汽轮机组顺序阀配汽函数整定仿真

王小波，李侣，吴辉，吴杨辉，万忠海

（1.南昌科晨电力试验研究有限公司，江西 南昌 330096；2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西 南昌 330096；3.国家电投集团江西电力有限公司新昌发电分公司，江西 南昌 330117）

0 引言

伴随着社会用电峰谷差幅日益扩大以及可再生能源发电和特高压输电等非调频电量占比逐年迅猛攀升，煤电汽轮机组深度调频调峰运行已成为常态，这对部分负荷下汽轮机组变工况特性产生着深远影响[1]。现代汽轮机组广泛采用数字电液控制系统（digital electro-hydraulic control system，DEH）进行阀门管理[2]。通常将DEH系统流量指令（Flow Demand Energy Management，FDEM）与汽轮机实际进汽流量百分比之间的数值对应关系视为汽轮机组调门流量特性[3]。DEH系统通过其内置的配汽函数将接收到的总调门开度转化为每个调门的调门开度来负责调门（组）进汽流量的非线性矫正及综合管理。由于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，中间函数结构复杂，转换环节多，现场整定及实施困难较大，准确性不高[4]。大量研究显示，数值仿真具有积极的理论指导作用，可有效提升实践能力与工作成效。文中针对间接法配汽函数特征，借助德国STEAG电站能源公司Ebsilon Professional电站系统设计软件开展汽轮机顺序阀配汽函数整定的仿真建模，为汽轮机组调门流量特性整定工作提供技术参考。

1 配汽函数组态

DEH系统配汽函数直接决定着FDEM流量指令与各调门开度的相互对应关系。在间接法配汽函数组态中，流量指令（FDEM）经过若干中间函数的换算形成每个高压调门的调门开度（见图1）。其中：背压修正函数F（X1）反映了顺序阀下的实际流量与临界流量的数值对应关系，其负责将流量指令（FDEM）需求转换为临界流量需求；流量分配函数KX+B依据顺序阀各调门（组）在既定阀序（如CV1|CV2→CV3→CV4）下所对应的临界流量控制范围，将临界流量需求依次分配给各调门（组）；函数F（X2）负责推迟或提前顺序阀下前、后开启的调门间的临界流量需求，以生成一定的调门重叠度；单阀流量修正函数F（X3）为单阀方式下的流量指令（FDEM）与临界流量的数值转换关系；函数F（X4）依据单个调门的调门开度与所控制的临界流量之间的数值对应关系。间接法配汽函数将上述单阀、顺序阀各自输出的临界流量需求转换为相应的调门开度。

图1 间接法配汽函数组态示意图

由于汽轮机调门属于快开型调节阀，其调门流量特性（数值上表征为调门开度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。这一非线性特征不仅与调门（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门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。对于间接法配汽函数而言，各中间函数能否正确反映出各调门的非线性特征，直接影响到汽轮机组流量特性的线性程度，即配汽函数的整定质量。

2 顺序阀流量特性整定仿真

2.1 仿真计算模型简介

文中以某660 MW等级超临界四阀三步序喷嘴配汽机组（阀序为CV1/2→CV3→CV4）为研究对象[5]，借助德国STEAG电站能源公司Ebsilon Professional电站系统设计软件，开展汽轮机顺序阀配汽函数整定的仿真研究。建模过程中，调门模型根据国际电工委员会标准IEC 534-22确定调门流量系数和开度；喷嘴组模型则根据制造厂提供的调节级通用特性数据进行变工况计算。将单个调门和单个喷嘴组串联后再相互并联，即可构建成汽轮机组的配汽端模型（见图2）。

图2 配汽端模型结构示意图

仿真机组在四阀全开工况（valve wide open，VWO）下的主汽压力/主汽温度/热再温度/调节级压力/背压等参数依次为24.2 MPa/566℃/566℃/19.08 MPa/5.5 kPa。为便于设定，Design工况下的进汽流量设为2 000 t/h，并以2 t/h间隔新建各off-design工况，依次计算得到各工况下的调门开度。以Design工况（即VWO工况）下的进汽流量为标幺值，得到off-design工况下的进汽流量的相对百分比，称为基准进汽流量百分比（下文简称基准流量）。将基准流量视为FDEM指令并以其为横坐标，各调门开度为纵坐标，便可得到仿真机组的实际配汽曲线（见图3）。

图3 实际配汽曲线

顺序配汽法是依照既定阀序特性配汽机理，提取顺序阀流量特性试验（零重叠度）过程中各阀依次全行程关闭时记录的相关参数计算得到函数F（X4）[4]。下文依照此法，遵循既定阀序数值映射的配汽原则，对off-design工况仿真数据进行相关计算，得出整定配汽曲线，并与实际配汽曲线进行比较。

2.2 中间函数的获取

以Design工况为基准工况，提取各off-design工况下的相关热力参数，依据式（1）得到变工况下进汽流量的相对值[3]，称为实际进汽流量百分比（下文简称实际流量）。

式中：G为实际流量；G1、G10分别为汽轮机变工况和VWO工况下的进汽流量；p1、p10为汽轮机变工况和VWO工况下的调节级压力；p2、p20为汽轮机变工况和VWO工况下的高压缸排汽压力；v1、v10为汽轮机变工况和VWO工况下的调节级比容。

由于Ebsilon软件中的汽轮机模块遵循Stodola公式，故而，以式（1）表征的实际流量与基准流量基本一致（见图4）。

图4 实际流量与基准流量

2.2.1 背压修正函数F（X1）

将各off-design工况主汽参数、调节级参数等代入式（2），计算出与实际流量相对应的临界流量，即为顺序阀背压修正函数F（X1）曲线[3]（见图5）。

图5 背压修正函数

式中：G、Gcr分别为实际流量和临界流量；β为流量比；εn为级压比，；Po为主汽压力；εcr9为级临界压比。

2.2.2 KX+B流量分配函数

将既定阀序下单个调门全关和全开时的临界流量以及调门开度进行线性折算，即可获得单个调门的KX+B流量分配函数，详见表1。

表1 流量分配函数

2.2.3 重叠度函数F（X2）

文中着重探讨顺序阀无重叠度配汽函数的整定，关于重叠度函数的设定具体见文献[5]。

2.2.4 调门流量开度函数F（X4）

提取各off-design工况下的相关热力参数，整理出单个调门全关和全开时的临界流量；并以两者差值为标幺值，逐一计算，可得到该调门开度从0至100%过程中的相对临界流量，即调门流量开度函数F（X4）[4]，见图6。

图6 调门流量开度函数

2.3 整定配汽曲线

在图1配汽函数相应位置代入以上计算得到的F（X1）、K/B及F（X4）等中间函数，即可得到顺序阀方式（无重叠度）下FDEM指令与各调门的开度，即整定配汽曲线（见图7）。

图7 “顺序配汽”整定配汽曲线

由图7可知，依照文献[4]所给出的“顺序配汽”法，所得整定配汽曲线与实际配汽曲线基本一致。

2.4 其他问题

2.4.1 末序配汽法

在一部分试验过程中，在其他调门处于全开状态下，采用“末序配汽”法获取调门的流量开度函数F（X4）[4]。由于仿真机组，各调门对应喷嘴数均相同且未考虑调门的个体差异，因此，根据“末序配汽”法计算得出的CV1/2和CV3的F（X4）函数均与图6中的CV4相同。显然，末序配汽未考虑阀门开启顺序对于调门流量特性的影响。由图8可知，在“末序配汽”整定配汽曲线中仅CV4与实际配汽曲线一致，而CV3和CV1/2等越是偏离末序位置者，与实际配汽曲线的差异越大。

图8 “末序配汽”整定配汽曲线

2.4.2 级临界压比的取值

在间接法配汽过程中，每一中间转换环节都与临界流量有关。仿真显示，级临界压比在合理范围内（如0.51～0.55）取值不影响配汽曲线的整定效果，但须保证各中间函数所取级临界压比前后一致。

3 结语

配汽函数能否正确反映高压调门（组）的非线性特征直接决定了汽轮机组流量特性的线性度。针对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，可准确反映并还原出高压调门（组）的非线性特征，对于提升该类型机组的配汽函数整定质量具有积极意义。