汽轮机流量特性优化方法研究与应用武海澄等

汽轮机流量特性优化方法研究与应用武海澄等来源：本站原创点击数：89更新时间：2011-11-921:13:34武海澄，施壮，陈胜利，蔡兵（安徽省电力科学研究院，合肥230601）摘要：为改善汽轮机调门流量特性，提高发电机组变负荷及一次调频性能，针对多种DEH阀门管理方式进行了深入研究，给出了调门流量特性实测方法，提出了调门控制参数优化方法。实际应用结果表明，该方法能够有效提高发电机组的调节品质。关键词：汽轮机，调门阀门，流量特性，参数优化1引言目前大型火力发电机组的控制方式基本采用基于锅炉跟随的协调控制，目的在于使发电机组能够快速响应调度AGC负荷指令变化以及电网一次调频需求。实现方法主要是汽机主控指令根据负荷偏差控制汽轮机高压调门动作，快速调节汽轮机进汽量，进而实现机组负荷的快速响应。由此可见，汽轮机流量特性的优劣直接关系到发电机组的控制品质、调节性能、经济效益、稳定运行乃至电网安全等重要问题。由于汽轮机高压调门属于“快开型”调节阀，因此其流量特性（阀门开度与通过阀门蒸汽流量的对应关系）具有非线性特征，即通常所说的“凸轮特性”。为使汽轮机流量指令与实际进汽量具有线性关系，以便于机组的稳定控制，在DEH阀门管理程序中存在流量开度修正函数，用以对高压调门的“凸轮特性”进行修正。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，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，在机组变负荷、一次调频时容易出现负荷突变或调节缓慢等问题，使机组的调节性能无法满足电网相关技术要求。因此，必须定期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。2DEH阀门管理程序汽轮机DEH阀门管理程序主要提供阀门控制、单顺阀切换、阀门活动试验等功能，能够完成对汽轮机高、中压调节阀门的有效控制。其中，高压调门的控制方式分为单阀、多阀两种。1）单阀方式：在调节过程中，各高压调门保持相同的开度，汽轮机全周进汽，有利于汽机本体均匀受力、受热，该控制方式属于节流调节，节流损失大，效率低，机组经济性差，主要用在新建机组投运初期，或者在汽轮机启动及带低负荷运行时。2）多阀方式：或称作顺序阀方式，在调节过程中，各高压调门按照一定的顺序先后开启，该控制方式属于喷嘴调节，节流损失小，主要用于机组带中高负荷，能够有效地提高机组的发电效率。目前作者接触到的DEH系统主要有Ovation、WDPF、max、FoxboroI/A、XDPS等，每种DEH阀门管理程序的调门控制方法都不尽相同，但又都有共同点。以四个高压调门的汽轮机为例，阀门管理程序的调门控制方法主要有两种结构，如图1、2所示，为便于说明本文将其分别定义为“混合式”结构和“独立式”结构。图1DEH阀门管理程序高调门开度指令形成示意图图2DEH阀门管理程序高调门开度指令形成示意图2.1混合式控制方法该控制方法的调门开度指令形成方式如图3所示，这种控制结构的主要特点是：1）在单阀与多阀方式下，控制回路共用一个调门流量开度修正函数，如果调整流量开度修正函数，则会对两种控制方式都产生影响；2）多阀方式下的流量控制环节存在多个函数，主要用于对多阀方式下的调门流量指令进行分配和修正。图3混合式结构调门开度指令形成示意图在顺序阀控制回路中，流量背压修正函数F(X1)是机组流量需求与流量指令的修正函数，随着机组负荷的增加，汽轮机排汽压力随之升高，同样的阀门开度其实际流量将减少，因此流量背压修正函数用于对不同负荷段下的总流量指令进行修正，以确保流量指令与实际流量成线性对应关系。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。流量修正函数F(X2)负责控制各调门之间的重叠度及流量指令变化趋势，此环节主要用于对顺序阀方式下的各高调门流量指令进行修正。流量开度修正函数F(X3)是调门流量指令与阀位指令的对应关系函数，负责将流量指令与其实际流量修正为线性关系。2.2独立式控制方法该控制方法的调门开度指令形成方式如图4所示，这种控制结构的主要特点是：1）在单阀与多阀方式下，调门控制回路相互独立，修改或调整一种阀序下的流量开度修正函数不会影响到另一种阀序下调门的控制特性；2）多阀方式下的流量修正环节只有一个函数，综合了流量背压修正、调门开启顺序、重叠度、流量开度修正等内容，增加了参数优化工作的难度。图4独立式结构调门开度指令形成示意图2.3单顺阀切换功能在DEH阀门管理程序中，单顺阀切换功能主要用于在单阀控制方式和多阀控制方式之间进行相互切换，以便于机组的灵活控制，以“混合式”结构的阀门控制方法为例，单顺阀切换的基本实现原理如图5所示。图5单顺阀切换基本原理图DEH的算法为：F(x)=aF(x1)+bF(x2)上式中，F(x)：调门的流量指令，%；a：单阀系数，0～1之间的小数；F(x1)：单阀方式下的调门流量指令；b：多阀系数，0～1之间的小数；F(x2)：多阀方式下的调门流量指令；a、b两系数之间满足a+b=1的关系；图5中的切换模块具有设置单顺阀切换速率的功能，可以控制单顺阀切换过程时间。3调门流量特性实测方法进行汽轮机调门控制参数优化工作的前提是对各调门的实际流量特性以及机组整体流量特性有全面、准确的掌握，因此汽轮机调门流量特性实测具有重要意义，主要包括单阀方式流量测试、单个阀门流量测试以及多阀方式流量测试三个方面，常用实测方法如下：1）单阀方式流量测试机组单阀方式带高负荷（90%Pe），调整主汽压力使所有调节阀门全部开启后，锅炉侧控制主汽压力稳定，DEH侧切除遥控及功率、压力、一次调频回路。DEH流量指令从100%开始，以1MW/min的速度逐渐减小，直至DEH流量指令达到50%左右。测试过程中保持主汽压力稳定，记录试验过程中的机组主汽压力、调节级压力、发电机功率、流量指令、GV阀位反馈和阀位指令等重要参数。2）单个阀门流量测试机组单阀方式带高负荷（90%Pe），调整主汽压力使所有调节阀门全部开启后，锅炉侧控制主汽压力稳定，DEH侧切除遥控及功率、压力、一次调频回路。通过高调门活动试验功能对各调门流量特性进行逐个测试，测试过程中保持主汽压力稳定，记录试验过程中的机组主汽压力、调节级压力、发电机功率、流量指令、GV阀位反馈和阀位指令等重要参数。3）多阀方式流量测试机组多阀方式带高负荷（90%Pe），调整主汽压力使所有调节阀门全部开启后，锅炉侧控制主汽压力稳定，DEH侧切除遥控及功率、压力、一次调频回路。DEH流量指令从100%开始，以1MW/min的速度逐渐减小，直至DEH流量指令达到50%左右。测试过程中保持主汽压力稳定，记录试验过程中的机组主汽压力、调节级压力、发电机功率、流量指令、GV阀位反馈和阀位指令等重要参数。4流量特性计算方法由于DEH系统中没有直接的流量测量，所以在机组调门流量分析中，阀门实际流量特性通过如下公式计算：式中Q：等效的实际流量；Pim：调节级压力；Pimr：额定调节级压力；Ptr：额定符合适主汽压力；Pt：不同负荷下的试验压力。5调门控制参数优化整定方法汽轮机在多阀控制方式下多个调门依次开启，如果后阀在前阀全部开启后才接着开启，那么根据单个阀门的特性可以推断出多个阀门的升程与流量的关系呈波形曲线，机组转速不等率同样呈波形曲线变化，不符合调节系统静态特性的要求，导致机组变负荷能力差、一次调频性能不稳定等问题，严重影响机组的控制品质和调节性能。为使机组整体流量特性具有较好的线性度，通常认为当阀门前后压力比为0.95～0.98时阀门就算全开，重叠度的选取一般以前一阀门开至阀门前后蒸汽压力比为0.85～0.90时，后一阀门开始开启为宜。本文针对“混合式”和“独立式”两种DEH调门控制方式，提出了相应的参数优化整定方法。5.1混合式结构参数整定方法1）根据实测得到的汽轮机整体流量特性曲线，观察各高调门的动作趋势，如果发现调门出现开启超前、或者滞后的现象，则需要对K+B参数进行重新设置，这需要根据实际流量曲线与标准流量参考线的差别进行具体计算；2）根据实测汽轮机各调门流量特性曲线调整各调门流量开度修正函数，调整时尽量将各调门的流量开度修正函数设置成一致形式，以保证单阀方式下各调门动作的一致性；3）根据各调门交替区域的流量特性，设置重叠度函数，以保证机组整体流量特性的连贯性，避免出现流量保持、突变等现象；4）对高调门的预启行程和快开区域，要根据实际情况进行合理设置，如果调门在短时间内动作幅度过大或者经常大幅波动，会对设备造成损伤，威胁到机组的安全稳定运行，这时就需要牺牲一些经济特性，增加调门之间的重叠度，降低调门的动作速度。5.2独立式结构参数整定方法对于“独立式”结构的调门控制方式，因为其多阀方式下的流量修正环节只有一个函数，综合了流量背压修正、调门开启顺序、重叠度、流量开度修正等方面内容，参数优化工作的难度较大，无法直接根据各调门的实际流量特性曲线对参数进行优化调整。为此，本文经过深入研究和多次试验，提出了基于标准流量参考线和机组实测流量特性曲线的“反向映射法”对调门控制参数进行优化整定，通过该方法能够快速准确地计算出参数整定结果，具体计算方式如图6所示。图6反向映射法示意图当机组流量指令FDEM的值为X时，调门开度为Y1，此时机组实测流量值为F1，根据流量参考线，参数整定目标是实现流量指令为X时实际流量为F2，见图中点①；为了计算出此时调门应具有的阀位指令，首先找到实测流量曲线中值为F2的点，见图中点②，根据该点的流量指令，找到对应的调门开度值Y2，见图中点③，那么为了实现流量特性（X，F2）的调门阀位指令就应该为（X，Y2），见图中点④；由此方法，即可得到与流量参考直线相对应的调门流量开度修正函数。6应用实例安徽某发电公司2号机组汽轮机DEH阀门控制方式为“混合式”结构，多阀方式下高调门的开启顺序为GV1/GV2、GV4、GV5、GV6、GV3，在汽轮机调门流量测试试验中发现该机组的整体流量特性较差，如图7所示，在调门重叠区域内出现了流量保持现象，严重影响了机组的变负荷能力及一次调频性能。图7DEH流量指令FDEM与实测蒸汽流量关系曲线通过单个阀门流量特性测试试验发现，造成这种现象的主要原因是GV5、GV6两个调门的实际预启行程分别为18%、19%，与调门控制参数设置情况14%、11%相差较大，如图8、9所示。根据实测结果对GV5、GV6两调门的控制参数进行修改后，重新进行了该机组的整体流量特性测试，结果如图10所示，可以看到此时机组具有了线性度较好的流量特性，能够满足机组的调门性能。图8GV5阀位——流量特性实测曲线图9GV6阀位——流量特性实测曲线图10优化后DEH流量指令FDEM与实测蒸汽流量关系曲线7结论本文主要根据发电机组的实际情况，详细介绍了一些常见的DEH阀门管理方式，探讨了其主要特点，并据此给出了汽轮机调门流量特性实测方法，以及调门控制参数优化方法。汽轮机阀门管理及流量特性优化对提高机组的控制品质、调节性能具有积极的意义，在实际生产中应该给予足够重视。Abstract:Toimprovefluxcharacteristicofturbinegoverningvalve,andtheabilityofAGCandprimaryfrequencyregulation,thispaperhadadetailedresearchonmultifariousDEHvalvemanagerprograms.Differentmeasuringmethodsofvalvefluxcharacteristicareintroduced,andoptimizationmethodsofvalvecontrolparameterarepresented.Theexperimentsshowthisparameteroptimizationmethodcaneffectivelyimprovetheadjustingquality