火電廠汽輪機(jī)閥門管理研究分析

薄健

摘 要： 闡述了汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)閥門管理的含義、類型，并對汽輪機(jī)啟動過程中閥門管理的應(yīng)用進(jìn)行了說明與分析，又通過實際電廠汽輪機(jī)DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的閥門管理，充分論證了DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)中閥門管理的重要性，為了能夠?qū)崿F(xiàn)閥門管理在控制機(jī)構(gòu)上所采用的特殊方式。

關(guān)鍵詞：閥門管理 切換 重疊度

中圖分類號：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）02-0304-01

一、閥門管理基本內(nèi)容及主要功能介紹

在汽輪機(jī)DEH中，閥門流量特性曲線是一個重要的函數(shù)，其調(diào)節(jié)特性曲線如果與閥門的實際特性相吻合， DEH 的控制效果就會顯露出其優(yōu)勢。在DEH 系統(tǒng)出廠時，所設(shè)置的閥門管理曲線，通常是根據(jù)汽輪機(jī)的設(shè)計計算得到的。而在實際運(yùn)行中，它往往會受到閥門的安裝過程、管道的布置等環(huán)境因素和人為因素的影響。在閥門管理這個問題中，由于各個廠存在不同程度的問題如在機(jī)組變負(fù)荷中出現(xiàn)負(fù)荷突變、調(diào)節(jié)緩慢，造成機(jī)組控制困難，這種情況在一次調(diào)頻過程中，也同樣顯現(xiàn)出來，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全性以及變負(fù)荷的能力。

閥門管理主要針對高壓調(diào)節(jié)汽門而言，每個閥門有一個獨(dú)立的伺服控制回路。閥門管理程序是對高壓調(diào)門的控制方式在單一閥門控制（全弧度進(jìn)汽方式）即節(jié)流調(diào)節(jié)與順序閥門控制（部分弧度進(jìn)汽方式）即噴嘴調(diào)節(jié)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的程序，用來控制和確定閥門開啟的順序。在單閥運(yùn)行方式下，4個調(diào)門同時開啟調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，開啟調(diào)門的總數(shù)隨著負(fù)荷的增加而增加，能夠適應(yīng)機(jī)組負(fù)荷較大的變化，并且汽缸轉(zhuǎn)子軸向上受熱膨脹均勻，但單閥運(yùn)行時由于每個調(diào)門都動作，節(jié)流損失較大，對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性不利。當(dāng)機(jī)組定壓運(yùn)行帶部分負(fù)荷時，采用順序閥控制能使調(diào)門的節(jié)流損失減少，因此機(jī)組獲得較高的熱效率。但是，此方式存在金屬受熱不均產(chǎn)生熱應(yīng)力和葉片受到?jīng)_擊產(chǎn)生振動等問題，因此機(jī)組變負(fù)荷能力受限。為了消除主汽壓力變化和高負(fù)荷對調(diào)門流量特性的影響，在流量-閥位轉(zhuǎn)換之前，先對流量請求信號進(jìn)行主汽壓力與負(fù)荷的動態(tài)修正。

閥門管理的主要作用是將負(fù)荷控制回路輸出的流量請求信號變成閥位請求信號，并能在人工干預(yù)下，根據(jù)機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和變負(fù)荷要求實現(xiàn)在線單閥/順閥的無擾切換，并且能夠?qū)崿F(xiàn)閥門流量的線性化，并將單閥或順序閥控制方式下的流量請求值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的閥門開度信號。

閥門管理的主要功能如下：

（1）實現(xiàn)在線單閥/順閥的無擾切換。

（2）在閥門控制方式轉(zhuǎn)換期間，若負(fù)荷設(shè)定值不變，則DEH能夠保持負(fù)荷基本不變。

（3）實現(xiàn)閥門流量特性線性化，并將單閥或順序控制方式下的流量請求值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的閥門開度信號。

（4）保證DEH系統(tǒng)能均衡地從手操方式切換到自動方式。

（5）提供最佳的閥位位置。

由順閥控制和單閥控制熱效率差異曲線，表明機(jī)組在帶部分負(fù)荷時，順序閥門控制方式能提高熱效率。蒸汽通過調(diào)節(jié)閥門時總有節(jié)流損失，汽輪機(jī)運(yùn)行要求盡量減少調(diào)節(jié)閥門的節(jié)流損失，以提高機(jī)組效率。一般而言，閥門的節(jié)流損失在閥門接近全關(guān)或接近最大流量時達(dá)到最小，即最佳閥位。

DEH系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組負(fù)荷要求，計算出參數(shù)與蒸汽流量對應(yīng)，將此請求值輸入到閥門管理程序中，以控制閥門開度。

輸入的流量值是按額定主汽壓力確定的。當(dāng)主汽壓力不等于額定值時，同樣的調(diào)節(jié)閥門開度所獲得的蒸汽流量就不能滿足控制的需求，負(fù)荷就達(dá)不到要求值。此種情況，我們可以通過負(fù)荷控制回路來加以校正。若在轉(zhuǎn)換成調(diào)門開度前，將控制輸出要求的流量當(dāng)前的主汽壓力校正，然后再按校正后的流量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)開度，按此開度去調(diào)整閥門就能使負(fù)荷達(dá)到要求值，這就是前饋校正。

負(fù)荷對蒸汽流量請求的修正：在低負(fù)荷工況下，調(diào)門開度小，前后壓差大，調(diào)門內(nèi)部臨界流動，此時，流量和調(diào)門開度成一一對應(yīng)關(guān)系。但是隨著負(fù)荷的增加，調(diào)門背壓升高，前后壓差減小，調(diào)門內(nèi)部變成亞臨界流動，流量不僅與開度有關(guān)，而且與背壓也有關(guān)系。不同差壓下流量系數(shù)計算公式分別如下所示：

其中：蒸汽流量；蒸汽修正系數(shù)；過熱溫度；閥門前后壓差；閥前壓力；閥后壓力通過改變調(diào)節(jié)汽門的開度來實現(xiàn)對汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和功率控制。在單閥控制方式時，高壓調(diào)節(jié)汽門開度基本是一樣的，計算較為簡單。在順閥控制方式時，需要確定閥門的開啟順序，單獨(dú)計算各個閥門的開度。這也是進(jìn)行汽輪機(jī)調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)性分析的基礎(chǔ)。

二、閥門流量特性優(yōu)化

因為閥門的實際流量特性客觀存在很難更改，所以在閥門流量特性的優(yōu)化方案中，我們根據(jù)所測得的閥門實際流量特性曲線，優(yōu)化相應(yīng)的閥門管理曲線。我們根據(jù)所取得的各閥門的實際流量特性曲線的反函數(shù)作為閥門管理曲線，即可實現(xiàn)對單閥管理曲線的優(yōu)化。對于順閥管理曲線的優(yōu)化則需要根據(jù)單、順閥管理曲線之間的關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。目前，有兩種模式：1.單、順閥之間采用比例、偏置修正模式；2.單、順閥各自采用不同的閥門管理曲線。

三、閥門切換

閥門管理實質(zhì)是通過噴嘴的節(jié)流配汽（單閥控制）和噴嘴配汽（順序閥控制）的無擾切換，解決變負(fù)荷過程中均勻加熱與部分負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性的矛盾。這樣就出現(xiàn)單閥和順序閥的概念。單閥模式下，調(diào)節(jié)級全周進(jìn)汽，葉片均勻受熱，負(fù)荷改變速率快，節(jié)流損失較大，熱效率低。而順序閥模式下，節(jié)流損失減小，改善了機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，但葉片受熱不均勻，負(fù)荷變化速率慢。因此，在冷態(tài)啟動或低參數(shù)下變負(fù)荷時一般采用單閥方式。在變負(fù)荷過程中希望用節(jié)流調(diào)節(jié)改善均熱過程，而當(dāng)均熱過程完成后，又希望用噴嘴調(diào)節(jié)來改善機(jī)組效率，這種工況下要求運(yùn)行方式采用單閥/順序閥切換來實現(xiàn)兩種調(diào)節(jié)方式的無擾切換。

對于定壓運(yùn)行帶基本負(fù)荷的工況以及滑壓運(yùn)行的調(diào)峰的變負(fù)荷工況，由于調(diào)節(jié)閥門接近全開狀態(tài)，節(jié)流調(diào)節(jié)和噴嘴調(diào)節(jié)的差別很小，閥門切換的意義不大；部分負(fù)荷對應(yīng)于部分壓力；對于定壓運(yùn)行變負(fù)荷工況，在變負(fù)荷過程中希望用節(jié)流調(diào)節(jié)改善均熱過程，完成后，又希望用噴嘴調(diào)節(jié)來改善機(jī)組效率，因此這種工況下要求實現(xiàn)單閥/順閥的無擾切換。

四、閥門重疊度影響分析

一般而言，重疊度大，則調(diào)門的節(jié)流損失大，經(jīng)濟(jì)性差；重疊度小，則會使調(diào)門總流量特性的線性度變差，影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定。采用噴嘴調(diào)節(jié)時，多個調(diào)門依次開啟，在前一個閥門未完全開啟時，下一個閥門便提前打開。當(dāng)前閥門全部打開時，下一個閥門提前開啟的量稱為閥門的重疊度。分為行程重疊度和壓力重疊度兩種類型。

按照優(yōu)化方案實現(xiàn)單閥順序閥切換后，又進(jìn)行了機(jī)組在單閥和順序閥兩種方式下帶負(fù)荷的穩(wěn)定性試驗、高壓缸效率試驗， 試驗顯示，機(jī)組在負(fù)荷較低時，單閥方式下高調(diào)閥開度較小，節(jié)流損失較大，與順序閥方式比較， 高壓缸效率較低，經(jīng)濟(jì)性較差。

在調(diào)門開啟過程中，小開度大壓差時，調(diào)門內(nèi)為臨界流動，此時通過調(diào)節(jié)汽門的流量線性地正比于調(diào)節(jié)汽門的升程。如果汽門繼續(xù)開大，雖然汽門的通流面積仍在增大，但汽門前后的壓差減小，流量隨升程增大的趨勢變緩。隨后，即使汽門升程繼續(xù)加大，但受汽門喉部尺寸限制，流量增加很小。通常認(rèn)為：汽門前后的壓力比為 0.95～0.98時，即認(rèn)為汽門已全開。調(diào)節(jié)汽門的有效相對升程約為25%。

目前大型火力發(fā)電機(jī)組均設(shè)有閥門管理功能，使機(jī)組在不同工況下，進(jìn)行單閥和多閥調(diào)節(jié)切換功能。而閥門試驗中的超速試驗，可使檢修人員系統(tǒng)觀察汽輪機(jī)的控制性能，及時發(fā)現(xiàn)問題，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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