固有流量特性的標定參照曲線；該標定參照曲線可起到配汽曲線整定自查作用；

3）依據試驗數據，逐一標記各調節閥閥位指令與相應實際流量，整理出單個調節閥的實際流量增益函數；通過該函數反向插值計算，即可回溯機組在原配汽曲線下的流量特性，同時，也無需通過試驗即可預測機組在新配汽曲線下的流量特性。

4）整定后的調節閥重疊度函數F（X2）依照調節閥重疊度規范化整定技術[4]，并采用非線性分段函數形式，有效控制了調節閥空行程區域的開啟速率（見圖4）。

圖4 調節閥重疊度整定

5）根據單個調節閥流量特性F（X4）的差異性，整定出各自的單閥流量修正函數F（X3）；同時，在調節閥小開度區域（＜15%）采用嫁接方案，配汽曲線與整定前保持一致，以利于連續以往開機操作習慣（見圖5）。

圖5 流量特性整定效果現場驗證

依據上述方法步驟，將整定值輸入DEH系統配汽組態當中，并開展現場試驗驗證。結果顯示（見圖5）：整定后單閥和順序閥流量特性曲線均與1:1流量參照線近乎重合，有利于不同閥控方式下的進汽流量的精確控制和在線無擾切換；同時，遵循各調節閥實際流量特性，調節閥重疊度、空行程開啟速率以及預啟閥行程等均做了相應調整，既避免了調門空行程運行失穩，又大幅降低了重疊度本底節流損失，提升了機組運行經濟性。

5 結語

引進型間接法配汽方式基于汽輪機組在不同調節閥控制方式下的普遍規律之上，通過流量比貫串并統一了單閥和順序閥的臨界流量需求，進而實現單閥和順序閥配汽的統籌管理。但該組態結構存在先天缺陷和內在矛盾，若按常規做法，單閥和順序閥流量線性均難以實現有效的流量特性非線性矯正且二者的流量特性線性也不可兼得。

針對引進型機組間接法配汽組態的結構特征，遵循既定閥序數值映射的配汽原則，準確反映并還原出高壓調節閥（組）的非線性特征，同時，通過多方法綜合運用及實施，消弭了間接法配汽組態結構存在的先天缺陷和內在矛盾，兼顧了單閥和順序閥流量特性二者的非線性矯正，解決了引進型間接法配汽函數整定工作難度大，效率低且準確性干擾環節多的難題，對于提升引進型間接法配汽機組的進汽流量控制精度和提高現場整定、實施效率有著積極意義。