汽轮机高调门流量特性典型问题及治理

张　兴， 卫平宝， 王　舜， 武海澄， 雷志伟

(1.大唐华东电力试验研究院， 安徽　合肥　230088；2.马鞍山当涂发电有限公司， 安徽　马鞍山　243102)

1　概述

目前，各大型火电机组的汽轮机均采用汽轮机数字电液控制系统(DEH)控制，DEH提供阀门管理和单/顺阀切换功能。单阀方式下，各高调门开度一致，汽轮机全周进汽，有利于汽轮机本体均匀受热受力，但低负荷工况下节流损失严重、经济性差，因此一般只在机组启动初期或投产初期使用。顺序阀方式下，各高调门按一定顺序开启，减小了因阀门开度过低造成的节流损失，经济性较好，火电机组一般在正常运行过程中均采用此种方式[1]。由于汽轮机高调门流量特性整定的优劣直接关系到发电机组的控制品质、调节性能、经济效益、稳定运行乃至电网安全等重要问题，因此近年来各电力试验单位、高校、电厂均在开展汽轮机高调门流量特性的测试及优化工作，从工作原理来看，大多是基于弗留格尔公式的化简和应用。

以下对汽轮机高调门流量特性变化所导致的发电机组典型异常事件进行介绍，阐述定期开展DEH阀门管理程序参数优化的过程及必要性。

2　AGC、一次调频性能指标影响及治理

很多机组在长期运行过程中，往往发现在顺序阀不同阀门的控制区间负荷控制品质不一，即同样的负荷PID控制器参数，可能在部分阀门控制区间机组负荷的控制品质不佳，动、静态偏差显著增大，变负荷过程中甚至出现超调或者迟迟达不到设定值，即使采取变参数控制也难以克服[2]。

对所述机组顺序阀方式下的整体流量特性曲线进行测试，测试结果如图1所示。在图1中将该流量曲线分为A、B、C、D四个区间，可以看出：

(1)在A(GV2/GV4与GV1重叠)和B(GV1控制)各自区间流量曲线的线性度和连续性较好，但当GV2和GV4全开、流量曲线由A区间进入B区间时其变化速率明显加快、斜率加大，曲线出现拐点，削弱了负荷调节的连续性。

(2)在C区间(GV3与GV1重叠)，流量曲线的线性较差，整体流量的变化速率开始较快，当GV1开至30%时流量变化逐步减缓，至GV1开至48%左右时流量出现停滞，此区间流量曲线呈现“凸轮”形状，对负荷调节精度产生负面影响。

(3)在D区间(GV3控制)GV3开至15%左右时，流量曲线出现了小幅突变，连续性受到影响。

(4)在图1坐标中建立斜率为1的参考直线，可以看到实测流量曲线的斜率明显大于参考直线，经过计算流量指令每变化1%时实测流量约变化2%，这将导致流量指令的示值和变化量与实测流量相差较大，不利于运行调整和自动控制。

X轴：DEH流量指令FDEM(%)　Y轴：实测流量及高调门开度指令(%)图1　优化前顺序阀整体流量特性测试曲线

X轴：DEH流量指令FDEM(%)　Y轴：实测流量及高调门开度指令(%)图2　优化后顺序阀整体流量特性测试曲线

根据上述分析对该机组DEH阀门管理程序的各相关函数进行优化，优化后顺序阀整体流量特性曲线见图2所示。

参数优化后，机组AGC负荷跟随性能明显上升，不同负荷区间、顺序阀方式下不同阀门控制区间均能保证较好的负荷控制品质，动态、静态偏差均能够满足规程和电网“两个细则”要求。

3　顺序阀交替区间阀门振荡问题及治理

部分机组在运行过程中，长期存在着在顺序阀交替区间阀门指令与负荷等参数频繁振荡的现象[3]。现场汽机及热控工作人员常常尝试性的改变阀门流量特性曲线函数，但往往缺乏定量计算，实际效果难以保证。

某机组AGC运行时，在顺序阀方式下各阀门的交替区间，阀门指令、开度、机组负荷、主汽压力、调节级压力等参数波动剧烈，形成耦合式振荡，机组运行安全存在重大隐患。

对这台机组进行单个高调阀流量特性和顺序阀方式下整体流量特性测试。例举其中一个高调阀GV6(在6个高调阀中第5个开启)的流量特性测试结果如图3所示。可以看到，该高调阀的实测流量特性与DEH设定相差较大，尤其是预启行程较设定要大10%左右。即会导致在顺序阀交替区间，按原设定函数开启后实际流量要较理想流量变化大很多。如图4所示即为该机组顺序阀下整体流量特性的测试曲线。可以看到，由于各单阀流量特性存在前述实际预启行程与设定不一致的问题，导致整体流量特性曲线在各阀开启过程发生了突变，将会使机组负荷产生扰动，从而造成了上述振荡现象的发生。后对该机组DEH阀门管理程序的各函数进行优化。优化后AGC投运过程机组负荷变化均匀、平缓，阀门交替区间未再在发生阀门开度、功率振荡现象，机组运行的安全性、稳定性得到明显提升。

X轴：高调门开度指令(%)　Y轴：单个高调门实测流量百分比(%)图3　某机组单个高调门流量特性测试曲线

图5　某机组顺序阀/单阀方式下整体流量特性曲线对比

4　单/顺阀切换过程扰动问题及治理

汽轮机组在单/顺阀切换中往往采取手动或者DEH功率回路投入的方式进行，但如果调门流量特性曲线整定不当，不仅手动方式下负荷、压力波动过大，即使投入协调控制，也难以稳定参数，甚至造成无法安全切至顺序阀运行，严重影响机组运行的经济性[4]。

为解决这一问题，从对比顺序阀和单阀两种运行方式下的整体流量特性曲线入手开展优化工作。如图5所示，测试一台660MW超临界机组在顺序阀和单阀方式下的整体流量特性曲线并将其置于同一坐标轴内，可以看到：两种阀控方式下整体流量曲线的线性差异较大，即两种方式下相同DEH流量指令对应的蒸汽流量百分比相差较大，DEH流量指令保持不变时进行切换则蒸汽流量变化极大，进而导致机组单阀/顺序阀切换过程不平稳、参数波动大，即使在协调投入情况下进行阀切换，也很难保证机组功率、主汽压力的稳定。

根据坐标中斜率为1的理想流量特性曲线对该机组DEH阀门管理程序的函数进行优化，优化后在两个方向的切换过程中，功率波动均不超过±10MW，主汽压力波动不超过±0.1MPa。投入DEH功率回路或者协调控制后阀门切换的过程各项参数可以实现无扰。

5　结语

汽轮机高调门流量特性曲线整定的优劣与否，直接决定了负荷控制、机网协调、单/顺阀切换等方面的性能[5]。一般来说，各机组DEH阀门管理程序中的函数都是由汽轮机厂家预设。但在机组大型检修、高调门解体后，高调门流量特性往往会发生变化，与原设计函数偏移较大。由此引发的机组异常、故障甚至非停屡见不鲜。本文介绍了几类由于高调门流量特性与DEH设置不匹配所造成的典型异常及其处理过程，从几类事件的处理来看，汽轮机组在大修检修、改造及高调门解体维护后开展高调门流量特性的测试及参数优化工作非常必要[6]，希望各发电企业对于这项工作给予高度的重视，确保汽轮机组长期安全、稳定、经济、灵活运行。

参考文献：

[1] 盛锴,刘复平,刘武林,等.汽轮机阀门流量特性对电力系统的影响及其控制策略[J].电力系统自动化,2012,26(7):104-109.

[2] 赵婷,薄利明,万杰,等.由高调门特性问题引发的汽轮机负荷失控故障诊断[J].汽轮机技术,2017,59(1):70-74.

[3] 岳良,贾庆岩.汽轮机切换中流量指令对高调门稳定性的影响[J].湖北电力,2013,37(1):47- 49.

[4] 杨彦波,胡婷婷.基于带投影死区分段线性化方法建模的汽轮机调门流量特性优化[J].中国电力,2016,49(5):87-90,101.

[5] 高业恒.高调门故障原因分析及防范措施[J].安徽电气工程职业技术学院学报,2016,21(3):67-71.

[6] 张曦,黄卫剑,朱亚清.汽轮发电机组流量特性试验分析与研究[J].控制工程,2013,20(3):461- 465.