DCS 系統調門流量特性診斷數學模型及評估方法

陳 文，孫 濤，吳宏亮，周 帆，蔡 文

（1.國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西南昌 330096；2.國家電投集團江西電力有限公司，江西南昌 330096；3.國家電投集團江西電力有限公司新昌發電分公司，江西南昌 330117；4.南京英納維特自動化科技有限公司，江蘇南京 210000）

0 引言

現代汽輪機組廣泛采用數字電液控制系統（Digital Electro-Hydraulic Control System，DEH）進行閥門管理[1]。運行中，汽輪機通過依次（或同步）開啟若干個調門來增加汽輪機的進汽流量。通常將流量指令（FDEM）或總閥位指令與汽輪機實際進汽流量的數值對應關系視為汽輪機組流量特性[2]。汽輪機流量特性試驗是現場精確整定汽輪機配汽函數的有效手段。線性優良的汽輪機組流量特性是開展汽輪機組調速系統建模、機網協調響應以及主參數尋優等工作的基礎[3]。

現場經驗表明，由于進汽閥或本體設備特性變化，DEH 配汽函數無法及時匹配進汽閥（組）的非線性特征，導致進汽流量控制精度下降[4]。然而，在日常運行過程中調門流量特性是否線性，運行人員既沒有監測手段，也沒有分析工具，往往只有等到機組出現明顯的控制惡化，如一次調頻、AGC 性能下降或是機組功率異常振蕩，才可能引起運行人員的懷疑或警覺[5-6]。為此，文中依據汽輪機原理提出一種單一數值形式的汽輪機組調門流量特性診斷數學模型及評估方法，直接利用DCS（Distributed Control System）系統歷史趨勢圖，實現汽輪機組調門流量線性度的科學評估和實時預警。

1 理論淺析

運行中，通過汽輪機的實際流量G不僅和主汽壓力P0有關，而且，和總閥位指令φ有關；并且與二者成正比[7]。數值上可表征為：

式中：G為實際流量百分比，%；P0為主汽壓力，MPa；φ為總閥位指令，%。

汽輪機組調門流量特性離不開主蒸汽流量的數值表征。在汽輪機配汽計算過程中，實際流量G是以VWO工況的數值為基準值而得到的百分比形式的無量綱標幺值。式（2）、式（3）以及式（4）均為常見的實際流量G的計算公式[8-10]。

式中：P10為試驗工況總閥位指令100%下的調節級壓力，MPa；P20為試驗工況總閥位指令100%下的高壓缸排汽壓力，MPa；v10為試驗工況總閥位指令100%下的調節級比容，m3·kg-1；P11為試驗工況任一總閥位指令下的調節級壓力，MPa；P21為試驗工況任一總閥位指令下的高壓缸排汽壓力，MPa；v11為試驗工況任一總閥位指令下的調節級比容，m3·kg-1。

倘若實際流量G以式（2）計算，聯立式（1）和式（2）可推導為：

式中：ε=P11/P0為調節級壓比（即調節級壓力與主汽壓力的比值）；k為比例常數。

式（5）右側中試驗工況總閥位指令100%下的調節級壓力P10為定值，k為常數；故而，左側總閥位指令與調節級壓比的比值為定值。如圖1 所示，在二維坐標中，式（5）表現為通過坐標原點的一條直線。文中將總閥位指令與調節級壓比的比值（即該直線的斜率）命名為流量特性因子。

圖1 總閥位指令與調節級壓比

2 數學模型

案例機組為某噴嘴配汽汽輪機組，配置四個高壓調門；日常運行中，該機組采用順序閥閥控方式。試驗人員首先通過汽輪機組調門流量特性試驗[2、6]，依據式（4）完成了該機組DEH 系統配汽函數的整定工作。經試驗驗證，整定后的調門流量特性如圖2所示。

圖2 調門流量特性整定后效果

根據前期的汽輪機組調門流量特性試驗數據，依據式（6）和式（7），分別求得試驗工況下的流量特性因子X1和X2（如圖3所示）。

圖3 流量特性因子X2和Y2

式中：X1為試驗工況下以式（2）為表征的流量特性因子；X2為試驗工況下以式（4）為表征的流量特性因子；p00為試驗工況總閥位指令100%下的主汽壓力，MPa；其他參數如前所述。p01為試驗工況任一總閥位指令下的主汽壓力，MPa；其他參數如前所述。

由式（6）可知，試驗工況下的流量特性因子X1為一常數，由于式（7）考慮調節級比容和高壓缸排汽壓力的影響，試驗工況下的流量特性因子X2和X1存在一定的偏差。

相比式（2）、式（3）或式（4）更為吻合汽輪機變工況計算結果，具備較高的精度，在汽輪機組調門流量特性試驗中得到廣泛應用。故而，為實現式（5）的應用，需依據式（8）求取試驗工況任一總閥位指令下的總閥位指令修正系數μ(φ)（如圖4所示）。

圖4 總閥位指令修正系數μ(φ)

式中：μ(φ)為試驗工況下的總閥位指令修正系數。

運行中，依據式（9）和式（10）分別計算機組在運行工況下的基準流量特性因子X0和未修正流量特性因子X。

式中：X0為運行工況總閥位指令100%下的基準流量特性因子為運行工況總閥位指令100%下的調節級壓比；X為運行工況總閥位指令φ下的未修正流量特性因子；εt為運行工況總閥位指令φ下的調節級壓比。

依據式（11），計算運行工況下的機組實時流量特性因子XT。

在運行工況下，當XT-X0＜5%時，調門流量特性線性度視為正常。當XT-X0≥5%時，調門流量特性線性度視為異常，并提示“對配汽函數重新進行整定”。

3 實施效果

前期，試驗人員首先完成汽輪機組調門流量特性試驗；然后，在DCS 系統邏輯組態中編譯并植入以上數學模型。由于DCS 系統歷史趨勢圖僅支持隨時間而變化的折線圖形式，故而，通過以上邏輯組態計算并輸出實時流量特性因子與基準流量特性因子的偏差值XT-X0。最后，將偏差值XT-X0添加至DCS系統歷史數據庫，在DCS 系統歷史趨勢中即可呈現隨時間而變化的折線趨勢圖。隨后，在接下來一年中，利用DCS 系統歷史趨勢圖來觀測調門流量特性線性度的變化情況。該機組在配汽函數整定過后五個月時，調門流量特性如圖5 所示。

此時，該機組的流量特性因子的XT-X0的最大值低于4%（見圖6）；此種情形下，可認為調門流量特性線性度正常。

圖6 五個月后偏差值XT-X0測試效果

該機組在配汽函數整定過后十一個月時，調門流量特性如圖7 所示。在總閥位指令65%～83%區域出現較為明顯的線性失真現象。

圖7 十一個月后調門流量特性測試效果

此時，該機組的流量特性因子的偏差值XT-X0的最大值超過10%（見圖8）；此種情形下，可認為調門流量特性線性度異常，并在DCS 系統歷史趨勢圖中標紅，予以警示。

4 結語

為適應DCS 系統歷史趨勢圖僅支持隨時間而變化的折線圖顯示的特點，文中依據汽輪機原理和現場調門流量特性試驗數據，建立了一套單一數值形式的汽輪機組調門流量特性診斷數學模型，產生并輸出實時流量特性因子與基準流量特性因子的偏差值XT-X0，并將其添加至DCS 系統歷史數據庫。在無需增添任何硬件設備或監測系統的情況下，即可在原有DCS 系統歷史趨勢中呈現調門流量特性的變化情況，以幫助運行人員在日常運行過程中及早發現異常缺陷。