汽轮机阀门流量特性曲线优化

华兴鲁，梁金坨，孟 帅

(1.国电电力邯郸热电厂，河北 邯郸 056004;2.辽宁大唐新能源有限公司，沈阳 110000;3.河北马头发电有限责任公司，河北 邯郸 056000)

1 概述

调节阀流量特性是指汽轮机高压调节阀门开度与流经蒸汽流量的对应关系，机组在长期运行之后调门实际流量特性曲线会与DEH预设的曲线相偏离，引起机组在投入AGC时负荷突变、高调门摆动、节流损失加大等问题，影响机组的负荷控制精度和一次调频能力，严重时还会引起转子的剧烈震荡。

某厂汽轮机为NC350-24.2/0.4/566/566型凝气式汽轮机，额定负荷为350 MW。机组于2018年大修后出现了高调门摆动大、同时伴有一次调频不合格、AGC响应迟缓等问题，并随着时间的推移越来越严重。对阀门管理环节进行了试验，获取了阀门信息，计算实际高调门流量特性曲线，利用最小二乘法获取了新的流量特性曲线，将修正后的带有重叠度的汽轮机调阀流量曲线预置入DEH中。

2 调门流量特性试验

汽轮机调门流量特性试验是获取阀门流量开度特性曲线的方法。由于汽轮机单阀流量测试较为简单，顺序阀流量特性受每个阀门流量特性、流量分配。重叠度等因素影响，较为复杂，实际生产中，在部分负荷情况下一般采用顺序阀控制方式，因此，针对顺序阀方式下的流量特性进行研究，该机组的顺序阀开启顺序为:GV4+GV5→GV6→GV3→GV2→GV1。

2.1 试验内容

a.在进行试验时，负荷由低到高进行，顺序阀控制选用没有重叠度的控制方式，测试调门开度由0逐渐上升至100，在最低或额定负荷时增加单个阀门试验点。

b.在一个试验点，保持10 min稳定运行，且做好详细记录，每隔2 min做一次记录。

c.当主蒸汽温度、主蒸汽压力稳定后再进行数据的采集，记录功率、主蒸汽压力、主蒸汽温度、主蒸汽流量、调节级压力、调节级温度、综合阀位、各高压调节门阀位等参数。

2.2 阀门流量特性曲线计算

汽轮机变工况时，阀门流量特性采用佛留格尔公式计算

式中:p O为额定工况;G为等效后主蒸汽流量;P为调节级后压力;T为调节温度。

利用试验所得数据，将数据带入式(1)，即可得出顺序阀下的实际流量，单个阀门的实际流量特性曲线如图1—3所示。

图1 GV2实际流量特性曲线

图2 GV3实际流量特性曲线

图3 GV6实际流量特性曲线

3 流量特性曲线优化

3.1 数学模型

假设阀门流量特性曲线的多项式为m=0

采用最小二乘法对具有非线性特征的阀门流量特性进行优化，其目标函数为

因调节阀门的流量变化有突变特质，即调节阀门从关闭位置到开启位置的初期，流量的变化不明显，而当调节阀门开度接近全启状态时，阀门流量就达到了峰值，所以需要对目标函数进行一定的变化

式中:t1、t2为函数分段点。

利用上述的最小二乘法对试验获得的阀门流量特性曲线进行修正，可拟合出新的阀门流量特性曲线，若新的流量特性曲线和实际流量特性曲线偏差较大，可继续进行调整。

3.2 优化结果

根据高压调节阀门原有的设计流量特性曲线，将试验计算所得的阀门流量特性曲线按数学模型给出的方法进行最小二乘法计算，可拟合出新的阀门流量特性曲线，若新的流量特性曲线和实际流量特性曲线偏差较大，可继续进行调整。因GV2、GV3、GV6阀门摆动较大，故仅对GV2、GV3、GV6阀门进行流量特性曲线修正。修正后的阀门流量特性曲线如图4—6所示。

图4 修正后GV2阀门流量特性曲线

图5 修正后GV3阀门流量特性曲线

图6 修正后GV6阀门流量特性曲线

3.3 重叠度计算

重叠度是在上一个阀门处于全部开启状态时，下一个阀门的开启程度。重叠度若过大，即当前一个阀门开度较小时下一个即开启，就会引起阀门的额定节流损失增加，影响机组经济性。重叠度若过小，汽轮机的AGC响应时间会变缓，而且在负荷平缓区，阀门摆动还会剧烈，影响机组的安全性，因而重叠度要选择在合理的区间。

阀门重叠度有2种表达方式，即压力重叠度和行程重叠度，一般意义的重叠度指的是压力重叠度，但在阀门管理环节，由于阀门带有蒸汽预启阀的影响，行程重叠度普遍较大，所以用行程重叠度来对重叠度进行修正。在修正好的阀门流量特性曲线基础上，利用作图法，通过给定的目标曲线来计算2个调门之间的行程重叠度。计算好的带有重叠度的流量特性曲线如图7、图8所示。

图7 有重叠度的GV2+GV3流量特性曲线

图8 有重叠度的GV2+GV6流量特性曲线

经计算，GV2与GV3之间的重叠度为17%，GV2与GV6之间的重叠度为18%，GV3与GV2之间的重叠度为15%，GV3与GV6之间的重叠度为13%;GV6与GV2之间的重叠度为13%，GV6与GV3之间的重叠度为25%。修正前与修正后对比，只有GV2与GV6之间、GV6与GV3之间的压力重叠度不合理，可按照修正好的重叠度将其修改。

3.4 结果分析

采用最小二乘法对具有非线性特征的阀门流量特性进行优化，优化后的阀门流量特性曲线比之前有更好的线性度，无奇异点。将修正后的流量特性曲线输入到DEH控制系统中，阀门运行良好。通过优化前后阀门运行情况对比，优化后比优化前阀门运行情况更为稳定，无大幅摆动现象。

根据优化后的阀门流量特性曲线，修正了阀门的重叠度，减少了GV6与GV2、GV6与GV3之间的重叠度，机组运行之后，重叠度可更好的适应机组调峰，加快AGC响应，减小机组的负荷摆动。

4 结束语

机组在长期运行或大修后，阀门流量特性曲线与原理想值会出现偏差，对阀门流量特性曲线进行修正是提高发电机组的变负荷能力和一次调频性能的基础。通过现场汽轮机阀门流量特性试验，利用最小二乘法优化汽轮机高调门GV2、GV3、GV6的流量特性曲线，将优化好的流量特性曲线输入到DEH中，阀门运行良好，无大幅度摆动现象。同时根据阀门流量特性曲线，优化了阀门重叠度，结果显示AGC响应有所加快，减少了负荷摆动。通过对于阀门流量特性曲线及阀门重叠度的优化，大幅度的提升了汽轮机运行的安全性和经济性。