DEH调门流量特性曲线修正试验与计算-高鹏义.doc

DEH调门流量特性曲线修正试验与计算高鹏义内蒙古国电电力工程技术研究院热控技术研究所 呼和浩特市010010摘要： DEH调门流量特性曲线作为DEH调节系统的核心反映了蒸汽轮机组理论设计与实际运行的结合性。由于机组运行时间的增加，设备的不断检修，不少机组（主要是已投产且运行时间长的机组）出现投产时输入的调门流量特性曲线与目前机组实际流量特性结合性变差或出现局部偏差的现象，反映出来的运行现象是在某段负荷区间或单阀/顺阀切换过程中负荷摆动大或调门动作幅度大且频繁。本文主要介绍了如何在机组实际运行中通过试验及计算重新修正DEH调门原始流量特性曲线，使修正后的DEH调门流量特性曲线与机组实际流量特性充分结合，消除上述系统振荡现象，进而提高DEH调节系统的可靠性与稳定性，满足生产要求和需要。关键词：流量特性；DEH阀门管理；重叠度；参数优化；0前言在生产过程中，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。1、DEH阀门管理功能阀门管理程序接受的控制信号是蒸汽流量百分比，通过程序计算将蒸汽流量百分比信号转换成相应的阀门开度百分比，在单阀方式时，高调门的开度都是一样的，计算较为简单，在顺序阀方式时，需要确定阀门的开启顺序，单独计算各个阀门的开度。在两种方式相互转换时也需要进行流量与开度的转换。1.1流量特性函数曲线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。“混合式”用的较多。图1 混合式DEH阀门管理程序示意图图2 独立式DEH阀门管理程序示意图“独立式”结构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。“混合式”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F(X3)，该函数决定于阀门的流量特性，当阀门的流量特性发生改变时，它就要随之人为改变，如果调整流量开度修正函数F(X3)，则会对两种控制方式都产生影响；流量开度修正函数F(X3)一般直接取用汽轮机厂提供的数据，当实际运行发现这一数据不准确时应通过试验重新整定。单阀方式下的流量背压修正函数F(X)由汽轮机厂提供，该函数实际反映的是阀后蒸汽流量特性，当机组叶轮检修后这一函数易发生变化，当实际运行发现这一数据不准确时应通过试验重新整定。2）顺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图4 独立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。流量背压修正函数F(X1)由汽轮机厂提供，当实际运行发现这一数据不准确时应通过试验重新整定。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。比例、偏置修正只在顺序阀方式时起作用，其参数是根据阀门的设计流量和阀门开关顺序来确定的。汽轮机厂说明书规定了顺序阀方式时阀门的开启顺序，比如1#2#同时开启，3#4#按顺序开启，如图5。K解决了由4阀承担的流量转为2阀或1阀承担后流量曲线的斜率问题，顺阀时的斜率要高于单阀时的斜率；B解决了CV3/CV4何时开启的问题，通过B值将CV3/CV4开启位置向后平移。具体如何计算，举例如下：根据汽轮机厂提供的顺阀流量曲线，我们知道当流量指令为0%时CV1/CV2全关，流量为0%，当流量指令为50%时，CV1/CV2全开，流量为100%，由图3所示公式：F2=F1K+B,可计算出K=2，B=0；同样查顺阀曲线可知，当流量指令为50%时，CV3正要开还未开，流量为0%，当流量指令为75%时，CV3全开，流量为100%，可计算出CV3的K+B，K=4，B=-200；同样，当流量指令为75%时，CV4正要开还未开，流量为0%，当流量指令为100%时，CV4全开，流量为100%，可计算出CV4的K=4，B=-300.这样，顺阀时当流量指令从0%100%变化时，就能实现CV1/CV2先开，全开后，CV3开始开，CV3全开后，CV4接着开直至全开，但整个过程阀门所提供的实际流量是和流量指令呈基本重合的线性关系，我们要的正是这样一个结果，即“要多少，给多少”，这样就保证了调节系统的快速性、稳定性、可靠性。但在实际运行中我们知道，并不是前阀全开后后阀才开，而是前阀接近全开时，后阀就提前开始开，就是前后阀有重叠，叫做重叠度，这个是必须有的，由流量修正函数F(X2)负责解决。图5单顺阀分配曲线1.2阀门重叠度流量修正函数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。采用喷嘴调节时，多个调节汽门依次开启，在前一个调门尚未全开时，后一调门便提前打开。当前一个调门全部打时，下一调门提前开启的量称为阀门的重叠度。设置重叠度的目的是为了使汽机需要的流量控制指令与实际给的蒸汽流量成线性关系，保证机组良好的调节特性，有利于机组滑参数运行。为何一定要设置重叠度，这是由阀门的升程流量特性决定的。F(X3)是流量升程（开度）函数，它的反函数F-(X3)就是升程（开度）流量函数。单阀整体升程流量特性见图6。图6 单阀整体升程流量特性由图可知，在阀门开度50左右，出现拐点，特性逐步开始呈非线性。阀门的有效升程，数值在70左右，此后阀门再开大，流量增加较少。顺阀整体升程流量特性见图7。 顺阀的整体升程流量特性就只取决于阀门开启的重叠度。图7 顺阀整体升程流量特性由图7可知，曲线选择的重叠度过小，即前一阀开度很大后才开后一阀，系统在调节时会生产较大的波动，在后一阀门将开启时，会发生调门大幅窜动的情况。图7中的曲线选择了合理的重叠度，阀门联合升程流量特性波动小，系统调节性能基本呈线性，稳定性最好。图7中的曲线选择的重叠度过大，除前面所讨论的会使经济性下降外，还会破坏升程流量特性的线性度，会使两个阀门重叠部分的流量增长过快，产生局部不等率变动，当汽机在该功率下运行时，有可能出现晃动。阀门重叠度有两种表述：行程重叠度和压力重叠度。行程重叠度：H 1H1 / Hmax式中H1为后阀开始开启时的前阀行程，Hmax为前阀全开行程。压力重叠度：p 1P1 / Pmax式中Pmax 和P1为后阀开始开启时，前阀的前、后压力。行程重叠度只有几何意义，没有热力学意义，压力重叠度才是决定调门调节特性的关键参数，一般以前一阀门开至前、后压力比P1/Pmax=0.850.90时，后一阀开启较为合适。然而，在DEH调节系统中，只能对行程重合度进行设定，不计算压力重叠度。另外，压力重叠度是会改变的，在机组大修时，由于阀门进行过行程调整和密封面的研磨，阀门各部件由于损坏而更换等情况，特性曲线会产生意想不到的偏差。单个阀门升程流量特性发生变化，此时若行程重叠度设定不变，会使调门调节特性改变，会直接影响汽机的经济性和调节特性。所以，应该定期的对调门的升程流量特性进行测定，对压力重叠度进行标定，保证机组调节特性满足稳定高效的要求。总的思路是通过设置重叠度使顺阀整体流量特性与流量需求指令尽量重合、平滑、线性，我们的目的就达到了。1.3单顺阀切换在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8所示。图8 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，01之间的小数；F(x1)：单阀方式下的调门流量指令；b：多阀系数，01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8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。2、蒸汽流量试验原理可将蒸汽轮机蒸汽通路简化为如图9所示。图9 汽轮机蒸汽通路示意图在一定的蒸汽参数下,蒸汽膨胀产生的机械功率与蒸汽的质量流量近似成正比关系。流过第i个调节阀的蒸汽流量Di与第i个调节阀等效节流面积Ai、主汽压力P0、调节级压力P1有关。总的蒸汽流量D等于各调节阀流量之和, 用式(1)表示。总蒸汽质量流量D与调节级后压力P1近似成比例关系, 用式(2)表示。各调节阀喷嘴组的质量流量Di与该调节阀等效面积Ai、主汽压力P0及流量函数成比例关系,用式(3)表示。 由式(1)(3)知,各调节阀等效面积Ai之和的总有效面积A满足式(4)蒸汽在喷嘴中膨胀加速,在调节级压力很小时,流速达音速,此时流量与阀后压力无关。随着流量增加,阀后压力增大,流速小于音速时,流量会随阀后压力增大而降低。这种效应可用流量函数式(5)表示1。其中:蒸汽绝热指数等于1.23,在临界压比0.5587以下,由式(1)(4)可知,试验时分别使单个调节阀全开全关一次,试验过程中保持其余调节阀开度不变,即可通过P1、P0的值计算出此阀门的有效面积Ai的百分比,即得到单个阀门的行程-流量函数fi,如式(7)。 (6) (7)其中：gmax、gmin分别为在试验调节阀全开、全关时g的值。该阀门流量占总流量的百分比i由式（8）确定。 （8）以VWO工况的总流量为标么值，可得到总流量修正函数，如式（9） （9）其中:P0e为额定主汽压力、P1v为额定VWO工况下调节级压力。通过查阅汽轮机热力系统计算书,即可得到额定主汽压力P0e、额定VWO工况下调节级压力P1v。按照上述要求分别对每个调节阀进行阀门流量特性试验。试验过程中必须保持其余调节阀开度不变,机组功率、压力缓慢平稳变化。每个调节阀全行程时间设置为10分钟。从DCS中导出各调节阀全行程变化时间段自动记录的数据:主汽压力P0、调节级压力P1、油动机行程行程。用EXCEL表中对各调节阀分别计算各点压比P1/P0、及g。用油动机全开、全关段g的平均值计算gmax、gmin。对g值归一化,计算式(7)(g-gmin)/(gmax-gmin)*100。用归一化CV行程、g作曲线,根据曲线适当选择11个点拟合得单个阀门的流量特性曲线f1。同样计算得f3f4。分别计算各阀门流量比例系数,并将计算结果归一化,使i=1。令P1从0到P1v变化,按式(9)计算f-1函数。用P1/P1v*100、f-1作曲线。根据曲线适当选择11个点拟合总流量修正曲线f-1。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10所示。图10 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；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，根据该点的流量指令，找到对应的调门开度值Y2，见图中点，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；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。3、蒸汽流量试验条件及方法3.1各个高调门单个流量特性测试（1）由运行人员将机组负荷升至90%额定负荷左右，并将所有汽机调门全开，记录下当前机前压力值。（2）逐渐减小#1高调门阀门指令, 直至该调门全关。在此过程中其它高调门一直维持全开状态。试验过程中由运行人员手动控制燃料维持主汽压力稳定。（3）GV1阀门全关且主汽压力稳定后,由热控人员逐渐将该调门调整至全开位。按照（2）、（3）步骤顺序依次进行其它各个高调门的阀门流量特性测试试验。3.2单阀方式下高调门整体流量特性测试（1）由运行人员将机组负荷升至90%额定负荷左右，并将所有汽机调门全开，记录下当前机前压力值。（2） 机组在多阀控制方式下，由运行人员在DEH画面上阶跃减小目标值（间隔5%额定负荷），设定值变化速率设定为0.5MW/min，使汽机高调门依次关闭，直至机组负荷降至60%额定负荷左右。每次目标值变化后需待主汽压力稳定时再进行下一负荷点的测试。（3）试验过程中由运行人员手动控制燃料维持主