汽轮机阀门流量特性优化

时间：2024-05-19

刘世军

(国网新疆电力公司电力科学研究院,新疆乌鲁木齐 830011)

汽轮机阀门流量特性优化

刘世军

(国网新疆电力公司电力科学研究院,新疆乌鲁木齐 830011)

如果汽轮机阀门流量特性曲线与实际流量特性相差较大,在一次调频动作或变负荷时,容易造成负荷变化过大或不足;同时在阀门单、顺序阀切换时造成负荷波动较大,影响机组的稳定运行。DEH阀门流量特性试验就是通过试验的方式得到阀门流量特性曲线,以解决机组变负荷和一次调频时,可能出现负荷突变和调节缓慢以及单、顺序阀切换过程中出现的负荷摆动的现象,优化机组负荷控制精度,保证机组的安全运行。本文以某135MW机组为例,介绍了流量特性曲线的优化试验和计算方法。

阀门流量特性优化安全经济

1 前言

阀门流量特性曲线就是阀门开度与通过阀门的蒸汽流量的对应关系。在生产过程中，汽轮机运行一段时间后或高调门解体检修后，高调门的流量特性都会发生改变，与原调门流量开度修正函数产生偏差。DEH系统阀门流量特性曲线如果与实际阀门流量相差较大，在机组变负荷和一次调频时，可能出现负荷突变和调节缓慢的问题，造成机组控制困难，影响了机组的安全性和变负荷能力。在顺序阀方式下，如果调节阀门重叠度设置不合理，也会影响机组投入顺序阀的经济性。

因此，当出现阀门流量特性曲线不合适时，必须对汽轮机高压调门的流量特性进行测试，根据实际情况对其控制参数进行优化整定，提高发电机组的控制品质和调节性能，保障发电机组安全、稳定运行。

图1 阀门管理流程图

图2 单阀方式下阀门流量特性曲线优化前后对比图

2 某135MW机组阀门管理简介

某电厂135MW汽轮机组高压调节汽门有4个，每个调节汽门均配有一个独立的伺服控制系统，阀门的调节方式有单一阀门调节方式(全周进汽)和顺序阀门调节(部分进汽)两种。

单阀方式时所有高压调节汽门同时启闭，控制机组的转速和负荷，适用于节流调节、全周进汽，该方式使得汽轮机第一级汽室内温度分布均匀，负荷变化时汽轮机转子和静子之间温差小，机组能承受最大的负荷变化率，但从经济性角度看，主蒸汽通过调节汽门时的节流损失较大，降低了机组的效率；顺序阀控制方式是随机组负荷的改变逐个开启或关闭调节汽门的，一般只有一个汽门处于半开启的调节状态，其它的调节汽门或处于全开状态或处于全关状态，这种调节方式下汽轮机的效率较高，但在机组变负荷时机组所能承受的负荷变化率较小。为了实现阀门管理，DEH 控制逻辑组态中一般采用流量曲线函数和一个比例偏置因子来实现，其具体逻辑流程见图1。

表1 原单阀流量特性与计算流量的对比

表2 经过优化就算后的单阀流量特性曲线函数

表3 原顺阀流量特性与计算流量的对比

表4 经过优化就算后的顺阀流量特性曲线函数

图3 混合式结构调门开度指令形成示意图

3 阀门流量特性优化试验

我们对某135MW机组进行了高调门流量特性试验，试验首先去除了阀门之间的重叠度，去除顺序阀重叠度后首先进行在单阀方式下的试验，机组退出协调方式，DEH开环控制，试验开始前机组负荷65MW，主汽压力在10．4MPa左右。以2～3%一级的速度增加阀门流量总指令，每增加一级后，稳定一段时间，调整锅炉燃烧以保持主汽压的稳定，以此方法进行试验，直到所有阀全开流量指令为100%的工况。然后进行单阀／顺序阀切换。切换后，在顺阀方式下，以2～3%一级的速度减少阀门流量总指令，每减少一级后，稳定一段时间，调整锅炉燃烧以保持主汽压的稳定，以此方法进行试验，直至负荷达到65MW或根据机组实际情况决定目标值。试验过程中保持主汽压、主汽温度、真空的相对稳定。记录机组第一级压力、主汽压力、CV1～4阀后压力、发电机功率、CV1～4阀位指令等参数。

图4 顺阀方式下阀门流量特性曲线优化前后对比图

4 单阀方式下阀门流量特性的优化计算

在DEH的流量分析中，阀门的实际通流量需要折算到额定主汽压力下，折算后的流量称为计算流量，计算流量通过如下公式计算得出

式中Q—计算流量；P1—调节级压力；P1e—额定调节级压力；Pt—主汽压力；Pte—额定主汽压力。

使用上述公式和单阀方式下阀门流量特性试验数据可以计算出计算流量。通过比较流量指令和计算流量的差值，可以看出原流量特性曲线的优劣程度。经过整理后单阀试验数据如表1，从表1中可以看出，当实际流量在50%～100%之间时流量指令与计算得出的阀门计算流量之间差值较大，严重影响了控制的稳定性。这充分说明了目前的单阀控制方式下阀门流量特性曲线与实际情况相差很大，存在优化空间。

以试验中的计算流量作为流量指令，经过简化及计算，保留原有的预启开度，我们可以拟合出与实际情况较吻合的单阀方式下新阀门流量特性函数如下表2所示，优化前后阀门特性曲线图对比如图2所示。

5 顺序阀方式下阀门流量特性的优化计算

将顺序阀方式下阀门流量特性试验数据经整理后如下表3，从表3中可以看出，当实际流量在50%～100%之间时流量指令与计算得出的阀门计算流量之间差值较大，在53%左右时甚至差值达到了28．4%，严重影响了控制的稳定性。这充分说明了目前的顺序阀控制方式下阀门流量特性曲线与实际情况严重不吻合，存在优化空间。

该厂DEH中顺序阀方式流量特性曲线的设置采用的是混合式阀门开度指令，逻辑框图如图3所示。流量比例偏置因子K+B负责对流量指令进行分配，控制各调门的开启顺序；有些情况下这一环节用折线函数替代K+B形式，作用相同。比例、偏置修正只在顺序阀方式时起作用，其参数是根据阀门的设计流量和阀门开关顺序来确定的，因此不同开启顺序的各个阀门其K和B的值也不相同。

具体如何计算，举例如下:根据试验数据，我们知道当流量指令为0%时CV1/CV2全关，流量指令为61%时，CV1/CV2全开。因此我们可以列出两个等式，即0=K×0+B；100=K×61+B；通过解这两个等式可以得出CV1和CV2的K=1．6393和B=0。下一个开启的门是CV3，保留一定的开启度，通过试验我们知道CV3需要在流量指令为57．5%开度正好为0%；流量指令为92%时，CV3全开。同样我们列出两个等式0= K×57．5+B；100=K×92+B；解出CV3的K=2．2986，B=-166．67。使用相同的方法，可以得出CV4的K=9．54198，B=-854．2。

综上所述，根据试验数据，经过合理简化、投影计算及选取合适的重叠度，通过对将计算出的K和B值带入各阀门的等式，从而得到各阀门流量指令对应的开度值如表4。优化前后阀门特性曲线图对比如图4所示。