汽輪機(jī)閥門流量特性優(yōu)化對(duì)其安全性

1、汽輪機(jī)閥門流量特性優(yōu)化對(duì)其安全性和經(jīng)濟(jì)性的影響李勁柏劉復(fù)平 （湖南省電力公司試驗(yàn)研究院湖南長(zhǎng)沙市410007 ）摘 要：針對(duì)某國(guó)產(chǎn)300MW亞臨界機(jī)組存在的單閥方式下負(fù)荷自發(fā)擾動(dòng)，順序閥方式下負(fù)荷突變等問題進(jìn)行了閥門流量特性曲線優(yōu)化試驗(yàn)，提高了機(jī)組負(fù)荷控制的穩(wěn)定性，同時(shí)也取得良好的節(jié)能效果，解決了機(jī)組原設(shè)計(jì)中閥門流量存在的問題，優(yōu)化的結(jié)果在同類型機(jī)組中具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：閥門流量特性優(yōu)化安全經(jīng)濟(jì)1 前言目前火力發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)大部分采用DEH 控制， DEH系統(tǒng)提供閥門管理和單閥/順序閥切換功能。在單閥方式下，高調(diào)門保持相同開度，汽輪機(jī)全周進(jìn)汽，有利于汽輪機(jī)本體均勻受力受熱，但低負(fù)荷

2、時(shí)節(jié)流嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)性差。在順序閥的方式下，高調(diào)門按照一定的順序開啟，通過減少調(diào)門開度過低造成的節(jié)流損失，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。閥門流量特性曲線就是閥門開度與通過閥門的蒸汽流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，DEH系統(tǒng)閥門流量特性曲線是如果與實(shí)際閥門流量相差較大，在機(jī)組變負(fù)荷和一次調(diào)頻時(shí)，可能出現(xiàn)負(fù)荷突變和調(diào)節(jié)緩慢的問題，造成機(jī)組控制困難，影響了機(jī)組的安全性和變負(fù)荷能力。在順序閥方式下，如果調(diào)節(jié)閥門重疊度設(shè)置不合理，也會(huì)影響機(jī)組投入順序閥的經(jīng)濟(jì)性。通過對(duì)DEH系統(tǒng)閥門流量特性進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算出切合機(jī)組實(shí)際情況的閥門流量特性曲線，使機(jī)組在單閥順序閥切換過程更平穩(wěn)，負(fù)荷擾動(dòng)更小，主汽溫度、主汽壓力等參數(shù)更為穩(wěn)定，瓦溫、振動(dòng)能

3、夠得到一定的改善，增強(qiáng)機(jī)組變負(fù)荷和一次調(diào)頻的能力，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和控制的穩(wěn)定性。2 某300MW機(jī)組的閥門流量特性優(yōu)化試驗(yàn)2007年10月，我們對(duì)某電廠300MW機(jī)組進(jìn)行了DEH系統(tǒng)閥門流量特性優(yōu)化試驗(yàn)。該機(jī)組是東方電氣集團(tuán)公司提供的300MW亞臨界機(jī)組，DEH采用ABB北京貝利公司與INFI-90分散控制系統(tǒng)軟硬件一體化的ETSI。該機(jī)組在投入運(yùn)行后存在的主要問題是順序閥方式下變負(fù)荷和一次調(diào)頻時(shí)有比較大的負(fù)荷突變，突變值可達(dá)到30MW或更多，同時(shí)引起汽機(jī)軸系振動(dòng)變化，負(fù)荷突變區(qū)在200MW左右，正是機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的主要工作區(qū)域，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。在單閥方式下，當(dāng)閥位開度指

4、令在90%時(shí)，機(jī)組負(fù)荷有自發(fā)的波動(dòng)，功率回路和協(xié)調(diào)不能投入，機(jī)組控制困難。在這種情況下，決定進(jìn)行閥門流量特性優(yōu)化試驗(yàn)，使機(jī)組根據(jù)優(yōu)化整定后的閥門流量特性曲線進(jìn)行單閥順序閥管理，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和控制的穩(wěn)定性。2.1 試驗(yàn)過程閥門流量特性優(yōu)化試驗(yàn)分順序閥和單閥兩種方式下進(jìn)行。在順序閥方式下，DEH開環(huán)控制，機(jī)組開始負(fù)荷在190MW左右，控制主汽壓力在15.4MPa左右，CV3、CV4閥全關(guān)，此時(shí)閥門流量總指令值約68%。以0.32一級(jí)的速度增加閥門流量總指令（每增加一級(jí)后，穩(wěn)定12分鐘，以保持主汽壓的穩(wěn)定）直到CV3、CV4閥全開，流量指令為100的工況。然后進(jìn)行單閥順序閥切換。切換后，在單

5、閥方式下，以0.32一級(jí)的速度減少閥門流量總指令（每減少一級(jí)后，穩(wěn)定12分鐘，以保持主汽壓的穩(wěn)定）直到機(jī)組負(fù)荷為180MW左右時(shí)結(jié)束試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中保持主汽壓、主汽溫度、真空的相對(duì)穩(wěn)定。記錄機(jī)組第一級(jí)壓力、主汽壓力、CV14閥后壓力、發(fā)電機(jī)功率、CV14閥位、閥位指令、負(fù)荷指令等參數(shù)。2.2 順序閥方式下閥門流量特性的優(yōu)化計(jì)算將順序閥方式下閥門流量特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)整理后如下表，其中流量差值指流量指令與計(jì)算流量的差值。從表中可以看出，當(dāng)目前的流量指令在68左右、7075、8187這三個(gè)區(qū)段時(shí)，與計(jì)算得出的閥門計(jì)算流量之間差值較大，特別是流量指令從68變化到72.1時(shí)，計(jì)算流量的差值從9.3變化到-

6、4.2。試驗(yàn)時(shí)各流量指令下機(jī)組負(fù)荷占額定功率的比值，與計(jì)算得出的閥門計(jì)算流量比較接近，與目前的流量指令相差較大。這充分說明了目前的順序閥控制方式下閥門流量特性曲線與實(shí)際情況嚴(yán)重不吻合，存在優(yōu)化空間。流量指令(%)機(jī)組功率(MW)主汽壓力(MPa)調(diào)節(jié)級(jí)壓力(MPa)CV1、2指令(%)CV3指令(%)CV4指令(%)計(jì)算流量(%)流量差值(%)68.0184.415.4117.45039.20.1-0.258.79.368.2188.715.3547.67440.30.6-0.260.77.568.6199.615.5048.25242.81.8-0.264.6469.2214.815.617

7、8.85145.83.3-0.268.80.470.1225.315.6309.31151.06.0-0.272.3-2.271.1232.015.3799.47856.58.5-0.274.8-3.772.1237.015.4219.68662.111.0-0.276.3-4.273.1237.815.3799.76267.211.40.077.1-475.1241.915.2989.84678.712.10.078.1-377.1244.915.4549.99088.712.80.078.5-1.479.1247.315.54810.08098.013.70.078.70.481.1246

8、.415.56110.08498.015.60.078.72.483.1247.315.45410.15298.018.20.079.83.385.1250.815.29210.29298.020.50.081.73.487.1257.715.30410.63198.024.30.084.32.888.1275.315.46111.31998.032.69.988.9-0.888.5280.415.46111.55798.036.010.090.8-2.390.5283.015.39811.72098.056.311.092.4-1.992.5284.615.39211.76598.084.2

9、12.392.8-0.395.0285.815.41111.84498.098.016.193.31.797.0287.215.17311.92498.098.021.495.41.698.0288.715.06612.01698.098.025.996.81.299.0290.014.96012.13798.098.034.098.50.5100.0294.214.97212.33298.098.098.0100.00根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過合理簡(jiǎn)化、投影計(jì)算及選取合適的重疊度，我們擬合出與實(shí)際情況較吻合的順序閥方式下優(yōu)化后閥門流量特性函數(shù)如下表，優(yōu)化前后閥門特性曲線圖對(duì)比如圖1所示。流量指令(%

10、)CV1、CV2指令(%)流量指令(%)CV3指令(%)流量指令(%)CV4指令(%)0.00.076.30.091.60.00.19.578.111.092.49.511.413.478.713.493.316.123.317.384.324.396.825.958.739.288.932.698.534.068.845.890.836.099.237.072.351.092.456.399.747.374.856.592.884.2100.0100.076.362.193.3100.078.178.7100.0100.078.7100.0100.0100.0圖1 順序閥方式下閥門流量原特性

11、曲線與新特性曲線對(duì)比圖2.3 單閥方式下閥門流量特性的優(yōu)化計(jì)算將單閥方式下閥門流量特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)整理后如下表， 從表中可以看出，當(dāng)目前的流量指令在6090之間時(shí)與計(jì)算得出的閥門計(jì)算流量之間差值較大，在60左右時(shí)甚至差值達(dá)到了26.8；特別是目前的流量指令從94變化到91時(shí)，其與計(jì)算流量的差值從7.7變化到20.5，嚴(yán)重影響了控制的穩(wěn)定性。而試驗(yàn)時(shí)各流量指令下機(jī)組負(fù)荷占額定功率的比值，與計(jì)算得出的閥門計(jì)算流量也比較接近，與目前的流量指令相差較大。這充分說明了目前的單閥控制方式下閥門流量特性曲線與實(shí)際情況相差很大。流量指令(%)功率(MW)主汽壓力(MPa)調(diào)節(jié)級(jí)壓力(MPa)CV13指令(%)C

12、V4指令(%)計(jì)算流量(%)流量差值(%)100.0 296.1 15.066 12.404 100.5 99.5 100.0 0.0 98.0 286.8 15.129 11.984 47.0 44.0 96.2 1.8 97.0 283.6 15.248 11.828 42.9 39.8 94.2 2.8 96.0 273.8 15.091 11.405 40.2 35.6 91.8 4.2 95.0 265.1 15.016 11.011 37.6 33.6 89.1 5.9 94.0 260.1 15.335 10.891 35.8 32.2 86.3 7.7 93.0 248.9 1

13、5.292 10.302 34.1 30.8 81.8 11.2 92.5 242.0 15.423 10.030 33.2 30.1 79.0 13.5 92.0 228.4 15.261 9.483 32.3 29.5 75.5 16.5 91.5 220.2 15.148 9.025 31.4 28.8 72.4 19.1 91.0 209.0 15.085 8.757 31.0 28.5 70.5 20.5 90.5 205.5 14.960 8.541 30.7 28.2 69.3 21.2 90.0 202.8 14.966 8.402 30.5 28.0 68.2 21.8 89

14、.0 198.5 15.035 8.168 30.0 27.6 66.0 23.0 88.0 192.0 15.167 7.948 29.5 27.1 63.6 24.4 87.0 186.0 15.295 7.714 29.0 26.7 61.3 25.7 86.0 182.5 15.523 7.562 28.5 26.3 59.2 26.8 以試驗(yàn)中的計(jì)算流量作為流量指令，經(jīng)過簡(jiǎn)化及計(jì)算，保留原有的預(yù)啟開度，我們可以擬合出與實(shí)際情況較吻合的單閥方式下新閥門流量特性函數(shù)如下表所示，新閥門特性曲線圖與原閥門特性曲線圖的對(duì)比如圖2所示：流量指令(%)CV1CV3指令(%)流量指令(%)CV4指令

15、(%)0.0-3.00.0-3.00.19.530.19.57.42410.897.42410.73559.228.568.228.070.531.070.528.581.834.181.830.886.335.886.332.289.137.689.133.694.242.991.835.696.247.094.239.8100.0100.596.244.0100.0100.5圖2單閥方式下閥門流量原特性曲線與新特性曲線對(duì)比圖3 閥門流量特性優(yōu)化后安全性和經(jīng)濟(jì)性質(zhì)比較分析如果機(jī)組在210MW左右負(fù)荷，處于單閥控制方式下，在15.2MPa的主汽壓力下，此時(shí)機(jī)組的流量指令在91左右，在原特性曲線

16、的情況下，如果要求增加9MW負(fù)荷，也就是3的流量指令，在DEH開環(huán)控制下，流量指令將增加到94左右，此時(shí)機(jī)組負(fù)荷可能增加到260MW，增加值達(dá)到50MW，相差過大。由于在機(jī)組投入?yún)f(xié)調(diào)控制時(shí)， DEH類似開環(huán)控制，雖然汽機(jī)主控回路可以保持機(jī)組負(fù)荷一定的穩(wěn)定性，但也不可避免出現(xiàn)大的超調(diào)。如果機(jī)組在投入一次調(diào)頻后，更可能出現(xiàn)大的超調(diào)，影響機(jī)組控制的穩(wěn)定性和安全性。在順序閥控制方式下，如果機(jī)組在180MW左右負(fù)荷，在15.2MPa的主汽壓力下，此時(shí)機(jī)組的流量指令在68左右，在原特性曲線的情況下，如果要求增加9MW負(fù)荷，也就是3的流量指令，在DEH開環(huán)控制下，流量指令將增加到71左右，此時(shí)機(jī)組負(fù)荷可能增

17、加到232MW，增加值達(dá)到52MW，一樣不可避免出現(xiàn)大的超調(diào)。負(fù)荷的超調(diào)，同時(shí)將引起汽機(jī)軸系振動(dòng)變化，影響了機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。對(duì)于一臺(tái)機(jī)組來說，如果部分區(qū)段可能發(fā)生負(fù)荷超調(diào)，那么在另一部分區(qū)段比實(shí)際曲線要平緩，該機(jī)組也有相當(dāng)一部分區(qū)段在增加流量指令時(shí)基本上沒有負(fù)荷增加，這一樣會(huì)影響機(jī)組在投入AGC和一次調(diào)頻時(shí)的性能。該機(jī)組采用優(yōu)化后的閥門流量特性曲線后，控制的穩(wěn)定性明顯改善，負(fù)荷的穩(wěn)定也使鍋爐的燃燒更加穩(wěn)定，以前一直不能投入的一次調(diào)頻也能夠正常投入了，AGC負(fù)荷控制的跟隨性大幅度改善。由于機(jī)組只有在順序閥方式下才存在通過閥門流量特性曲線改變節(jié)能的情況，下面是順序閥控制方式下，機(jī)組在60-80

18、%負(fù)荷下的閥門開度情況：流量指令(%)機(jī)組功率(MW)主汽壓力(MPa)CV1、2指令(%)CV3指令(%)實(shí)際流量(%)修正的CV1-2指令(%)修正的CV3指令(%)68.0184.415.41139.20.158.739.2068.2188.715.35440.30.660.768.6199.615.50442.81.864.669.2214.815.61745.83.368.845.8070.1225.315.63051.06.072.351.0071.1232.015.37956.58.574.856.5072.1237.015.42162.111.076.362.1073.1237.815.37967.211.477.167.2575.1241.915.29878.712.178.178.71177.1244.915.45488.712.878.59813在原特性曲線的情況下，從180MW240MW區(qū)段都存在三個(gè)調(diào)門節(jié)流的情況，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，為了避開流量突變區(qū)，一般選擇在CV1、CV2開度62%，CV3開度11%的工況下變壓運(yùn)行（在其它工況下，由于調(diào)門節(jié)流存在軸系振動(dòng)不穩(wěn)定的情況）。在新的特性曲線的情況下，通過減少CV1、CV2和CV3的重疊度，一般只選擇在CV1、CV2開度比較