汽輪機高壓調門流量特性分析與優化

廣州恒運企業集團電力工程公司 李曉力

我們一般把經過閥門的蒸汽流量，與閥門的相對開度（相對位移）之間的對應關系稱為汽輪機調節閥的工作流量特性。當機組需要調整負荷及響應一次調頻時，就要求DEH閥門能夠動作迅速準確，經過恰當的流量，而如果閥門實際流量特性與汽輪機閥門理想的流量特性函數相差較大時，閥門開度偏大或偏小，就可能出現流量調節滯后或者負荷波動的問題，造成機組響應滯后，影響機組的可靠性和負荷調節能力。當機組多閥方式運行時，調節閥的流量特性還包括了閥門重疊度設置，設置的合理與否，影響著多閥投入后機組運行的經濟性[1]。

高壓調門流量特性優化是汽輪機性能提升和節能降耗的重要措施之一，通過優化高壓調門流量特性曲線可以提高汽輪機閥門的調節精度，改善機組的負荷控制，降低機組煤耗等。廣州恒運電廠的#8亞臨界發電機組主要通過DEH系統的調門控制機組負荷，因此高壓調門流量函數特性曲線對汽機控制非常重要。其供熱改造后一直存在著高壓調節閥門節流損失大、負荷調節波動大等問題，通過對DEH系統高壓調門的流量特性試驗及相關參數分析和計算，修改了高壓調門流量特性曲線，解決了機組運行中負荷波動和閥門擺動大等問題，并且優化了調門的重疊度，降低了多閥方式下調門的節流損失，有效地解決了存在的問題，取得了良好的經濟效果，從而適應了電力市場現貨交易的需要，提高了機組的盈利能力。

1 機組流量特性曲線優化前存在的問題

廣州恒運電廠的#8機組是東方汽輪機廠生產的亞臨界一次中間再熱、高中壓合缸凝汽式汽輪燃煤發電供熱機組，為單元制熱力系統，機組采用高壓抗燃油控制系統。DEH系統為GE新華公司的產品，與分散控制系統（DCS）實現軟硬件一體化，組態軟件為XDPS400+，系統配了七塊VPC閥門控制卡，分別控制一個主汽門、四個高壓調門和兩個中調門。

機組在運行過程中，機組DEH控制系統接受負荷增減指令，采集轉速、功率、調節級壓力以及閥門的LVDT反饋等信號，然后經過閥門管理程序的分析和計算，將閥門流量控制信號分別輸出到各個電液伺服閥，控制油動機調整高中壓調門的開度，從而控制機組的運行。單閥方式下，汽輪機四個高壓調門保持同樣開度，蒸汽全周進入汽輪機調節級動葉，使得汽輪機本體均勻受熱、受力，一般在啟停工況、異常工況等狀態使用。為了保證運行安全，機組一般帶到一定負荷后才可切換至多閥方式，四個調門根據一定順序開啟，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門節流損失，提高機組的經濟效益。

#8機組自供熱改造以來，多閥方式下經常存在有調門擺動大、單多閥切換期間負荷波動大等問題，也曾出現了多次調門卡澀或突然關閉的情況，導致機組長期單閥運行，影響著機組的安全經濟運行。在2020年機組大修期間更換了高調門的LVDT反饋裝置，增加并校準了調節級壓力變送器，將高壓調門伺服閥前后的差壓信號接入DCS系統，同時在機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，試驗過程中充分地收集高壓調門流量特性曲線試驗所需要的運行參數，使我們能夠在DEH系統上對試驗數據進行整合分析，最終優化高壓調門的流量特性曲線。

2 流量特性曲線優化的試驗過程

結合負荷調度曲線制定試驗計劃，按以下順序進行汽機高壓調門流量特性優化整定試驗：機組啟動并帶負荷—機組低負荷運行，退出供熱—機組單閥方式下的升負荷試驗—調門全開時切換單多閥—機組多閥方式下的降負荷試驗—恢復DEH系統控制，投入AGC一次調頻，試驗完成[2]。機組試驗時，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上設置記錄曲線，包括機組負荷指令、流量給定值REFDMD、高調門閥位反饋、閥門指令、主蒸汽壓力和溫度、調節級壓力、機組轉速、實發功率、TSI參數、DEH異常報警等內容。通過測試收集DEH各種工況下高壓調節門升程（閥位開度）與流量（調節級壓力）的流量特性，優化閥門管理程序，分析和修改閥門工作曲線，最終改善DEH的調節品質。試驗過程應嚴密監視軸振、脹差、軸位移和負荷等變化，如出現過大變化時應立即退出試驗。

測取步驟一般是先單閥方式、后多閥方式，試驗過程應包括各個高調閥依次動作的交界點（重疊度）。單閥方式試驗，通知運行人員在DEH系統將負荷指令從低負荷開始逐漸加至額定負荷。進行單閥切換到多閥試驗時，為防止在各種負荷工況下進行單多閥切換時可能出現的調門開關引起的負荷波動，試驗選擇在滿負荷的情況下進行，無論是單閥還是多閥控制器給閥門指令都將會是100%，額定蒸汽流量進入汽輪機，此時單切換多閥時閥門管理程序就會繼續保持閥門全開，切換過程中機組負荷也能夠保持基本穩定、且調門不會來回波動。切換完畢后機組進入多閥方式下試驗，汽輪機工作負荷從滿負荷降至試驗最低負荷，觀察并記錄閥門的動作情況，調整負荷時應每隔5MW停留1～2分鐘，待蒸汽參數穩定后再進行負荷變化[2]。

2.1 單閥方式下的流量特性試驗

機組啟動并網，把主汽溫逐漸提高到530℃左右并保持相對穩定；把主汽壓力控制在合適值（即機組閥門流量指令值為100%時滿負荷的主汽壓力），變化不大于±0.3MPa；使機組暖機充分，溫度偏差正常后DEH系統進入開環控制，由運行人員進行負荷增減。試驗時，將機組負荷的升速率控制在3MW/min以內，負荷每升高6MW停留2分鐘，以穩定主汽壓力和溫度，然后慢慢將負荷指令升到100%，四個高壓調節閥全開，此時機組滿負荷運行。單閥方式下的升程試驗由于涉及機組負荷的較大變化，因此應該在機組充分暖機后進行，并且對機械閥位加強現場監視，防止閥桿卡澀或脫落影響流量控制。在試驗過程中需要在DCS上采集機組轉速、主汽壓力、發電機功率、調節級壓力、閥門開度指令、高壓調門閥位和負荷指令等參數。

2.2 切換至多閥方式下的流量特性試驗

DEH的控制系統通常根據運行人員或AGC的負荷指令，結合當時汽輪機轉速、實發功率、調節級壓力等參數，得出與相對應的流量計算值，經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的閥門開度指令，控制進入汽輪機蒸汽流量，因此達到機組目標負荷值[3]。單閥方式運行時，汽缸均勻進氣，DEH控制器將總的流量指令信號平均分配到各個高壓調節門上，各個調門同時開啟或者關閉，好像一個閥門一樣。

而多閥方式控制時，控制器按設定的流量特性曲線將指令依次加到高調閥1～高調4上，每個調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），各調門則按順序開大或關小。機組為滿負荷后，汽輪機切換到多閥方式下運行，繼續維持機組的運行參數穩定，保持閥門流量總指令值為100%。

進入DEH組態，在閥門管理程序中取消原多閥方式下的各個調門流量曲線的重疊度設置（閥門總流量指令等于100%才能修改)，并進行多次試驗，當出現前一個閥門開至調節級壓力/主汽壓力的比值為0.85～0.90，緊后一個閥開始開啟時，此時可設置重疊度。然后繼續以3MW/min的速度(防止機組負荷變化過快)減少閥門流量總指令,每減少6MW，穩定3分鐘以保持主汽壓的穩定，直到機組到達試驗負荷低限，多閥方式下的機組降程試驗完成。整個過程需要記錄機組調節級壓力、主汽壓力、調節級后溫度、發電機功率、閥門開度指令、高壓調門閥位和負荷指令等參數，并嚴密監測汽輪機在切換過程中的振動特性變化[3]。

3 流量特性曲線優化

根據上述試驗得到的記錄數據，計算得出了單閥方式和多閥方式的高壓調門流量特性修正曲線，并進行了修改和優化。為了保證特性曲線比較平滑、減少閥門節流損失，將閥門重疊度也進行了優化。閥門特性曲線修改優化完畢后，通過機組在不同負荷下進行單閥/多閥切換試驗來檢驗修改后的閥門流量特性曲線能否達到要求。

由于汽輪機并無直接的蒸汽流量測量信號送至DEH系統，通過調節級壓力與額定壓力比的公式來得到汽輪機的實時經過閥門的蒸汽流量，公式為Q=P1/P0×P'2/Pt。式中，Q為蒸汽流量，P1為試驗過程中的調節級壓力；P0為額定負荷下的調節級壓力；為額定負荷下的高壓主汽門前主蒸汽壓力值；Pt為試驗過程中的壓力試驗值，將試驗過程中得到的各個實時數據代入公式可以得到間接的蒸汽流量值[4]。

根據閥位和對應的蒸汽流量值，經過分析及計算，保留了原有5%以下的預啟開度，得出了單閥控制方式下新的閥位與實際流量之間的對應關系，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，將汽機的4個高調門以不同負荷的各自閥位和對應的流量指令進行分析計算，得到了新的閥門流量特性函數，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

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1～高調3的開度比原來增大了5%左右，指令覆蓋點比原來增多，新的曲線也比原來光滑；修改后的GV4流量指令在80～90%方打開預啟段，減少了節流損失，提高了機組經濟效益。

通過試驗得出的汽輪機高調門的工作流量特性與理想流量特性基本一致，在相同的負荷指令下流量控制偏差很小。流量特性調整后的單多閥切換，投入功率回路后負荷波動小于3MW，壓力及閥位變化平穩，汽機本體參數運行正常，閥門流量特性優化試驗達到了目的。

綜上，我廠汽輪機閥門流量特性曲線通過優化后，實際負荷和流量指令的變化值基本同步，提高了系統調節品質、減少了閥門擺動，機組負荷的穩定也使鍋爐燃燒更穩定，滿足了機組長期安全穩定運行的需要。同時，通過修改多閥方式下的閥門重疊度，單、多閥實現順利切換，減少了調門節流損失、降低了發電煤耗，取得了理想的經濟效果。