淺析汽輪機(jī)高壓調(diào)門流量特性優(yōu)化

張偉

（華電新鄉(xiāng)發(fā)電有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453635）

0 引言

超臨界汽輪機(jī)組的高壓調(diào)門對于汽輪機(jī)的運(yùn)行重要性不言而喻，通常對于調(diào)門的開啟順序，有單閥和順序閥兩種方式。單閥指的是所有調(diào)門同時開啟且開度一致，順序閥指的是按照DEH控制系統(tǒng)設(shè)定的函數(shù)，依次打開各個調(diào)門，不同負(fù)荷下開度不同。正常運(yùn)行中通常采用順序閥方式，減少節(jié)流損失，提高經(jīng)濟(jì)性。由于單個閥門在開啟過程中流量呈現(xiàn)非線性，因此需要設(shè)置一定的調(diào)門重疊區(qū)間，即在上一個調(diào)門尚未完全開啟時，下一個調(diào)門就開啟一小部分，用下一個調(diào)門的補(bǔ)償上一個調(diào)門的非線性特性，這個重疊區(qū)間即稱為重疊度。如果高調(diào)開啟特性設(shè)定不合理，將影響機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。如機(jī)組以順序閥方式運(yùn)行時，僅一至兩個高調(diào)門參與調(diào)節(jié)，則汽輪機(jī)處于非對稱性部分進(jìn)汽，而且調(diào)門處于節(jié)流狀態(tài)，軸系容易產(chǎn)生較大的不平衡汽流力，致使汽輪機(jī)工作環(huán)境惡化，出現(xiàn)軸系中心不正、軸承摩擦增大、瓦溫升高、軸振變大等現(xiàn)象；在進(jìn)行單閥與順序閥控制方式切換時，若選擇的切換點不合適，亦會對機(jī)組各主要參數(shù)產(chǎn)生劇烈擾動；若高調(diào)開啟函數(shù)曲線線性度不好，存在較大調(diào)節(jié)死區(qū)或拐點，將會嚴(yán)重影響機(jī)組調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致機(jī)組協(xié)調(diào)與一次調(diào)頻調(diào)節(jié)性能下降，甚至影響電網(wǎng)安全[1]。在實際運(yùn)行中，希望高調(diào)函數(shù)曲線滿足以下要求：①綜合閥位與實際流量線性度要好；②在上一調(diào)門能維持線性輸出的情況下下一閥門應(yīng)盡量晚開，以減少閥門重疊度，減少閥門節(jié)流損失，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性；③調(diào)門開啟初期動作不宜過慢，減少閥門沖刷；④調(diào)門開啟末段動作不宜過快，以防止高閥位時劇烈振蕩；⑤對較常運(yùn)行的負(fù)荷區(qū)間有更加完善的線性度優(yōu)化[2]。

對于順序閥的開啟特性，由于閥門實際流量特性曲線難于計算，需要進(jìn)行大量的試驗，方可確定最優(yōu)解。

1 高調(diào)流量特性曲線簡介

新鄉(xiāng)公司#2機(jī)組為660MW超臨界機(jī)組，由上海汽輪機(jī)有限公司設(shè)計生產(chǎn)，一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽雙背壓凝汽式機(jī)組，型號為：N660-24.2/566/566。其調(diào)節(jié)閥門布置如圖1所示。

圖1 閥門布置圖

正常運(yùn)行時，高調(diào)門開啟順序為GV2、GV3→GV4→GV 1。該機(jī)組在運(yùn)行中負(fù)荷響應(yīng)較為遲緩，為確定新的高調(diào)流量特性曲線，改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，于2020年8月委托熱工院進(jìn)行了#2汽輪機(jī)組高壓調(diào)門流量特性試驗，并在小修階段對汽輪機(jī)高調(diào)流量特性曲線進(jìn)行了修改，如表1所示。

依據(jù)表1，繪制高調(diào)特性修改前后的曲線圖（圖2）。

圖2為高壓調(diào)門靜態(tài)開度曲線，綜合閥位直接對應(yīng)各個調(diào)門的開度。正常運(yùn)行時，如果各高壓調(diào)門的開度之和與進(jìn)汽量不能形成對應(yīng)的線性關(guān)系，在進(jìn)汽量曲線陡直處會引起進(jìn)汽量的突變，機(jī)組負(fù)荷會發(fā)生突變和波動，在平緩處將引起機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)遲緩。分析表1和圖2，高調(diào)修改開啟特性后，可以發(fā)現(xiàn)有如下變化：①GV4、GV1的重疊度有所增加，這可能改善線性度，但也可能增加節(jié)流損失；②GV4在高位開啟時更加趨于陡直，這可能帶來負(fù)荷的突變，當(dāng)然這需要進(jìn)一步驗證；③高調(diào)門流量特性曲線修改前后高壓缸效率會有變化。④GV2、GV3開啟略微提前了一些。

圖2 高調(diào)門修改前后開度曲線

表1 高調(diào)門修改前后流特性表

2 高調(diào)流量特性修改前后線性度分析

汽輪機(jī)的性能診斷試驗是一項復(fù)雜的工作，涉及部門、人員眾多，在試驗過程中需要嚴(yán)格保證主汽壓力值，否則會嚴(yán)重影響試驗結(jié)果，但在現(xiàn)場復(fù)雜多變的環(huán)境中這些試驗條件很難滿足。對于順序閥的開啟曲線特性，由于閥門實際流量特性曲線難于計算，需要進(jìn)行大量的試驗，理論分析與計算過程較為復(fù)雜,在現(xiàn)場汽輪機(jī)熱經(jīng)濟(jì)性診斷工作中運(yùn)用較為不便，因此考慮采取統(tǒng)計學(xué)方法。因為主蒸汽流量總體服從何種分布并不知道，這就要求我們直接對總體分布提出假設(shè)，然后根據(jù)樣本所提供的信息，檢驗假設(shè)是否成立。為考查高調(diào)門調(diào)整曲線前后不同負(fù)荷下的線性度，在機(jī)組正常運(yùn)行（主輔機(jī)正常、順序閥方式、運(yùn)行參數(shù)無超限、負(fù)荷基本穩(wěn)定等）期間，采集了3個常用負(fù)荷區(qū)間（330MW～400MW、400MW～500MW、500MW～600MW）內(nèi)的主蒸汽流量與綜合閥位、高調(diào)門前壓力數(shù)據(jù)，假設(shè)此三個變量之間存在線性關(guān)系，嘗試采用多元線性回歸[3]的方法來進(jìn)行分析，以主蒸汽流量為因變量，綜合閥位、高調(diào)門前壓力為自變量，建立各個負(fù)荷區(qū)間的回歸模型，并對主蒸汽流量的預(yù)測值和實際值進(jìn)行可視化處理。

330MW～400MW區(qū)間：

上述式中，F(xiàn)為主蒸汽流量，單位為t/h；P為高調(diào)門前壓力，單位為MPa；O為高調(diào)門綜合閥位，單位為%。

模型驗證環(huán)節(jié)不再贅述。將每個模型的擬合優(yōu)度匯總于表2中。

表2 擬合優(yōu)度檢驗

擬合優(yōu)度是指回歸直線對實際值的擬合程度。若實際數(shù)據(jù)點離回歸直線近，則擬合程度好，反之則擬合程度差。度量擬合優(yōu)度的統(tǒng)計量是可決系數(shù)R方。

分別繪制主蒸汽流量實際值與預(yù)測值的圖像，如圖3所示。

圖3 高調(diào)門開啟特性調(diào)整前后的主蒸汽流量實際值（X軸）與預(yù)測值（Y軸）

觀察不同的負(fù)荷區(qū)間內(nèi)主蒸汽流量的數(shù)據(jù)分布，并參照表2，可以發(fā)現(xiàn)：①在330～400MW負(fù)荷區(qū)間，調(diào)整前后的數(shù)據(jù)點更加均勻地分布于Y=kX附近，這說明預(yù)測值與實際值對應(yīng)地更加精確，代表調(diào)門線性程度有所提升；②在400～500MW負(fù)荷區(qū)間，預(yù)測值與實際值吻合度略有下降，這代表線性度略有下降；③在500～600MW負(fù)荷區(qū)間，擬合程度基本持平，線性度幾無變化，驗證了之前的猜測。限于所采集的數(shù)據(jù)的數(shù)量、精度和可靠性，以及機(jī)組運(yùn)行情況的復(fù)雜性，當(dāng)負(fù)荷區(qū)間劃分更細(xì)時，此處所得到的結(jié)論仍然需要更精確的熱力試驗來進(jìn)一步驗證[4]。

3 高調(diào)流量特性修改前后的經(jīng)濟(jì)性分析

由于受到機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，隔離情況及復(fù)雜多變的外界隨機(jī)因素影響，汽輪機(jī)熱耗率試驗誤差較大，而高壓缸效率受到的影響較為可控，此處將以高調(diào)門特性修改前后高壓缸效率作為試驗分析的主要手段，計算高壓缸效率，并以此作為經(jīng)濟(jì)性的評判依據(jù)。

于電廠Sis系統(tǒng)中，分別采集若干組高調(diào)門修改前后不同負(fù)荷段的運(yùn)行參數(shù)（主汽壓力、主汽溫，高排壓力、高排溫度等，須盡量保證高壓缸前后狀態(tài)基本一致，沒有大的改動和檢修工作）。應(yīng)用汽輪機(jī)缸效率計算程序[4]計算出高壓缸效率，共計得到24186條數(shù)據(jù)，分布于330MW、350MW、400MW、450MW、500MW、550MW、600MW負(fù)荷點，分別計算均值與標(biāo)準(zhǔn)誤，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，如圖4所示。

圖4 高調(diào)門特性修改前后高壓缸效率變化

由圖4可以看出，修改高調(diào)流量特性曲線后，在常用的各個負(fù)荷點處，高壓缸效率略有降低。這說明修改順序閥開啟特性后，在常用負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，高壓調(diào)門節(jié)流損失表現(xiàn)地較為明顯。

4 結(jié)語

本文基于統(tǒng)計學(xué)方法，利用收集到的大量歷史數(shù)據(jù)，對汽輪機(jī)高壓調(diào)門修改流量特性曲線前后的變化進(jìn)行了分析。修改曲線后，應(yīng)相應(yīng)地對機(jī)組協(xié)調(diào)和AGC運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行試驗、分析和調(diào)整，以符合實際運(yùn)行需要。如何對實時數(shù)據(jù)、少量數(shù)據(jù)進(jìn)行深入、快速和有效的分析尚待進(jìn)一步研究。數(shù)據(jù)的可靠性和實用性非常重要。如何調(diào)整高調(diào)門順序閥的開啟函數(shù)，仍需進(jìn)行更加精確熱力性能試驗，方可最終確定。