国产引进型300MW等级汽轮机组流量特性综合整定试验研究

蔡 文，程志兵，陈 文，万忠海

（1.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西南昌 330096；2.国家电投集团江西电力有限公司贵溪发电有限责任公司，江西 贵溪 335400）

0 引言

伴随着新能源装机容量的迅猛攀升以及交直流特高压的大量投运，我国电力行业电源结构和网架结构整体发生了重大变化，对电力系统安全稳定运行提出了更高要求。作为可用规模最大的辅助调频调峰手段，相比抽水蓄能、储热、电化学储能、飞轮储能以及燃机等，煤电机组变负荷成本较低，安全保障性较好，但其机网协调性能不仅响应速度相对较慢，而且动作准确性也存在较大提升空间。这是因为汽轮机高压调节阀属于“快开型”调节阀，其调门流量特性（数值上表征为阀位指令与进汽流量百分比之间的函数关系）具有典型的非线性特征[1]。这一非线性特征不仅与高压调节阀（含预启阀）结构、阀杆全行程位移以及汽轮机通流结构等密切相关，而且还受到运行工况的影响，较为典型的就是同一调节阀所处阀门开启顺序不同，其流量特性的数值表征函数亦不相同。DEH系统配汽函数负责调节阀（组）进汽流量的线性度矫正及综合管理，进而实现汽轮发电机组的转速与功率的控制[2]。从控制角度而言，配汽函数直接决定着单阀方式或顺序阀方式下FDEM流量指令与各调节阀阀位指令的数值对应关系（可直观地拟合成单阀方式或顺序阀方式的配汽曲线）；因此，配汽函数能否正确反映高压调节阀（组）的非线性特征直接决定了汽轮机组流量特性的线性度。显然，汽轮机组进汽流量需求与实际流量之间的偏差越小，彼此相互越线性，越有助于提升汽轮机组的机网协调动作准确率。

间接法配汽组态模式将FDEM流量指令（即实际流量需求）转换为临界流量需求来统筹单阀方式和顺序阀方式的配汽管理。但在具体实现过程中，由于中间函数物理意义不明晰且结构复杂，准确性干扰环节多，现场整定及实施困难较大，准确性不高[3]。一方面，就函数模块架构而言，调门流量特性函数F（X4）往往是单阀方式和顺序阀方式配汽组态的公用模块，与遵循既定阀序数值映射的配汽原则相违背，是间接法配汽函数组态结构的先天缺陷；另一方面，在常规配汽函数整定实施过程中，各调节阀的单阀流量修正函数F（X3）均以所有调节阀全开时的总临界流量为标幺值，由顺序阀背压修正函数F（X1）换算得到，如此一来，各调节阀的函数F（X3）完全相同；同时，调门流量开度函数F（X4）一般由单个调节阀在其他调节阀处于全开状态下的全行程调门流量特性试验获得，未考虑调节阀实际阀序的影响。如此一来，两方面因素使得单阀方式与顺序阀方式的流量线性矫正无法兼得；故此，间接法配汽组态机理存在内在矛盾。因此，合理改进间接法配汽函数整定方法对于提升该类型机组的进汽流量控制精度和提高现场整定、实施效率有着积极意义。

1 案例机组简介

某电厂3号汽轮机组系上海汽轮机有限公司引进美国西屋公司技术制造的N300-16.7/538/538型亚临界、中间再热式、高中压合缸、双缸双排汽、单轴、冷凝式汽轮机，1998年1月投产发电。该机组调速系统为DEH数字电液控制系统，高压缸进汽部分配置了两个高压主汽阀及六个高压调节阀。2010年，该机组完成了高、中压缸通流部分改造，改造后机组铭牌变更为N340-16.7/538/538型。

3号机组DEH阀序方式包含单阀和顺序阀，顺序阀阀门开启顺序为CV1/2（同步）→CV6→CV5→CV3→CV4。DEH配汽函数采用“间接法”组态模式（如图1），即流量指令（FDEM）经过若干中间转换函数的换算形成每个高压调节阀的阀位指令。其中：顺序阀背压修正函数F（X1）反映了顺序阀下的“实际流量百分比-临界流量百分比”的数值对应关系；流量分配函数KX+B反映了顺序阀下CV1/2（同步）→CV6→CV5→CV3→CV4各喷嘴组临界流量占汽轮机总临界流量的比例关系；函数F（X2）反映了顺序阀下的前后调门间的阀位重叠关系；单阀流量修正函数F（X3）给出了单阀方式下的FDEM流量指令与汽轮机总临界流量的数值对应关系；函数F（X4）为单个调节阀喷嘴组的“阀位指令-临界流量百分比”流量特性函数。

图1 间接法配汽函数组态示意图

2 流量特性试验现状分析

在完成该机组单阀流量特性试验和默认重叠度顺序阀流量特性试验后，分别得到该机组在原配汽函数下的单阀和顺序阀流量特性；经分析，存在以下几个问题（见图2）：

1）在60%～100%实际流量范围，单阀、顺序阀流量特性均不同程度地偏离1:1流量参照线，即DEH系统的FDEM流量指令与汽轮机的实际流量相互不一致；同时，二者之间的偏差随流量指令的减小逐渐增大，易造成阀序切换时系统参数波动大。

图2 现场流量特性试验结果

2）在顺序阀流量特性曲线中，调节阀重叠度设置不甚合理，在各调节阀重叠度区域均存在流量缓滞现象，未能实现重叠区域进汽流量的线性平滑（见图2），是调节阀重叠度整定过小的典型表现；同时，调门大致在阀位指令40%进入流量控制相对薄弱的“空行程区域”，原配汽函数在调门空行程区域给定的开启速率过快，易引发调门的异常晃动且不利于EH油系统的安全运行。

3 原因分析

1）原配汽组态中函数F（X4）仅是调节阀理论计算结果，与现场实际情况存在较大偏差；

2）原配汽函数中六个进汽调节阀的F（X4）完全一致，既忽视了调节阀结构的个体制造偏差，也忽视了调节阀所处阀序不同对其流量特性的影响；

3）引进型间接法建立在不同调节阀控制方式下的特有规律基础之上，即单阀和顺序阀两种阀控方式下的临界流量曲线近乎重合（图3）。但这是一种粗略的方法，其忽视了调门非线性特征在不同阀门开启顺序下的流量特性的差异。在组态中，F（X4）作为单阀、顺序阀共用模块，通常采用顺序阀下的测试结果；而F（X3）又必须遵循机组单阀方式下的特有规律（通常由顺序阀最大临界流量标幺计算得出），对于六个调节阀完全一致。二者串联，必然使得单阀方式下六个调节阀开度彼此不同。事实上，在机组通流部分改造后，原顺序阀背压修正函数F（X1）已不符合3号机组现场实际情况；而原配汽组态中的单阀流量修正函数F（X3）也与原顺序阀背压修正函数F（X1）无关；换而言之，原配汽函数也不符合引进型配汽函数的技术要求（尽管其存在先天缺陷和内在矛盾），暴露出配汽函数整定值的给出存在较大的不确定性或随意性。

图3 汽轮机组临界流量特性

4）3号机组调门空行程区域调节阀开启速率过快的直接原因在于调节阀重叠度函数F（X2）采用线性方式来简化处理具有非线性特性的调节阀；同时，调节阀重叠度整定缺失相关技术规范或作业标准，难免出现重叠区域内进汽流量的线性失常（如前所述的流量缓滞现象）。

4 综合整定方法

1）严格遵照1号机组各调节阀的既定阀序，获取其单个调节阀流量特性函数F（X4）；

2）将零重叠度调节阀（组）按既定阀序依次关闭过程中记录的实际流量结果直接视为FDEM流量指令本身，便可得到反映出汽轮机固有流量特性的标定参照曲线；该标定参照曲线可起到配汽曲线整定自查作用；

3）依据试验数据，逐一标记各调节阀阀位指令与相应实际流量，整理出单个调节阀的实际流量增益函数；通过该函数反向插值计算，即可回溯机组在原配汽曲线下的流量特性，同时，也无需通过试验即可预测机组在新配汽曲线下的流量特性。

4）整定后的调节阀重叠度函数F（X2）依照调节阀重叠度规范化整定技术[4]，并采用非线性分段函数形式，有效控制了调节阀空行程区域的开启速率（见图4）。

图4 调节阀重叠度整定

5）根据单个调节阀流量特性F（X4）的差异性，整定出各自的单阀流量修正函数F（X3）；同时，在调节阀小开度区域（＜15%）采用嫁接方案，配汽曲线与整定前保持一致，以利于连续以往开机操作习惯（见图5）。

图5 流量特性整定效果现场验证

依据上述方法步骤，将整定值输入DEH系统配汽组态当中，并开展现场试验验证。结果显示（见图5）：整定后单阀和顺序阀流量特性曲线均与1:1流量参照线近乎重合，有利于不同阀控方式下的进汽流量的精确控制和在线无扰切换；同时，遵循各调节阀实际流量特性，调节阀重叠度、空行程开启速率以及预启阀行程等均做了相应调整，既避免了调门空行程运行失稳，又大幅降低了重叠度本底节流损失，提升了机组运行经济性。

5 结语

引进型间接法配汽方式基于汽轮机组在不同调节阀控制方式下的普遍规律之上，通过流量比贯串并统一了单阀和顺序阀的临界流量需求，进而实现单阀和顺序阀配汽的统筹管理。但该组态结构存在先天缺陷和内在矛盾，若按常规做法，单阀和顺序阀流量线性均难以实现有效的流量特性非线性矫正且二者的流量特性线性也不可兼得。

针对引进型机组间接法配汽组态的结构特征，遵循既定阀序数值映射的配汽原则，准确反映并还原出高压调节阀（组）的非线性特征，同时，通过多方法综合运用及实施，消弭了间接法配汽组态结构存在的先天缺陷和内在矛盾，兼顾了单阀和顺序阀流量特性二者的非线性矫正，解决了引进型间接法配汽函数整定工作难度大，效率低且准确性干扰环节多的难题，对于提升引进型间接法配汽机组的进汽流量控制精度和提高现场整定、实施效率有着积极意义。