汽輪機(jī)高壓調(diào)門流量特性分析與優(yōu)化

廣州恒運(yùn)企業(yè)集團(tuán)電力工程公司 李曉力

我們一般把經(jīng)過閥門的蒸汽流量，與閥門的相對開度（相對位移）之間的對應(yīng)關(guān)系稱為汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的工作流量特性。當(dāng)機(jī)組需要調(diào)整負(fù)荷及響應(yīng)一次調(diào)頻時(shí)，就要求DEH閥門能夠動作迅速準(zhǔn)確，經(jīng)過恰當(dāng)?shù)牧髁?，而如果閥門實(shí)際流量特性與汽輪機(jī)閥門理想的流量特性函數(shù)相差較大時(shí)，閥門開度偏大或偏小，就可能出現(xiàn)流量調(diào)節(jié)滯后或者負(fù)荷波動的問題，造成機(jī)組響應(yīng)滯后，影響機(jī)組的可靠性和負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。當(dāng)機(jī)組多閥方式運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)閥的流量特性還包括了閥門重疊度設(shè)置，設(shè)置的合理與否，影響著多閥投入后機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[1]。

高壓調(diào)門流量特性優(yōu)化是汽輪機(jī)性能提升和節(jié)能降耗的重要措施之一，通過優(yōu)化高壓調(diào)門流量特性曲線可以提高汽輪機(jī)閥門的調(diào)節(jié)精度，改善機(jī)組的負(fù)荷控制，降低機(jī)組煤耗等。廣州恒運(yùn)電廠的#8亞臨界發(fā)電機(jī)組主要通過DEH系統(tǒng)的調(diào)門控制機(jī)組負(fù)荷，因此高壓調(diào)門流量函數(shù)特性曲線對汽機(jī)控制非常重要。其供熱改造后一直存在著高壓調(diào)節(jié)閥門節(jié)流損失大、負(fù)荷調(diào)節(jié)波動大等問題，通過對DEH系統(tǒng)高壓調(diào)門的流量特性試驗(yàn)及相關(guān)參數(shù)分析和計(jì)算，修改了高壓調(diào)門流量特性曲線，解決了機(jī)組運(yùn)行中負(fù)荷波動和閥門擺動大等問題，并且優(yōu)化了調(diào)門的重疊度，降低了多閥方式下調(diào)門的節(jié)流損失，有效地解決了存在的問題，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果，從而適應(yīng)了電力市場現(xiàn)貨交易的需要，提高了機(jī)組的盈利能力。

1 機(jī)組流量特性曲線優(yōu)化前存在的問題

廣州恒運(yùn)電廠的#8機(jī)組是東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的亞臨界一次中間再熱、高中壓合缸凝汽式汽輪燃煤發(fā)電供熱機(jī)組，為單元制熱力系統(tǒng)，機(jī)組采用高壓抗燃油控制系統(tǒng)。DEH系統(tǒng)為GE新華公司的產(chǎn)品，與分散控制系統(tǒng)（DCS）實(shí)現(xiàn)軟硬件一體化，組態(tài)軟件為XDPS400+，系統(tǒng)配了七塊VPC閥門控制卡，分別控制一個(gè)主汽門、四個(gè)高壓調(diào)門和兩個(gè)中調(diào)門。

機(jī)組在運(yùn)行過程中，機(jī)組DEH控制系統(tǒng)接受負(fù)荷增減指令，采集轉(zhuǎn)速、功率、調(diào)節(jié)級壓力以及閥門的LVDT反饋等信號，然后經(jīng)過閥門管理程序的分析和計(jì)算，將閥門流量控制信號分別輸出到各個(gè)電液伺服閥，控制油動機(jī)調(diào)整高中壓調(diào)門的開度，從而控制機(jī)組的運(yùn)行。單閥方式下，汽輪機(jī)四個(gè)高壓調(diào)門保持同樣開度，蒸汽全周進(jìn)入汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級動葉，使得汽輪機(jī)本體均勻受熱、受力，一般在啟停工況、異常工況等狀態(tài)使用。為了保證運(yùn)行安全，機(jī)組一般帶到一定負(fù)荷后才可切換至多閥方式，四個(gè)調(diào)門根據(jù)一定順序開啟，允許閥門之間存在合適的重疊度，從而減少開度過低造成的調(diào)門節(jié)流損失，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。

#8機(jī)組自供熱改造以來，多閥方式下經(jīng)常存在有調(diào)門擺動大、單多閥切換期間負(fù)荷波動大等問題，也曾出現(xiàn)了多次調(diào)門卡澀或突然關(guān)閉的情況，導(dǎo)致機(jī)組長期單閥運(yùn)行，影響著機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在2020年機(jī)組大修期間更換了高調(diào)門的LVDT反饋裝置，增加并校準(zhǔn)了調(diào)節(jié)級壓力變送器，將高壓調(diào)門伺服閥前后的差壓信號接入DCS系統(tǒng)，同時(shí)在機(jī)組啟動前將閥門的零位和滿位整定正確，確保反饋能正常跟蹤指令，試驗(yàn)過程中充分地收集高壓調(diào)門流量特性曲線試驗(yàn)所需要的運(yùn)行參數(shù)，使我們能夠在DEH系統(tǒng)上對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，最終優(yōu)化高壓調(diào)門的流量特性曲線。

2 流量特性曲線優(yōu)化的試驗(yàn)過程

結(jié)合負(fù)荷調(diào)度曲線制定試驗(yàn)計(jì)劃，按以下順序進(jìn)行汽機(jī)高壓調(diào)門流量特性優(yōu)化整定試驗(yàn)：機(jī)組啟動并帶負(fù)荷—機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行，退出供熱—機(jī)組單閥方式下的升負(fù)荷試驗(yàn)—調(diào)門全開時(shí)切換單多閥—機(jī)組多閥方式下的降負(fù)荷試驗(yàn)—恢復(fù)DEH系統(tǒng)控制，投入AGC一次調(diào)頻，試驗(yàn)完成[2]。機(jī)組試驗(yàn)時(shí)，確保就地閥門動作正常無卡澀，位移傳感器反饋桿已緊固，在DCS上設(shè)置記錄曲線，包括機(jī)組負(fù)荷指令、流量給定值REFDMD、高調(diào)門閥位反饋、閥門指令、主蒸汽壓力和溫度、調(diào)節(jié)級壓力、機(jī)組轉(zhuǎn)速、實(shí)發(fā)功率、TSI參數(shù)、DEH異常報(bào)警等內(nèi)容。通過測試收集DEH各種工況下高壓調(diào)節(jié)門升程（閥位開度）與流量（調(diào)節(jié)級壓力）的流量特性，優(yōu)化閥門管理程序，分析和修改閥門工作曲線，最終改善DEH的調(diào)節(jié)品質(zhì)。試驗(yàn)過程應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視軸振、脹差、軸位移和負(fù)荷等變化，如出現(xiàn)過大變化時(shí)應(yīng)立即退出試驗(yàn)。

測取步驟一般是先單閥方式、后多閥方式，試驗(yàn)過程應(yīng)包括各個(gè)高調(diào)閥依次動作的交界點(diǎn)（重疊度）。單閥方式試驗(yàn)，通知運(yùn)行人員在DEH系統(tǒng)將負(fù)荷指令從低負(fù)荷開始逐漸加至額定負(fù)荷。進(jìn)行單閥切換到多閥試驗(yàn)時(shí)，為防止在各種負(fù)荷工況下進(jìn)行單多閥切換時(shí)可能出現(xiàn)的調(diào)門開關(guān)引起的負(fù)荷波動，試驗(yàn)選擇在滿負(fù)荷的情況下進(jìn)行，無論是單閥還是多閥控制器給閥門指令都將會是100%，額定蒸汽流量進(jìn)入汽輪機(jī)，此時(shí)單切換多閥時(shí)閥門管理程序就會繼續(xù)保持閥門全開，切換過程中機(jī)組負(fù)荷也能夠保持基本穩(wěn)定、且調(diào)門不會來回波動。切換完畢后機(jī)組進(jìn)入多閥方式下試驗(yàn)，汽輪機(jī)工作負(fù)荷從滿負(fù)荷降至試驗(yàn)最低負(fù)荷，觀察并記錄閥門的動作情況，調(diào)整負(fù)荷時(shí)應(yīng)每隔5MW停留1～2分鐘，待蒸汽參數(shù)穩(wěn)定后再進(jìn)行負(fù)荷變化[2]。

2.1 單閥方式下的流量特性試驗(yàn)

機(jī)組啟動并網(wǎng)，把主汽溫逐漸提高到530℃左右并保持相對穩(wěn)定；把主汽壓力控制在合適值（即機(jī)組閥門流量指令值為100%時(shí)滿負(fù)荷的主汽壓力），變化不大于±0.3MPa；使機(jī)組暖機(jī)充分，溫度偏差正常后DEH系統(tǒng)進(jìn)入開環(huán)控制，由運(yùn)行人員進(jìn)行負(fù)荷增減。試驗(yàn)時(shí)，將機(jī)組負(fù)荷的升速率控制在3MW/min以內(nèi)，負(fù)荷每升高6MW停留2分鐘，以穩(wěn)定主汽壓力和溫度，然后慢慢將負(fù)荷指令升到100%，四個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥全開，此時(shí)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行。單閥方式下的升程試驗(yàn)由于涉及機(jī)組負(fù)荷的較大變化，因此應(yīng)該在機(jī)組充分暖機(jī)后進(jìn)行，并且對機(jī)械閥位加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)視，防止閥桿卡澀或脫落影響流量控制。在試驗(yàn)過程中需要在DCS上采集機(jī)組轉(zhuǎn)速、主汽壓力、發(fā)電機(jī)功率、調(diào)節(jié)級壓力、閥門開度指令、高壓調(diào)門閥位和負(fù)荷指令等參數(shù)。

2.2 切換至多閥方式下的流量特性試驗(yàn)

DEH的控制系統(tǒng)通常根據(jù)運(yùn)行人員或AGC的負(fù)荷指令，結(jié)合當(dāng)時(shí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、實(shí)發(fā)功率、調(diào)節(jié)級壓力等參數(shù)，得出與相對應(yīng)的流量計(jì)算值，經(jīng)過閥位限制器和壓力控制器，通過閥門管理程序得到與流量相對應(yīng)的閥門開度指令，控制進(jìn)入汽輪機(jī)蒸汽流量，因此達(dá)到機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷值[3]。單閥方式運(yùn)行時(shí)，汽缸均勻進(jìn)氣，DEH控制器將總的流量指令信號平均分配到各個(gè)高壓調(diào)節(jié)門上，各個(gè)調(diào)門同時(shí)開啟或者關(guān)閉，好像一個(gè)閥門一樣。

而多閥方式控制時(shí)，控制器按設(shè)定的流量特性曲線將指令依次加到高調(diào)閥1～高調(diào)4上，每個(gè)調(diào)門流量控制指令疊加了不同的偏置信號（偏置解除，即為單閥），各調(diào)門則按順序開大或關(guān)小。機(jī)組為滿負(fù)荷后，汽輪機(jī)切換到多閥方式下運(yùn)行，繼續(xù)維持機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定，保持閥門流量總指令值為100%。

進(jìn)入DEH組態(tài)，在閥門管理程序中取消原多閥方式下的各個(gè)調(diào)門流量曲線的重疊度設(shè)置（閥門總流量指令等于100%才能修改)，并進(jìn)行多次試驗(yàn)，當(dāng)出現(xiàn)前一個(gè)閥門開至調(diào)節(jié)級壓力/主汽壓力的比值為0.85～0.90，緊后一個(gè)閥開始開啟時(shí)，此時(shí)可設(shè)置重疊度。然后繼續(xù)以3MW/min的速度(防止機(jī)組負(fù)荷變化過快)減少閥門流量總指令,每減少6MW，穩(wěn)定3分鐘以保持主汽壓的穩(wěn)定，直到機(jī)組到達(dá)試驗(yàn)負(fù)荷低限，多閥方式下的機(jī)組降程試驗(yàn)完成。整個(gè)過程需要記錄機(jī)組調(diào)節(jié)級壓力、主汽壓力、調(diào)節(jié)級后溫度、發(fā)電機(jī)功率、閥門開度指令、高壓調(diào)門閥位和負(fù)荷指令等參數(shù)，并嚴(yán)密監(jiān)測汽輪機(jī)在切換過程中的振動特性變化[3]。

3 流量特性曲線優(yōu)化

根據(jù)上述試驗(yàn)得到的記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算得出了單閥方式和多閥方式的高壓調(diào)門流量特性修正曲線，并進(jìn)行了修改和優(yōu)化。為了保證特性曲線比較平滑、減少閥門節(jié)流損失，將閥門重疊度也進(jìn)行了優(yōu)化。閥門特性曲線修改優(yōu)化完畢后，通過機(jī)組在不同負(fù)荷下進(jìn)行單閥/多閥切換試驗(yàn)來檢驗(yàn)修改后的閥門流量特性曲線能否達(dá)到要求。

由于汽輪機(jī)并無直接的蒸汽流量測量信號送至DEH系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)級壓力與額定壓力比的公式來得到汽輪機(jī)的實(shí)時(shí)經(jīng)過閥門的蒸汽流量，公式為Q=P1/P0×P'2/Pt。式中，Q為蒸汽流量，P1為試驗(yàn)過程中的調(diào)節(jié)級壓力；P0為額定負(fù)荷下的調(diào)節(jié)級壓力；為額定負(fù)荷下的高壓主汽門前主蒸汽壓力值；Pt為試驗(yàn)過程中的壓力試驗(yàn)值，將試驗(yàn)過程中得到的各個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)代入公式可以得到間接的蒸汽流量值[4]。

根據(jù)閥位和對應(yīng)的蒸汽流量值，經(jīng)過分析及計(jì)算，保留了原有5%以下的預(yù)啟開度，得出了單閥控制方式下新的閥位與實(shí)際流量之間的對應(yīng)關(guān)系，其流量指令/閥位分別為：0.0/0.01、0.75/5、16.5/11.58、63.2/36.4、68.8/39.1、78/43.1、82.1/45.7、86.4/51.1、93.1/58.8、98.8/73.8、100/100。繪制了閥門新的特性曲線與舊的特性曲線的對比圖，如圖1所示。閥門新流量特性曲線圖和舊特性曲線在指令60%以下基本相同，但在后半部分新的特性曲線更加平滑，基本上接近閥門固有的流量特性。

圖1 單閥控制方式下閥門流量特性曲線新舊對比圖

多閥方式的試驗(yàn)，將汽機(jī)的4個(gè)高調(diào)門以不同負(fù)荷的各自閥位和對應(yīng)的流量指令進(jìn)行分析計(jì)算，得到了新的閥門流量特性函數(shù)，如表1所示，繪制出了新閥門特性曲線圖與舊閥門特性曲線圖的對比圖，如圖2所示。

圖2 多閥控制方式下閥門流量特性曲線新舊對比圖

表1 多閥方式下閥門流量特性函數(shù)

從圖2曲線可看出，多閥方式下的新舊閥門流量曲線在指令70%以后存在有較大差別，在流量指令相同的情況下，修改后的高調(diào)1～高調(diào)3的開度比原來增大了5%左右，指令覆蓋點(diǎn)比原來增多，新的曲線也比原來光滑；修改后的GV4流量指令在80～90%方打開預(yù)啟段，減少了節(jié)流損失，提高了機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益。

通過試驗(yàn)得出的汽輪機(jī)高調(diào)門的工作流量特性與理想流量特性基本一致，在相同的負(fù)荷指令下流量控制偏差很小。流量特性調(diào)整后的單多閥切換，投入功率回路后負(fù)荷波動小于3MW，壓力及閥位變化平穩(wěn)，汽機(jī)本體參數(shù)運(yùn)行正常，閥門流量特性優(yōu)化試驗(yàn)達(dá)到了目的。

綜上，我廠汽輪機(jī)閥門流量特性曲線通過優(yōu)化后，實(shí)際負(fù)荷和流量指令的變化值基本同步，提高了系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)、減少了閥門擺動，機(jī)組負(fù)荷的穩(wěn)定也使鍋爐燃燒更穩(wěn)定，滿足了機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要。同時(shí)，通過修改多閥方式下的閥門重疊度，單、多閥實(shí)現(xiàn)順利切換，減少了調(diào)門節(jié)流損失、降低了發(fā)電煤耗，取得了理想的經(jīng)濟(jì)效果。