汽轮机高调阀流量特性曲线的线性度改善方法

杨彦卿　潘长春　江飞　赵丽梅　孙东　刘金龙

摘 要：大功率汽轮机喷嘴组改造虽然提高了机组的低负荷运行经济性，但同时也对机组调节特性产生负面影响；为了提高汽轮机变负荷能力，需要对高调门流量特性曲线的线性度进行优化。该文以多台典型200 MW级别、300 MW级别和600 MW级别机组为例，阐述了汽轮机高调阀流量特性曲线的线性度改善方法，使得机组在进行喷嘴组改造后既能够提高机组全年变工况运行经济性，又能够满足机组快速变负荷运行的调节性。这对改善我国大功率汽轮发电机组的深度变负荷运行能力具有很大的借鉴作用。

关键词：汽轮机 高调门 流量特性 线性度 改善

中图分类号：TK26 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（c）-0001-03

汽轮机阀门管理是DEH系统的一个重要组成部分，通过阀门管理把控制回路输出的流量信号转变为各个调节阀的开度指令，驱使相应的阀门开启到要求位置，从而改变汽轮机的进汽流量来实现对转速或功率的调节。此外，阀门管理还负责实现汽轮机高调门进汽方式（单阀/顺序阀）的切换，从而保证汽轮机可根据不同的工况选择相应的阀门调节方式。在单阀控制方式下，汽缸转子受热膨胀均匀，热应力小，因此在机组启动时多采用该方式，但单阀调节在低负荷时节流损失大，机组经济性差。在顺序阀控制方式下，各阀门按一定次序开启，某负荷运行时只有一个调节阀进行流量调节，随着电网峰谷差的不断增大，其余阀门处于全开或者全关位置，故机组经济性好[1-2]。但是，当喷嘴调节方式的配汽规律设计不合理时会给机组的安全稳定和运行经济性都带来影响；因此，早期国内针对汽轮机喷嘴配汽问题研究大都从软件方面进行，包括通过优化进汽顺序解决机组轴系稳定较差的问题[3-4]和优化重叠度降低机组高调门的节流损失[5]。接着，一些研究者开始注重研究节流调节和喷嘴调节方式的无扰切换问题，即降低切换过程的负荷和汽压波动甚至是由此产生的调门大幅高频摆动问题[6-8]。然而，随着近几年新能源等随机波动性电源的大规模接入，不仅电厂的负荷率被被进一压低；而且，电网对电厂机组的调节品质变得更加严格，一次调频和AGC性能开始考核。所以，各电厂开始注重高调门的流量特性曲线的线性度优化问题。

目前，随着高参数大容量机组的进一步发展和投产，200 MW级别、300 MW级别和600 MW级别机组目前已在电网了很大比例[8-10]。因此，200 MW级别、300 MW级别和600 MW级别机组的优化改造经验具有非常宝贵的借鉴意义。该文以200 MW、300 MW和600 MW三种典型级别机组为例，阐述了汽轮机高调阀流量特性曲线的线性度改善方法。

1 机组运行概况

该文研究案例选取了4台哈汽厂生产的200 MW级别机组、4台阿尔斯通生产的300 MW级别机组、4台上汽600 MW级别亚临界机组。以其中的4台600 MW机组投产后修前热耗率严重偏离设计值，对机组进行喷嘴组改造后提高了机组变负荷运行的经济性。由于阀门管理是DEH系统的一个重要组成部分，对机组的安全高效运行具有非常重要的作用。然而，机组喷嘴组改造直接影响了机组的调节级实际流量特性，导致高调门特性曲线发生偏离。因此，喷嘴组改造对机组调节特性产生影响，机组阀门综合流量特性曲线的线性度较差，这会导致阀门流量衔接分配不均，这对机组的AGC和一次调频能力都会有很大的影响，间接影响机组的运行经济性，影响电厂的间接运行效益。同样，对于200 MW级别和300 MW级别机组的通流改造，机组流量特性也需要优化改造。

2 流量特性曲线线性度改善方法

2.1 调节级变工况计算

调节级变工况计算是生成阀门流量特性曲线的一种理论计算方法，它通常需借助于调节级特性曲线，即借助于调节级变工况计算。调节级变工况计算包括三部分：调节级一股汽流计算，调节级各股汽流的合算，调节级背压的计算。进行调节级一股汽流计算，即调节级特性计算，是在假定调节阀全开的情况下计算调节级的热力参数。通过调节级一股汽流的计算，可以确定一些汽轮机调节级变工况计算所必需的特性曲线，利用这些特性曲线就可以进行调节级的变工况计算。各股汽流的合算是在给定各股汽流的级前级后参数的情况下，计算各股汽流的的流量、各股汽流的焓降及动叶相应弧段的汽流力和总的横向汽流力、各股汽流出口的混合焓、调节级的轮周效率和相对内效率等。调节级背压的计算是给定调节级的总流量和调节级后的温度，确定调节级后的压力。

2.2 流量特性辨识

阀门特性辨识是指在利用实际试验数据的基础上，拟合出实际机组的阀门特性函数，从而绘制出接近实际情况的阀门流量特性曲线。然而，借助于调节级变工况理论计算，会有一定的偏差；而进行阀门实验，则不能够遍历所有的阀门流量工况。因此，需要在调节级变工况理论计算的基础上，利用实际运行和试验数据进行修正，准确拟合出机组的阀门特性函数，从而计算得到贴近实际的阀门流量特性曲线。显然，此方法即可以避免重新做大量的阀门实验，又可以避免直接由理论计算得到的调节阀流量特性曲线存在偏差性的问题。流量特性辨识的基本原理如下。

图2为一典型阀的相对流量系数与、的关系曲线（其中由调节级变工况计算决定）。从图中可以看出，在同一压力降的条件下，相对流量系数降随着升程的增大而增大。但当阀门基本开足后，阀门升程虽继续增大，但通流面积已基本上不再增大，故流量的增加趋于缓慢，值接近为一水平线。另外，在同一升程下，压力降越大，越大，通过阀门的流量也越大，但当增达到某一范围后，流量的增加变慢，这表示阀门喉部已接近临界压力。在一只调节阀开启过程中，当阀的升程时，；当阀门的升程很小时，阀后压力很低，阀门内为超临界流动，当阀门前压力不变时，流量和面积成正比，即随着的增大而增大，当阀门继续开大时，通流面积虽还在变大，但阀后压力也不断增大，使变小，故的增大随着的增大就趋于缓慢。随后，虽阀门开度继续增大，但由于受到阀门后部直径的限制，将渐趋饱和。endprint

2.3 设置合理和重叠度

汽轮机采用喷嘴调节时，调节阀是依次启闭的，如果后一个阀门是在前一个阀门全开后在开启，那么阀门总的升程和流量特性曲线就将是一根曲折很大的线，这是不希望的。因此，通常是在前一阀尚未完全开启，后一阀便提前打开，这个提前开启的量，称为阀门的重叠度。重叠度的选取一般以前一阀门开至阀门前、后蒸汽压力比～0.09时，后一阀便开始开启为合适。那样阀门的流量特性就趋于一跟较为光滑的直线。但由于阀门同时部分开启节流损失增大，经济性稍有下降。因此，重叠度的选择应适合。有些机组，为了避免由于第一组喷嘴的部分进汽度过小，引起调节级的动叶片应力过大，将第一组喷嘴的进汽度增大，即让两个阀门同时向一组喷嘴供汽，一般仍让第一个阀门先开启，待第一阀门的前后压差刚减小至15%～20%，便开始开启第二个阀门。

3 实际优化效果

通过对4台200 MW级别机组、4台300 MW级别机组和4台600 MW级别机组流量特性试验并进行了改造，机组流量特性曲线具有很好的线性度。并且，消除由于配汽规律线性度较差，引起的调门异常调节，减少原件磨损、增强使用寿命，间接提高机组运行的经济性；改善#4机组的高调门流量特性曲线线性度，提高机组的调节性能，如AGC和一次调频，间接提高电厂的运行经济性，增加电厂运行效益。

4 结语

大功率汽轮机喷嘴组改造虽然提高了机组的低负荷运行经济性，但同时也对机组调节特性产生负面影响；为了提高汽轮机变负荷能力，需要对高调门流量特性曲线的线性度进行优化。该文以4台200 MW级别机组、4台300 MW级别机组和4台600 MW级别机组为例，针对通流改造、喷嘴改造等硬件改造导致的流量特性改变问题，阐述了汽轮机高调阀流量特性曲线的线性度改善方法，使得机组在进行喷嘴组改造后既能够提高机组全年变工况运行经济性，又能够满足机组快速变负荷运行的调节性。这对改善我国大功率汽轮发电机组的深度变负荷运行能力具有很大的借鉴作用。

参考文献

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