國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型300MW等級(jí)汽輪機(jī)組流量特性綜合整定試驗(yàn)研究

蔡 文，程志兵，陳 文，萬(wàn)忠海

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西南昌 330096；2.國(guó)家電投集團(tuán)江西電力有限公司貴溪發(fā)電有限責(zé)任公司，江西 貴溪 335400）

0 引言

伴隨著新能源裝機(jī)容量的迅猛攀升以及交直流特高壓的大量投運(yùn)，我國(guó)電力行業(yè)電源結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體發(fā)生了重大變化，對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高要求。作為可用規(guī)模最大的輔助調(diào)頻調(diào)峰手段，相比抽水蓄能、儲(chǔ)熱、電化學(xué)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能以及燃機(jī)等，煤電機(jī)組變負(fù)荷成本較低，安全保障性較好，但其機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)性能不僅響應(yīng)速度相對(duì)較慢，而且動(dòng)作準(zhǔn)確性也存在較大提升空間。這是因?yàn)槠啓C(jī)高壓調(diào)節(jié)閥屬于“快開(kāi)型”調(diào)節(jié)閥，其調(diào)門(mén)流量特性（數(shù)值上表征為閥位指令與進(jìn)汽流量百分比之間的函數(shù)關(guān)系）具有典型的非線性特征[1]。這一非線性特征不僅與高壓調(diào)節(jié)閥（含預(yù)啟閥）結(jié)構(gòu)、閥桿全行程位移以及汽輪機(jī)通流結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)，而且還受到運(yùn)行工況的影響，較為典型的就是同一調(diào)節(jié)閥所處閥門(mén)開(kāi)啟順序不同，其流量特性的數(shù)值表征函數(shù)亦不相同。DEH系統(tǒng)配汽函數(shù)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)閥（組）進(jìn)汽流量的線性度矯正及綜合管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速與功率的控制[2]。從控制角度而言，配汽函數(shù)直接決定著單閥方式或順序閥方式下FDEM流量指令與各調(diào)節(jié)閥閥位指令的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系（可直觀地?cái)M合成單閥方式或順序閥方式的配汽曲線）；因此，配汽函數(shù)能否正確反映高壓調(diào)節(jié)閥（組）的非線性特征直接決定了汽輪機(jī)組流量特性的線性度。顯然，汽輪機(jī)組進(jìn)汽流量需求與實(shí)際流量之間的偏差越小，彼此相互越線性，越有助于提升汽輪機(jī)組的機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)動(dòng)作準(zhǔn)確率。

間接法配汽組態(tài)模式將FDEM流量指令（即實(shí)際流量需求）轉(zhuǎn)換為臨界流量需求來(lái)統(tǒng)籌單閥方式和順序閥方式的配汽管理。但在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，由于中間函數(shù)物理意義不明晰且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，準(zhǔn)確性干擾環(huán)節(jié)多，現(xiàn)場(chǎng)整定及實(shí)施困難較大，準(zhǔn)確性不高[3]。一方面，就函數(shù)模塊架構(gòu)而言，調(diào)門(mén)流量特性函數(shù)F（X4）往往是單閥方式和順序閥方式配汽組態(tài)的公用模塊，與遵循既定閥序數(shù)值映射的配汽原則相違背，是間接法配汽函數(shù)組態(tài)結(jié)構(gòu)的先天缺陷；另一方面，在常規(guī)配汽函數(shù)整定實(shí)施過(guò)程中，各調(diào)節(jié)閥的單閥流量修正函數(shù)F（X3）均以所有調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)的總臨界流量為標(biāo)幺值，由順序閥背壓修正函數(shù)F（X1）換算得到，如此一來(lái)，各調(diào)節(jié)閥的函數(shù)F（X3）完全相同；同時(shí)，調(diào)門(mén)流量開(kāi)度函數(shù)F（X4）一般由單個(gè)調(diào)節(jié)閥在其他調(diào)節(jié)閥處于全開(kāi)狀態(tài)下的全行程調(diào)門(mén)流量特性試驗(yàn)獲得，未考慮調(diào)節(jié)閥實(shí)際閥序的影響。如此一來(lái)，兩方面因素使得單閥方式與順序閥方式的流量線性矯正無(wú)法兼得；故此，間接法配汽組態(tài)機(jī)理存在內(nèi)在矛盾。因此，合理改進(jìn)間接法配汽函數(shù)整定方法對(duì)于提升該類(lèi)型機(jī)組的進(jìn)汽流量控制精度和提高現(xiàn)場(chǎng)整定、實(shí)施效率有著積極意義。

1 案例機(jī)組簡(jiǎn)介

某電廠3號(hào)汽輪機(jī)組系上海汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)美國(guó)西屋公司技術(shù)制造的N300-16.7/538/538型亞臨界、中間再熱式、高中壓合缸、雙缸雙排汽、單軸、冷凝式汽輪機(jī)，1998年1月投產(chǎn)發(fā)電。該機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)為DEH數(shù)字電液控制系統(tǒng)，高壓缸進(jìn)汽部分配置了兩個(gè)高壓主汽閥及六個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥。2010年，該機(jī)組完成了高、中壓缸通流部分改造，改造后機(jī)組銘牌變更為N340-16.7/538/538型。

3號(hào)機(jī)組DEH閥序方式包含單閥和順序閥，順序閥閥門(mén)開(kāi)啟順序?yàn)镃V1/2（同步）→CV6→CV5→CV3→CV4。DEH配汽函數(shù)采用“間接法”組態(tài)模式（如圖1），即流量指令（FDEM）經(jīng)過(guò)若干中間轉(zhuǎn)換函數(shù)的換算形成每個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥的閥位指令。其中：順序閥背壓修正函數(shù)F（X1）反映了順序閥下的“實(shí)際流量百分比-臨界流量百分比”的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系；流量分配函數(shù)KX+B反映了順序閥下CV1/2（同步）→CV6→CV5→CV3→CV4各噴嘴組臨界流量占汽輪機(jī)總臨界流量的比例關(guān)系；函數(shù)F（X2）反映了順序閥下的前后調(diào)門(mén)間的閥位重疊關(guān)系；單閥流量修正函數(shù)F（X3）給出了單閥方式下的FDEM流量指令與汽輪機(jī)總臨界流量的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系；函數(shù)F（X4）為單個(gè)調(diào)節(jié)閥噴嘴組的“閥位指令-臨界流量百分比”流量特性函數(shù)。

圖1 間接法配汽函數(shù)組態(tài)示意圖

2 流量特性試驗(yàn)現(xiàn)狀分析

在完成該機(jī)組單閥流量特性試驗(yàn)和默認(rèn)重疊度順序閥流量特性試驗(yàn)后，分別得到該機(jī)組在原配汽函數(shù)下的單閥和順序閥流量特性；經(jīng)分析，存在以下幾個(gè)問(wèn)題（見(jiàn)圖2）：

1）在60%～100%實(shí)際流量范圍，單閥、順序閥流量特性均不同程度地偏離1:1流量參照線，即DEH系統(tǒng)的FDEM流量指令與汽輪機(jī)的實(shí)際流量相互不一致；同時(shí)，二者之間的偏差隨流量指令的減小逐漸增大，易造成閥序切換時(shí)系統(tǒng)參數(shù)波動(dòng)大。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)流量特性試驗(yàn)結(jié)果

2）在順序閥流量特性曲線中，調(diào)節(jié)閥重疊度設(shè)置不甚合理，在各調(diào)節(jié)閥重疊度區(qū)域均存在流量緩滯現(xiàn)象，未能實(shí)現(xiàn)重疊區(qū)域進(jìn)汽流量的線性平滑（見(jiàn)圖2），是調(diào)節(jié)閥重疊度整定過(guò)小的典型表現(xiàn)；同時(shí)，調(diào)門(mén)大致在閥位指令40%進(jìn)入流量控制相對(duì)薄弱的“空行程區(qū)域”，原配汽函數(shù)在調(diào)門(mén)空行程區(qū)域給定的開(kāi)啟速率過(guò)快，易引發(fā)調(diào)門(mén)的異?；蝿?dòng)且不利于EH油系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3 原因分析

1）原配汽組態(tài)中函數(shù)F（X4）僅是調(diào)節(jié)閥理論計(jì)算結(jié)果，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況存在較大偏差；

2）原配汽函數(shù)中六個(gè)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥的F（X4）完全一致，既忽視了調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的個(gè)體制造偏差，也忽視了調(diào)節(jié)閥所處閥序不同對(duì)其流量特性的影響；

3）引進(jìn)型間接法建立在不同調(diào)節(jié)閥控制方式下的特有規(guī)律基礎(chǔ)之上，即單閥和順序閥兩種閥控方式下的臨界流量曲線近乎重合（圖3）。但這是一種粗略的方法，其忽視了調(diào)門(mén)非線性特征在不同閥門(mén)開(kāi)啟順序下的流量特性的差異。在組態(tài)中，F(xiàn)（X4）作為單閥、順序閥共用模塊，通常采用順序閥下的測(cè)試結(jié)果；而F（X3）又必須遵循機(jī)組單閥方式下的特有規(guī)律（通常由順序閥最大臨界流量標(biāo)幺計(jì)算得出），對(duì)于六個(gè)調(diào)節(jié)閥完全一致。二者串聯(lián)，必然使得單閥方式下六個(gè)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度彼此不同。事實(shí)上，在機(jī)組通流部分改造后，原順序閥背壓修正函數(shù)F（X1）已不符合3號(hào)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況；而原配汽組態(tài)中的單閥流量修正函數(shù)F（X3）也與原順序閥背壓修正函數(shù)F（X1）無(wú)關(guān)；換而言之，原配汽函數(shù)也不符合引進(jìn)型配汽函數(shù)的技術(shù)要求（盡管其存在先天缺陷和內(nèi)在矛盾），暴露出配汽函數(shù)整定值的給出存在較大的不確定性或隨意性。

圖3 汽輪機(jī)組臨界流量特性

4）3號(hào)機(jī)組調(diào)門(mén)空行程區(qū)域調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟速率過(guò)快的直接原因在于調(diào)節(jié)閥重疊度函數(shù)F（X2）采用線性方式來(lái)簡(jiǎn)化處理具有非線性特性的調(diào)節(jié)閥；同時(shí)，調(diào)節(jié)閥重疊度整定缺失相關(guān)技術(shù)規(guī)范或作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，難免出現(xiàn)重疊區(qū)域內(nèi)進(jìn)汽流量的線性失常（如前所述的流量緩滯現(xiàn)象）。

4 綜合整定方法

1）嚴(yán)格遵照1號(hào)機(jī)組各調(diào)節(jié)閥的既定閥序，獲取其單個(gè)調(diào)節(jié)閥流量特性函數(shù)F（X4）；

2）將零重疊度調(diào)節(jié)閥（組）按既定閥序依次關(guān)閉過(guò)程中記錄的實(shí)際流量結(jié)果直接視為FDEM流量指令本身，便可得到反映出汽輪機(jī)固有流量特性的標(biāo)定參照曲線；該標(biāo)定參照曲線可起到配汽曲線整定自查作用；

3）依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，逐一標(biāo)記各調(diào)節(jié)閥閥位指令與相應(yīng)實(shí)際流量，整理出單個(gè)調(diào)節(jié)閥的實(shí)際流量增益函數(shù)；通過(guò)該函數(shù)反向插值計(jì)算，即可回溯機(jī)組在原配汽曲線下的流量特性，同時(shí)，也無(wú)需通過(guò)試驗(yàn)即可預(yù)測(cè)機(jī)組在新配汽曲線下的流量特性。

4）整定后的調(diào)節(jié)閥重疊度函數(shù)F（X2）依照調(diào)節(jié)閥重疊度規(guī)范化整定技術(shù)[4]，并采用非線性分段函數(shù)形式，有效控制了調(diào)節(jié)閥空行程區(qū)域的開(kāi)啟速率（見(jiàn)圖4）。

圖4 調(diào)節(jié)閥重疊度整定

5）根據(jù)單個(gè)調(diào)節(jié)閥流量特性F（X4）的差異性，整定出各自的單閥流量修正函數(shù)F（X3）；同時(shí)，在調(diào)節(jié)閥小開(kāi)度區(qū)域（＜15%）采用嫁接方案，配汽曲線與整定前保持一致，以利于連續(xù)以往開(kāi)機(jī)操作習(xí)慣（見(jiàn)圖5）。

圖5 流量特性整定效果現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

依據(jù)上述方法步驟，將整定值輸入DEH系統(tǒng)配汽組態(tài)當(dāng)中，并開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示（見(jiàn)圖5）：整定后單閥和順序閥流量特性曲線均與1:1流量參照線近乎重合，有利于不同閥控方式下的進(jìn)汽流量的精確控制和在線無(wú)擾切換；同時(shí)，遵循各調(diào)節(jié)閥實(shí)際流量特性，調(diào)節(jié)閥重疊度、空行程開(kāi)啟速率以及預(yù)啟閥行程等均做了相應(yīng)調(diào)整，既避免了調(diào)門(mén)空行程運(yùn)行失穩(wěn)，又大幅降低了重疊度本底節(jié)流損失，提升了機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語(yǔ)

引進(jìn)型間接法配汽方式基于汽輪機(jī)組在不同調(diào)節(jié)閥控制方式下的普遍規(guī)律之上，通過(guò)流量比貫串并統(tǒng)一了單閥和順序閥的臨界流量需求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單閥和順序閥配汽的統(tǒng)籌管理。但該組態(tài)結(jié)構(gòu)存在先天缺陷和內(nèi)在矛盾，若按常規(guī)做法，單閥和順序閥流量線性均難以實(shí)現(xiàn)有效的流量特性非線性矯正且二者的流量特性線性也不可兼得。

針對(duì)引進(jìn)型機(jī)組間接法配汽組態(tài)的結(jié)構(gòu)特征，遵循既定閥序數(shù)值映射的配汽原則，準(zhǔn)確反映并還原出高壓調(diào)節(jié)閥（組）的非線性特征，同時(shí)，通過(guò)多方法綜合運(yùn)用及實(shí)施，消弭了間接法配汽組態(tài)結(jié)構(gòu)存在的先天缺陷和內(nèi)在矛盾，兼顧了單閥和順序閥流量特性二者的非線性矯正，解決了引進(jìn)型間接法配汽函數(shù)整定工作難度大，效率低且準(zhǔn)確性干擾環(huán)節(jié)多的難題，對(duì)于提升引進(jìn)型間接法配汽機(jī)組的進(jìn)汽流量控制精度和提高現(xiàn)場(chǎng)整定、實(shí)施效率有著積極意義。