汽輪機(jī)組順序閥配汽函數(shù)整定仿真

王小波，李侶，吳輝，吳楊輝，萬忠海

（1.南昌科晨電力試驗(yàn)研究有限公司，江西 南昌 330096；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；3.國家電投集團(tuán)江西電力有限公司新昌發(fā)電分公司，江西 南昌 330117）

0 引言

伴隨著社會(huì)用電峰谷差幅日益擴(kuò)大以及可再生能源發(fā)電和特高壓輸電等非調(diào)頻電量占比逐年迅猛攀升，煤電汽輪機(jī)組深度調(diào)頻調(diào)峰運(yùn)行已成為常態(tài)，這對部分負(fù)荷下汽輪機(jī)組變工況特性產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響[1]。現(xiàn)代汽輪機(jī)組廣泛采用數(shù)字電液控制系統(tǒng)（digital electro-hydraulic control system，DEH）進(jìn)行閥門管理[2]。通常將DEH系統(tǒng)流量指令（Flow Demand Energy Management，F(xiàn)DEM）與汽輪機(jī)實(shí)際進(jìn)汽流量百分比之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系視為汽輪機(jī)組調(diào)門流量特性[3]。DEH系統(tǒng)通過其內(nèi)置的配汽函數(shù)將接收到的總調(diào)門開度轉(zhuǎn)化為每個(gè)調(diào)門的調(diào)門開度來負(fù)責(zé)調(diào)門（組）進(jìn)汽流量的非線性矯正及綜合管理。由于間接法配汽組態(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統(tǒng)籌單閥方式和順序閥方式的配汽管理，中間函數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，現(xiàn)場整定及實(shí)施困難較大，準(zhǔn)確性不高[4]。大量研究顯示，數(shù)值仿真具有積極的理論指導(dǎo)作用，可有效提升實(shí)踐能力與工作成效。文中針對間接法配汽函數(shù)特征，借助德國STEAG電站能源公司Ebsilon Professional電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件開展汽輪機(jī)順序閥配汽函數(shù)整定的仿真建模，為汽輪機(jī)組調(diào)門流量特性整定工作提供技術(shù)參考。

1 配汽函數(shù)組態(tài)

DEH系統(tǒng)配汽函數(shù)直接決定著FDEM流量指令與各調(diào)門開度的相互對應(yīng)關(guān)系。在間接法配汽函數(shù)組態(tài)中，流量指令（FDEM）經(jīng)過若干中間函數(shù)的換算形成每個(gè)高壓調(diào)門的調(diào)門開度（見圖1）。其中：背壓修正函數(shù)F（X1）反映了順序閥下的實(shí)際流量與臨界流量的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系，其負(fù)責(zé)將流量指令（FDEM）需求轉(zhuǎn)換為臨界流量需求；流量分配函數(shù)KX+B依據(jù)順序閥各調(diào)門（組）在既定閥序（如CV1|CV2→CV3→CV4）下所對應(yīng)的臨界流量控制范圍，將臨界流量需求依次分配給各調(diào)門（組）；函數(shù)F（X2）負(fù)責(zé)推遲或提前順序閥下前、后開啟的調(diào)門間的臨界流量需求，以生成一定的調(diào)門重疊度；單閥流量修正函數(shù)F（X3）為單閥方式下的流量指令（FDEM）與臨界流量的數(shù)值轉(zhuǎn)換關(guān)系；函數(shù)F（X4）依據(jù)單個(gè)調(diào)門的調(diào)門開度與所控制的臨界流量之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。間接法配汽函數(shù)將上述單閥、順序閥各自輸出的臨界流量需求轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的調(diào)門開度。

圖1 間接法配汽函數(shù)組態(tài)示意圖

由于汽輪機(jī)調(diào)門屬于快開型調(diào)節(jié)閥，其調(diào)門流量特性（數(shù)值上表征為調(diào)門開度與進(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。這一非線性特征不僅與調(diào)門（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)門所處閥門開啟順序不同，其流量特性的數(shù)值表征函數(shù)亦不相同。對于間接法配汽函數(shù)而言，各中間函數(shù)能否正確反映出各調(diào)門的非線性特征，直接影響到汽輪機(jī)組流量特性的線性程度，即配汽函數(shù)的整定質(zhì)量。

2 順序閥流量特性整定仿真

2.1 仿真計(jì)算模型簡介

文中以某660 MW等級(jí)超臨界四閥三步序噴嘴配汽機(jī)組（閥序?yàn)镃V1/2→CV3→CV4）為研究對象[5]，借助德國STEAG電站能源公司Ebsilon Professional電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，開展汽輪機(jī)順序閥配汽函數(shù)整定的仿真研究。建模過程中，調(diào)門模型根據(jù)國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 534-22確定調(diào)門流量系數(shù)和開度；噴嘴組模型則根據(jù)制造廠提供的調(diào)節(jié)級(jí)通用特性數(shù)據(jù)進(jìn)行變工況計(jì)算。將單個(gè)調(diào)門和單個(gè)噴嘴組串聯(lián)后再相互并聯(lián)，即可構(gòu)建成汽輪機(jī)組的配汽端模型（見圖2）。

圖2 配汽端模型結(jié)構(gòu)示意圖

仿真機(jī)組在四閥全開工況（valve wide open，VWO）下的主汽壓力/主汽溫度/熱再溫度/調(diào)節(jié)級(jí)壓力/背壓等參數(shù)依次為24.2 MPa/566℃/566℃/19.08 MPa/5.5 kPa。為便于設(shè)定，Design工況下的進(jìn)汽流量設(shè)為2 000 t/h，并以2 t/h間隔新建各off-design工況，依次計(jì)算得到各工況下的調(diào)門開度。以Design工況（即VWO工況）下的進(jìn)汽流量為標(biāo)幺值，得到off-design工況下的進(jìn)汽流量的相對百分比，稱為基準(zhǔn)進(jìn)汽流量百分比（下文簡稱基準(zhǔn)流量）。將基準(zhǔn)流量視為FDEM指令并以其為橫坐標(biāo)，各調(diào)門開度為縱坐標(biāo)，便可得到仿真機(jī)組的實(shí)際配汽曲線（見圖3）。

圖3 實(shí)際配汽曲線

順序配汽法是依照既定閥序特性配汽機(jī)理，提取順序閥流量特性試驗(yàn)（零重疊度）過程中各閥依次全行程關(guān)閉時(shí)記錄的相關(guān)參數(shù)計(jì)算得到函數(shù)F（X4）[4]。下文依照此法，遵循既定閥序數(shù)值映射的配汽原則，對off-design工況仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，得出整定配汽曲線，并與實(shí)際配汽曲線進(jìn)行比較。

2.2 中間函數(shù)的獲取

以Design工況為基準(zhǔn)工況，提取各off-design工況下的相關(guān)熱力參數(shù)，依據(jù)式（1）得到變工況下進(jìn)汽流量的相對值[3]，稱為實(shí)際進(jìn)汽流量百分比（下文簡稱實(shí)際流量）。

式中：G為實(shí)際流量；G1、G10分別為汽輪機(jī)變工況和VWO工況下的進(jìn)汽流量；p1、p10為汽輪機(jī)變工況和VWO工況下的調(diào)節(jié)級(jí)壓力；p2、p20為汽輪機(jī)變工況和VWO工況下的高壓缸排汽壓力；v1、v10為汽輪機(jī)變工況和VWO工況下的調(diào)節(jié)級(jí)比容。

由于Ebsilon軟件中的汽輪機(jī)模塊遵循Stodola公式，故而，以式（1）表征的實(shí)際流量與基準(zhǔn)流量基本一致（見圖4）。

圖4 實(shí)際流量與基準(zhǔn)流量

2.2.1 背壓修正函數(shù)F（X1）

將各off-design工況主汽參數(shù)、調(diào)節(jié)級(jí)參數(shù)等代入式（2），計(jì)算出與實(shí)際流量相對應(yīng)的臨界流量，即為順序閥背壓修正函數(shù)F（X1）曲線[3]（見圖5）。

圖5 背壓修正函數(shù)

式中：G、Gcr分別為實(shí)際流量和臨界流量；β為流量比；εn為級(jí)壓比，；Po為主汽壓力；εcr9為級(jí)臨界壓比。

2.2.2 KX+B流量分配函數(shù)

將既定閥序下單個(gè)調(diào)門全關(guān)和全開時(shí)的臨界流量以及調(diào)門開度進(jìn)行線性折算，即可獲得單個(gè)調(diào)門的KX+B流量分配函數(shù)，詳見表1。

表1 流量分配函數(shù)

2.2.3 重疊度函數(shù)F（X2）

文中著重探討順序閥無重疊度配汽函數(shù)的整定，關(guān)于重疊度函數(shù)的設(shè)定具體見文獻(xiàn)[5]。

2.2.4 調(diào)門流量開度函數(shù)F（X4）

提取各off-design工況下的相關(guān)熱力參數(shù)，整理出單個(gè)調(diào)門全關(guān)和全開時(shí)的臨界流量；并以兩者差值為標(biāo)幺值，逐一計(jì)算，可得到該調(diào)門開度從0至100%過程中的相對臨界流量，即調(diào)門流量開度函數(shù)F（X4）[4]，見圖6。

圖6 調(diào)門流量開度函數(shù)

2.3 整定配汽曲線

在圖1配汽函數(shù)相應(yīng)位置代入以上計(jì)算得到的F（X1）、K/B及F（X4）等中間函數(shù)，即可得到順序閥方式（無重疊度）下FDEM指令與各調(diào)門的開度，即整定配汽曲線（見圖7）。

圖7 “順序配汽”整定配汽曲線

由圖7可知，依照文獻(xiàn)[4]所給出的“順序配汽”法，所得整定配汽曲線與實(shí)際配汽曲線基本一致。

2.4 其他問題

2.4.1 末序配汽法

在一部分試驗(yàn)過程中，在其他調(diào)門處于全開狀態(tài)下，采用“末序配汽”法獲取調(diào)門的流量開度函數(shù)F（X4）[4]。由于仿真機(jī)組，各調(diào)門對應(yīng)噴嘴數(shù)均相同且未考慮調(diào)門的個(gè)體差異，因此，根據(jù)“末序配汽”法計(jì)算得出的CV1/2和CV3的F（X4）函數(shù)均與圖6中的CV4相同。顯然，末序配汽未考慮閥門開啟順序?qū)τ谡{(diào)門流量特性的影響。由圖8可知，在“末序配汽”整定配汽曲線中僅CV4與實(shí)際配汽曲線一致，而CV3和CV1/2等越是偏離末序位置者，與實(shí)際配汽曲線的差異越大。

圖8 “末序配汽”整定配汽曲線

2.4.2 級(jí)臨界壓比的取值

在間接法配汽過程中，每一中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)都與臨界流量有關(guān)。仿真顯示，級(jí)臨界壓比在合理范圍內(nèi)（如0.51～0.55）取值不影響配汽曲線的整定效果，但須保證各中間函數(shù)所取級(jí)臨界壓比前后一致。

3 結(jié)語

配汽函數(shù)能否正確反映高壓調(diào)門（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。針對間接法配汽組態(tài)的結(jié)構(gòu)特征，遵循既定閥序數(shù)值映射的配汽原則，可準(zhǔn)確反映并還原出高壓調(diào)門（組）的非線性特征，對于提升該類型機(jī)組的配汽函數(shù)整定質(zhì)量具有積極意義。