汽轮机调门流量曲线测试及流量管理函数优化研究.docx

汽轮机调门流量曲线测试及 流量管理函数优化研究 李阳海1，2 ，张才稳2 ，杨涛1 ，王昆1( 1 华中科技大学能源与动力工程学院，武汉 430077;2 湖北省电力公司电力科学研究院，武汉 430074)摘要: 分析了汽轮机调门流量曲线测试及流量管理函数优化的重要性，改进了汽轮机调门流量曲线的测试方法，并 提出了一种新的基于多边界条件多目标的流量管理函数优化方法，在对某 330MW 机组调节系统控制品质优化的 过程中取得了很好的效果，提高了顺序阀模式下流量曲线的线性度，减少了调门的重叠度，提高了机组热经济性。 关键词: 汽轮机; 调门; 流量曲线; 测试; 优化分类号: TP273 5文献标识码: A文章编号: 1001-5884( 2012) 05-0368-04Steam Turbine Ctrol Valve Flow Curve Measuring andFlow Dispatch Function Optimization ResearchLI Yang-hai1，2 ，ZHANG Cai-wen2 ，YANG Tao1 ，WANG Kun1( 1 College of Energy Power Engineering，Huazhong University of Science Technology，Wuhan 430077，China;2 Electric Power Test Research Institute of Hubei Power Corporation，Wuhan 430074，China)Abstract: Analyzes the importance of steam turbine control valve flow curve measuring and flow dispatch function optimization，improves the test method of steam turbine cotrol valve flow curve measuring，and also brings forward a new flow dispatch function multi limit multi-goal optimization The application of these methods during a 330MW steam turbine control system optimization shows a good performance，and inseased the linear of flow curve，decrease the valve overlap， increase unit thermal performanceKey words: steam turbine; control valve; flow curve; measuring; optimization动2，3。究其原因，主要是由于调门流量管理函数设置不合 理，流量指令与实际调门流量输出之间并不成线性关系，在 某些位置存在流量不灵敏区，而在某些位置又会出现流量突 变造成的。随着国内对机组控制水平要求的不断提高，特别是电网 对机组 AGC 控制以及一次调频 功 能 的 考 核，使 得 各 电 厂 日 益注重提高机组自动控制的调节品质，在 这 种 情 况 下，研 究 如何优化顺序阀模式下调门的流量管理函数具有十分重要 的现实意义。测定调门流量曲线是对流量管理函数进行优化的基础。本文在目前国内采用过的调门流量曲线测试方法基础上进 行了进一步优化，更易于现场组织实施，且方法简单，测量精 度高。同时，在对调门流量管理函数进行优化的过 程 中，提 出了一种新的多边界条件多目标值的优化方法，并在实际应 用中取得了很好的效果。0前言当汽轮机处于运行状态时，调门的开度变化将会产生进汽量的变 化，从而改变机组负荷。对 汽 机 调 门 的 控 制 是 在 DEH( 数字式电 液 系 统 ) 中 实 现 的。一 般 来 讲，DEH 对 调 门 有两种控制模式，一种是单阀模式 ( 节流模式) ，一种是 顺 序 阀模式( 喷嘴模式) 。在机组启动初期或带低负荷时，采用单 阀控制模式比较有利，此时汽流将会以 360全周进入调节级 叶片，使汽轮机内部部件得到较为均匀的加热和膨胀，从 而 使主蒸汽状态与汽机内部金属温度达到更好的匹配。因此， 在机组运行的 前 6 个月一般都要求采用单阀模式运 行1。 当机组投入商业运 行，各控制装置及各系统均正常后，为 减少阀门的节流损失，提高机组热经济性，则会将调门控制模 式改为顺序 阀 模 式，即每一只调门按照一定的顺序先后开 启，这是通过设定每一只调门在顺序阀模式下的流量管理函 数来实现的。顺序阀模式下各调门的流量管理函数通常由汽轮机厂 家提供。但是，实际调试及运行过程中经常会发现，在 某 些 区域虽然流量指令 有 变 化，但负荷变化却不明显，而 在 某 些 区域即使流 量指令仅有少量变化，负荷却出现了大幅的波 1汽轮机调门流量曲线测试方法研究1 1一般性原则汽轮机调门流量曲线( 也称调门特性曲线) ，也即调门开度与主蒸汽流量 之 间 关 系。对它的测试是进行调门流量管 收稿日期: 2012-02-07作者简介: 李阳海( 1980-) ，男，汉族，工程师，博士研究生，研究方向: 热力设备自动化、数字仿真、热力系统经济性。第 5 期李阳海等: 汽轮机调门流量曲线测试及流量管理函数优化研究369理函数优化的基础，一般包括单个阀门流量曲线的测试和顺序阀模式下整体流量曲线的测试。在得到每一只阀门的流 量曲线后，就可以通过一定的优化方法，修改各调门的流量 管理函数，使流量指令与各阀门整体流量输出之间呈现线性 关系，从而优化调节品质。对整体流量曲线的测试则主要是 为了判定机组流量输出是否线性或检验优化的效果。由于主蒸汽的压 力、温 度 均 很 高，实 际 试 验 过 程 中 很 难 直接准确测量主蒸汽流量，因此一般都采用与主蒸汽流量基 本成线性关系的调节级压力来代替，这样调节级压力的变化 就可以看做主蒸汽流量的变化。国内目前对单个调门流量 曲线测试的研究较少4，对整体流量曲线的测试方法研究较 多5，6，但普遍存在试验条件苛 刻，持 续 时 间 长，精 度 不 够 的 缺点。本文在试验方法上做了一些改进，试验条件更容易满 足，且试验过程简单，测试精度高。级压力; ptr 为额定负荷时主汽压力值; pt 为不同负荷下的试 验压力。2汽轮机调门流量管理函数优化方法研究2 1一般性原则在获取了单个调门的流量曲线之后，即可据此对调门流量管理函数进行 优 化。调门流量管理函数是流量指令与单 个调门开度指令之间的关系，它负责完成流量在各个调门之 间的分配。对调门流量管理函数进行优化实际是一个多目 标值、多边界条件下 的 组 合 问 题，结合生产运行的需要通常 有以下要求:( 1) 流量指令与实际流量之间应尽量呈现 线 性 关 系，从 而提高控制系统的调节品质。( 2) 在前一调门能维持流量线性输出的情况下后一阀门应尽量晚开，减少阀门重叠度，减少阀门节流损失，从而提高 机组的热经济性。( 3) 调门开启初期动作不宜过慢，减少阀门冲刷。( 4) 调门开启末段动作不宜过快，防止阀门 在 高 阀 位 剧 烈振荡。( 5) 考虑到机组不会在过低的负荷段长期 运 行，因 此 在 较常运行的负荷区间对流量管理函数进行优化，也即对最后开启的几只调门进行优化更有现实意义。2 2 改进的调门流量管理函数优化方法在对调门流量管理函数进行优化方面，国内已有学者做 了一些有益的 探 索，总体而言主要有经验 法7，8、投 影 绘 图法6，9等，本文通过对调门流量曲线进行反向映射，分段确定调门开启量，并设定阀门开启速率限制，可在保证流量输出 线性的基础上避免阀门振荡。按照上述优化原则，实际优化时可按照下列步骤进行:( 1) 确定流量管理函数优化的调门以及优化区间。如某 机组共 6 只 高 调 门，开 启 顺 序 为 1 号 /2 号 4 号 5 号 6号3 号，则可以将后 3 只调门作为优化对象，此时从 4 号高调门完全打开时对应的流量指令 ( 如51% ) 直至所 有 调 门 全 开时对应的流量指令 ( 如100% ) 就 是 优 化 区 间，此 时 前 3 只调门已不会影响整体的流量输出。( 2) 在优化区间内按照1% 的间隔在各调门之间分配流 量。原则上先预设调门开启速度限制( 防止调门振荡) ，如流量指令每增加1% ，调门开启不得超过6% 。由于各调门流量曲线已通过试验获 取，通过查找单个阀门的流量曲线，就 可 以知道流量指令每增加1% 所需要增加的调门开度。只要增加的调门开度未达限制值，则下次增加流量指令时仍优先由这只阀门增加 开 度。如果当流量指令增加1% ，而 这 只 调 门 需增加的开度超过 限 制 值，则此时下一只调门就需要开启，补足流量增加的不足部分。表 1 是对某 330MW 机组调门流量管理函数进行优化时的计算表格，可以很明显看出，当 调 门开度增加超限时下一只调门就会打开。( 3) 局部 细 化。为 防 止 调 门 开启初期开度过小引起冲 刷，可在开启初期适当增加开启速度。检查调门开启时上一 调门流量是否已基 本 饱 和，适当调整调门开启速率限制值，从而减少或增加调门重叠度。1 2改进的调门流量曲线测试方法在对某 330MW 机组进行调门流量曲线测试时采用了如下的试验方案。1 2 1单个调门流量曲线测试( 1) 以顺序阀方式带负荷70% 左右，DEH 切除遥控及功率、压力、一次调频回路。( 2) 锅炉维持稳定燃烧，以手动方式增加流 量 指 令 直 至 所有调门全开，机组滑压运行。( 3) 当所有高调门全开后，通过阀门活动试 验 功 能 块 依 次对各高调门进行全行程活动试验，试验时通过修改内部组 态，使调门开关速率控制在1% / s。( 4) 试验过程中同步记录机组主蒸汽压力、调节级压力、发电机功率、各高调门指令及反馈，采样频率 1 次 / s。1 2 2 顺序阀模式整体流量曲线测试( 1) 以顺序阀模式带负荷70% 左右，DEH 切除遥控及功 率、压力、一次调频回路。( 2) 锅炉维持稳 定 燃 烧，以 手 动 方 式，按 照2% / min的 速 率逐渐增加流量指令，直至所有调门全开，机组滑压运行。( 3) 当所有高调 门 全 开 后，再 以 手 动 方 式，按 照2% / min 的速率逐渐减少流 量 指 令，直 至 DEH 流 量 指 令 达 到50% 左 右。( 4) 试验过程中，锅炉维持稳定燃烧，如有超压危险可适 当调整。1 3 调门流量曲线的绘制方法完成上述试验项目以后，即可通过计算获取调门开度与 主蒸汽流量之间的关系，并绘制出单个调门流量曲线及整体 流量曲线。对单个调门的流量可按照弗留格尔公式进行推算:Gi Gi0pi pi0( 1)G =G Gp pi i0i i0式中，G 为体积流量百分比; pi 、Gi 为被测试调门全开时调节级压力、蒸汽流量; pi0 、Gi0 为被测试调门开度为 0 时调节级压 力、蒸汽流量; pi 、Gi 为采样时调节级压力、蒸汽流量。对整体流量可按照下式进行推算: pim ptr Q = p( 2)ptimr式中，Q 为等效实 际 流 量; pim 为 调 节 级 压 力; pimr 为 额 定 调 节370汽 轮 机 技 术第 54 卷某 330MW 机组调门流量管理函数计算表格( 部分)表 1总理论流量，%GV5 理论流量，%GV5 指令，%GV6 理论流量，%GV6 指令，%GV3 理论流量，%GV3 指令，%60 3961 3862 3763 3664 3565 3466 3367 3268 3169 3062 3368 2874 2280 1685 4989 1592 1394 4196 5197 4824 7427 3129 8834 9740 9746 9752 9758 9764 9770 970 000 000 000 000 612 905 879 5313 3718 340 000 000 000 000 954 506 709 0610 4211 290 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 003汽轮机调门流量曲 线测试及流量管理函 数优化实例某 300MW 汽轮机通过通流部分改造后，增 加 汽 轮 机 出力至 330MW。改造完成后试运行期间发现协调控制调节品 质变差，某些负荷点容易出现负荷振荡，严重影响机组完成 AGC 及一次调频考核。此外，该汽机最后开启的 3 号高调门 在高负荷段运行时会出现调门巨幅振荡，为此热工人员不得 不将流量指令上限设定为97% ，影响机组安全以及带大负荷 能力。将该机组原始调门流量管理函数绘制在一张图上即为 重叠度曲线，如图 1 所示。图 3某 330MW 机组 GV6 流量曲线图 1 某 330MW 机组原始调门重叠度曲线按照新设计的流量曲线测试方法对该机组调门流量曲 线进行了测试，测试结果如图 2 图 5 所示。从测试结果来看，该机组调门在顺序阀模式下存在以下 问题:图 4某 330MW 机组 GV5 流量曲线图 5 某 330MW 机组顺序阀模式整体流量曲线( 1) GV 流量指令与实际流量之间线性度不够，且70% 以 及80% 流量指令附近存在一定的不灵敏区。( 2) 3 号高调门在流量指令末段开 启 过 快，造 成 带 大 负 荷时出现阀门振荡。图 2 某 330MW 机组 GV3 流量曲线第 5 期李阳海等: 汽轮机调门流量曲线测试及流量管理函数优化研究371( 3) 阀门 重 叠 度 较 大，GV6 开 启 时 GV5 的 流 量 尚 不 足40% ，GV3 开启时 GV6 流量不足67% ，增加了机组 低 负 荷 运 行时的节流损失。利用改进后的流量管理函数优化方法对 5 号、6 号、3 号 高调门流量管理函数进行了优化，优化后机组重叠度曲线如 图 6 所示。理论情况下，优化后顺序阀模式下整体流量曲线将如图7 所示。呈线性关系，AGC 指令跟踪正常，调节动静态偏差小，顺利通过 AGC 功能考核。( 3) 阀门重叠度 减 小，6 号、3 号高调门延迟开启。5 号 高调门流量达到约85 5% 时 6 号高调门 开 启，6 号 高 调 门 流 量达92 2% 时 3 号高 调 门 开 启，阀门节流损失大大减小，提 高了机组热经济性。4结语本文论述了顺序阀模式下调门流量管理函数优化的重要性，针对目前采用的调门流量曲线测试及调门流量管理函 数优化过程中存在 的 问 题，提出了新的思路，设 计 了 新 的 测 试试验方案和函数 优 化 方 法，在 对 某 330MW 调 门 流 量 管 理 函数进行优化的过程中取得了很好的效果，可以为相关的试 验和优化工作提供参考。参 考 文 献1上海 汽 轮 机 有 限 公 司 N300 16 7 /538 /538 型 300MW 中 间再热凝 汽式汽轮机运行说 明R 上 海 汽 轮 机 有 限 公 司，2004 8张 斌，蔡奇新 DEH 阀门流量特性曲线对机组协调控制的影 响J 江苏电力工程，2008，27( 1) : 75 77刘 新 龙，巨 林 仓，胡 平，等 DEH 阀 门 流 量特性曲线校正 J 汽轮机技术，2011，70( 4) : 288 290王文宽 大型汽轮机阀门管理参数的现场整定J 汽轮机技 术，2008，50( 2) : 156 158吕继奎 国产 引 进 型 300MW 机组顺序阀运行研 究J 中 国 电力，2003，36( 4) : 21 24张 曦，黄卫剑，朱亚清，等 汽轮机阀门流量特性分析与优化J 南方电网技术，2010，4( 1) : 72 75何永斌，李大 中 200MW 机组负荷波动原因 分 析 及 处 理J电气工程与自动化，2011，9: 1 2温志勇，陆 炜 汽轮机阀门特性优化办法的改 进J 中 国 电力教育 2010 年管理论丛与技术研究专刊: 692 694 田松峰，史志杰，闫 丽 涛 汽轮机控制系统中阀门重叠度的研 究J 汽轮机技术，2008，50( 6) : 448 450图 6 某 330MW 机组优化后调门重叠度曲线234567图 7 某 330MW 机组优化后顺序阀模式整体流量曲线( 理论值)从优化后机组运行状况来看:( 1) 解除流量指令97% 的 上 限 后，带 大 负 荷 时 3 号 调 门 未出现振荡现象，不再影响机组出力。( 2) 机组调节品质明显提高，流量指令与实际负荷基本89( 上接第 323 页)cle Dynamics and Blade Erosion in Axial Flow Turbines J Jour-nal of Engineering for Gas Turbines and Power，1991，113: 607 615凌志光，姜小敏 透平流道内颗粒运动轨迹的数值模拟及冲蚀 分析J 上海工程技术大学学报 ，1998，12( 3) : 1 8 姜小敏，凌志光 含尘流透平叶片冲蚀的数值分 析J 工 程 热物理学报，2001，22( 1) : 59 62鞠凤鸣，韩万金 固体颗粒磨损的数值模拟计算