汽輪機組順序閥配汽函數整定仿真

王小波，李侶，吳輝，吳楊輝，萬忠海

（1.南昌科晨電力試驗研究有限公司，江西 南昌 330096；2.國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌 330096；3.國家電投集團江西電力有限公司新昌發電分公司，江西 南昌 330117）

0 引言

伴隨著社會用電峰谷差幅日益擴大以及可再生能源發電和特高壓輸電等非調頻電量占比逐年迅猛攀升，煤電汽輪機組深度調頻調峰運行已成為常態，這對部分負荷下汽輪機組變工況特性產生著深遠影響[1]。現代汽輪機組廣泛采用數字電液控制系統（digital electro-hydraulic control system，DEH）進行閥門管理[2]。通常將DEH系統流量指令（Flow Demand Energy Management，FDEM）與汽輪機實際進汽流量百分比之間的數值對應關系視為汽輪機組調門流量特性[3]。DEH系統通過其內置的配汽函數將接收到的總調門開度轉化為每個調門的調門開度來負責調門（組）進汽流量的非線性矯正及綜合管理。由于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，中間函數結構復雜，轉換環節多，現場整定及實施困難較大，準確性不高[4]。大量研究顯示，數值仿真具有積極的理論指導作用，可有效提升實踐能力與工作成效。文中針對間接法配汽函數特征，借助德國STEAG電站能源公司Ebsilon Professional電站系統設計軟件開展汽輪機順序閥配汽函數整定的仿真建模，為汽輪機組調門流量特性整定工作提供技術參考。

1 配汽函數組態

DEH系統配汽函數直接決定著FDEM流量指令與各調門開度的相互對應關系。在間接法配汽函數組態中，流量指令（FDEM）經過若干中間函數的換算形成每個高壓調門的調門開度（見圖1）。其中：背壓修正函數F（X1）反映了順序閥下的實際流量與臨界流量的數值對應關系，其負責將流量指令（FDEM）需求轉換為臨界流量需求；流量分配函數KX+B依據順序閥各調門（組）在既定閥序（如CV1|CV2→CV3→CV4）下所對應的臨界流量控制范圍，將臨界流量需求依次分配給各調門（組）；函數F（X2）負責推遲或提前順序閥下前、后開啟的調門間的臨界流量需求，以生成一定的調門重疊度；單閥流量修正函數F（X3）為單閥方式下的流量指令（FDEM）與臨界流量的數值轉換關系；函數F（X4）依據單個調門的調門開度與所控制的臨界流量之間的數值對應關系。間接法配汽函數將上述單閥、順序閥各自輸出的臨界流量需求轉換為相應的調門開度。

圖1 間接法配汽函數組態示意圖

由于汽輪機調門屬于快開型調節閥，其調門流量特性（數值上表征為調門開度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。這一非線性特征不僅與調門（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門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。對于間接法配汽函數而言，各中間函數能否正確反映出各調門的非線性特征，直接影響到汽輪機組流量特性的線性程度，即配汽函數的整定質量。

2 順序閥流量特性整定仿真

2.1 仿真計算模型簡介

文中以某660 MW等級超臨界四閥三步序噴嘴配汽機組（閥序為CV1/2→CV3→CV4）為研究對象[5]，借助德國STEAG電站能源公司Ebsilon Professional電站系統設計軟件，開展汽輪機順序閥配汽函數整定的仿真研究。建模過程中，調門模型根據國際電工委員會標準IEC 534-22確定調門流量系數和開度；噴嘴組模型則根據制造廠提供的調節級通用特性數據進行變工況計算。將單個調門和單個噴嘴組串聯后再相互并聯，即可構建成汽輪機組的配汽端模型（見圖2）。

圖2 配汽端模型結構示意圖

仿真機組在四閥全開工況（valve wide open，VWO）下的主汽壓力/主汽溫度/熱再溫度/調節級壓力/背壓等參數依次為24.2 MPa/566℃/566℃/19.08 MPa/5.5 kPa。為便于設定，Design工況下的進汽流量設為2 000 t/h，并以2 t/h間隔新建各off-design工況，依次計算得到各工況下的調門開度。以Design工況（即VWO工況）下的進汽流量為標幺值，得到off-design工況下的進汽流量的相對百分比，稱為基準進汽流量百分比（下文簡稱基準流量）。將基準流量視為FDEM指令并以其為橫坐標，各調門開度為縱坐標，便可得到仿真機組的實際配汽曲線（見圖3）。

圖3 實際配汽曲線

順序配汽法是依照既定閥序特性配汽機理，提取順序閥流量特性試驗（零重疊度）過程中各閥依次全行程關閉時記錄的相關參數計算得到函數F（X4）[4]。下文依照此法，遵循既定閥序數值映射的配汽原則，對off-design工況仿真數據進行相關計算，得出整定配汽曲線，并與實際配汽曲線進行比較。

2.2 中間函數的獲取

以Design工況為基準工況，提取各off-design工況下的相關熱力參數，依據式（1）得到變工況下進汽流量的相對值[3]，稱為實際進汽流量百分比（下文簡稱實際流量）。

式中：G為實際流量；G1、G10分別為汽輪機變工況和VWO工況下的進汽流量；p1、p10為汽輪機變工況和VWO工況下的調節級壓力；p2、p20為汽輪機變工況和VWO工況下的高壓缸排汽壓力；v1、v10為汽輪機變工況和VWO工況下的調節級比容。

由于Ebsilon軟件中的汽輪機模塊遵循Stodola公式，故而，以式（1）表征的實際流量與基準流量基本一致（見圖4）。

圖4 實際流量與基準流量

2.2.1 背壓修正函數F（X1）

將各off-design工況主汽參數、調節級參數等代入式（2），計算出與實際流量相對應的臨界流量，即為順序閥背壓修正函數F（X1）曲線[3]（見圖5）。

圖5 背壓修正函數

式中：G、Gcr分別為實際流量和臨界流量；β為流量比；εn為級壓比，；Po為主汽壓力；εcr9為級臨界壓比。

2.2.2 KX+B流量分配函數

將既定閥序下單個調門全關和全開時的臨界流量以及調門開度進行線性折算，即可獲得單個調門的KX+B流量分配函數，詳見表1。

表1 流量分配函數

2.2.3 重疊度函數F（X2）

文中著重探討順序閥無重疊度配汽函數的整定，關于重疊度函數的設定具體見文獻[5]。

2.2.4 調門流量開度函數F（X4）

提取各off-design工況下的相關熱力參數，整理出單個調門全關和全開時的臨界流量；并以兩者差值為標幺值，逐一計算，可得到該調門開度從0至100%過程中的相對臨界流量，即調門流量開度函數F（X4）[4]，見圖6。

圖6 調門流量開度函數

2.3 整定配汽曲線

在圖1配汽函數相應位置代入以上計算得到的F（X1）、K/B及F（X4）等中間函數，即可得到順序閥方式（無重疊度）下FDEM指令與各調門的開度，即整定配汽曲線（見圖7）。

圖7 “順序配汽”整定配汽曲線

由圖7可知，依照文獻[4]所給出的“順序配汽”法，所得整定配汽曲線與實際配汽曲線基本一致。

2.4 其他問題

2.4.1 末序配汽法

在一部分試驗過程中，在其他調門處于全開狀態下，采用“末序配汽”法獲取調門的流量開度函數F（X4）[4]。由于仿真機組，各調門對應噴嘴數均相同且未考慮調門的個體差異，因此，根據“末序配汽”法計算得出的CV1/2和CV3的F（X4）函數均與圖6中的CV4相同。顯然，末序配汽未考慮閥門開啟順序對于調門流量特性的影響。由圖8可知，在“末序配汽”整定配汽曲線中僅CV4與實際配汽曲線一致，而CV3和CV1/2等越是偏離末序位置者，與實際配汽曲線的差異越大。

圖8 “末序配汽”整定配汽曲線

2.4.2 級臨界壓比的取值

在間接法配汽過程中，每一中間轉換環節都與臨界流量有關。仿真顯示，級臨界壓比在合理范圍內（如0.51～0.55）取值不影響配汽曲線的整定效果，但須保證各中間函數所取級臨界壓比前后一致。

3 結語

配汽函數能否正確反映高壓調門（組）的非線性特征直接決定了汽輪機組流量特性的線性度。針對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，可準確反映并還原出高壓調門（組）的非線性特征，對于提升該類型機組的配汽函數整定質量具有積極意義。