汽轮机阀门流量特性优化对其安全性.doc
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2008年全国发电厂热工自动化专业会议论文集
汽轮机阀门流量特性优化对其安全性
和经济性的影响
李劲柏 刘复平
（湖南省电力公司试验研究院 湖南长沙市 410007）
摘要：
针对某国产300MW亚临界机组存在的单阀方式下负荷自发扰动，顺序阀方式下负荷突变等问题进行了阀门流量特性曲线优化试验，提高了机组负荷控制的稳定性，同时也取得良好的节能效果，解决了机组原设计中阀门流量存在的问题，优化的结果在同类型机组中具有较高的推广应用价值。
关键词：
阀门流量特性 优化 安全 经济
1前言
目前火力发电机组汽轮机大部分采用DEH控制，DEH系统提供阀门管理和单阀/顺序阀切换功能。
在单阀方式下，高调门保持相同开度，汽轮机全周进汽，有利于汽轮机本体均匀受力受热，但低负荷时节流严重，经济性差。
在顺序阀的方式下，高调门按照一定的顺序开启，通过减少调门开度过低造成的节流损失，提高机组的经济效益。
阀门流量特性曲线就是阀门开度与通过阀门的蒸汽流量的对应关系，DEH系统阀门流量特性曲线是如果与实际阀门流量相差较大，在机组变负荷和一次调频时，可能出现负荷突变和调节缓慢的问题，造成机组控制困难，影响了机组的安全性和变负荷能力。
在顺序阀方式下，如果调节阀门重叠度设置不合理，也会影响机组投入顺序阀的经济性。
通过对DEH系统阀门流量特性进行优化，计算出切合机组实际情况的阀门流量特性曲线，使机组在单阀／顺序阀切换过程更平稳，负荷扰动更小，主汽温度、主汽压力等参数更为稳定，瓦温、振动能够得到一定的改善，增强机组变负荷和一次调频的能力，提高机组运行的经济性和控制的稳定性。
2某300MW机组的阀门流量特性优化试验
2007年10月，我们对某电厂300MW机组进行了DEH系统阀门流量特性优化试验。
该机组是东方电气集团公司提供的300MW亚临界机组，DEH采用ABB北京贝利公司与INFI-90分散控制系统软硬件一体化的ETSI。
该机组在投入运行后存在的主要问题是顺序阀方式下变负荷和一次调频时有比较大的负荷突变，突变值可达到30MW或更多，同时引起汽机轴系振动变化，负荷突变区在200MW左右，正是机组低负荷运行的主要工作区域，严重影响了机组的安全性和经济性。
在单阀方式下，当阀位开度指令在90%时，机组负荷有自发的波动，功率回路和协调不能投入，机组控制困难。
在这种情况下，决定进行阀门流量特性优化试验，使机组根据优化整定后的阀门流量特性曲线进行单阀／顺序阀管理，提高机组运行的经济性和控制的稳定性。
2.1试验过程
阀门流量特性优化试验分顺序阀和单阀两种方式下进行。
在顺序阀方式下，DEH开环控制，机组开始负荷在190MW左右，控制主汽压力在15.4MPa左右，CV3、CV4阀全关，此时阀门流量总指令值约68%。
以0.3％～2％一级的速度增加阀门流量总指令（每增加一级后，稳定1～2分钟，以保持主汽压的稳定）直到CV3、CV4阀全开，流量指令为100％的工况。
然后进行单阀／顺序阀切换。
切换后，在单阀方式下，以0.3％～2％一级的速度减少阀门流量总指令（每减少一级后，稳定1～2分钟，以保持主汽压的稳定）直到机组负荷为180MW左右时结束试验，试验过程中保持主汽压、主汽温度、真空的相对稳定。
记录机组第一级压力、主汽压力、CV1～4阀后压力、发电机功率、CV1～4阀位、阀位指令、负荷指令等参数。
2.2顺序阀方式下阀门流量特性的优化计算
将顺序阀方式下阀门流量特性试验数据经整理后如下表，其中流量差值指流量指令与计算流量的差值。
从表中可以看出，当目前的流量指令在68％左右、70％～75％、81％～87％这三个区段时，与计算得出的阀门计算流量之间差值较大，特别是流量指令从68％变化到72.1％时，计算流量的差值从9.3％变化到-4.2％。
试验时各流量指令下机组负荷占额定功率的比值，与计算得出的阀门计算流量比较接近，与目前的流量指令相差较大。
这充分说明了目前的顺序阀控制方式下阀门流量特性曲线与实际情况严重不吻合，存在优化空间。
流量指令（%）
机组功率（MW）
主汽压力（MPa）
调节级
压力（MPa）
CV1、2
指令（%）
CV3
指令（%）
CV4
指令（%）
计算流量（%）
流量差值（%）
68.0
184.4
15.411
7.450
39.2
0.1
-0.2
58.7
9.3
68.2
188.7
15.354
7.674
40.3
0.6
-0.2
60.7
7.5
68.6
199.6
15.504
8.252
42.8
1.8
-0.2
64.6
4
69.2
214.8
15.617
8.851
45.8
3.3
-0.2
68.8
0.4
70.1
225.3
15.630
9.311
51.0
6.0
-0.2
72.3
-2.2
71.1
232.0
15.379
9.478
56.5
8.5
-0.2
74.8
-3.7
72.1
237.0
15.421
9.686
62.1
11.0
-0.2
76.3
-4.2
73.1
237.8
15.379
9.762
67.2
11.4
0.0
77.1
-4
75.1
241.9
15.298
9.846
78.7
12.1
0.0
78.1
-3
77.1
244.9
15.454
9.990
88.7
12.8
0.0
78.5
-1.4
79.1
247.3
15.548
10.080
98.0
13.7
0.0
78.7
0.4
81.1
246.4
15.561
10.084
98.0
15.6
0.0
78.7
2.4
83.1
247.3
15.454
10.152
98.0
18.2
0.0
79.8
3.3
85.1
250.8
15.292
10.292
98.0
20.5
0.0
81.7
3.4
87.1
257.7
15.304
10.631
98.0
24.3
0.0
84.3
2.8
88.1
275.3
15.461
11.319
98.0
32.6
9.9
88.9
-0.8
88.5
280.4
15.461
11.557
98.0
36.0
10.0
90.8
-2.3
90.5
283.0
15.398
11.720
98.0
56.3
11.0
92.4
-1.9
92.5
284.6
15.392
11.765
98.0
84.2
12.3
92.8
-0.3
95.0
285.8
15.411
11.844
98.0
98.0
16.1
93.3
1.7
97.0
287.2
15.173
11.924
98.0
98.0
21.4
95.4
1.6
98.0
288.7
15.066
12.016
98.0
98.0
25.9
96.8
1.2
99.0
290.0
14.960
12.137
98.0
98.0
34.0
98.5
0.5
100.0
294.2
14.972
12.332
98.0
98.0
98.0
100.0
0
根据试验数据，经过合理简化、投影计算及选取合适的重叠度，我们拟合出与实际情况较吻合的顺序阀方式下优化后阀门流量特性函数如下表，优化前后阀门特性曲线图对比如图1所示。
流量指令（%）
CV1、CV2指令（%）
流量指令（%）
CV3指令（%）
流量指令（%）
CV4指令（%）
0.0
0.0
76.3
0.0
91.6
0.0
0.1
9.5
78.1
11.0
92.4
9.5
11.4
13.4
78.7
13.4
93.3
16.1
23.3
17.3
84.3
24.3
96.8
25.9
58.7
39.2
88.9
32.6
98.5
34.0
68.8
45.8
90.8
36.0
99.2
37.0
72.3
51.0
92.4
56.3
99.7
47.3
74.8
56.5
92.8
84.2
100.0
100.0
76.3
62.1
93.3
100.0
78.1
78.7
100.0
100.0
78.7
100.0
100.0
100.0
图1顺序阀方式下阀门流量原特性曲线与新特性曲线对比图
2.3单阀方式下阀门流量特性的优化计算
将单阀方式下阀门流量特性试验数据经整理后如下表，从表中可以看出，当目前的流量指令在60％～90％之间时与计算得出的阀门计算流量之间差值较大，在60％左右时甚至差值达到了26.8％；特别是目前的流量指令从94％变化到91％时，其与计算流量的差值从7.7％变化到20.5％，严重影响了控制的稳定性。
而试验时各流量指令下机组负荷占额定功率的比值，与计算得出的阀门计算流量也比较接近，与目前的流量指令相差较大。
这充分说明了目前的单阀控制方式下阀门流量特性曲线与实际情况相差很大。
流量指
令（%）
功率
（MW）
主汽
压力（MPa）
调节级
压力（MPa）
CV1～3指令（%）
CV4指令（%）
计算流量（%）
流量差值（%）
100.0
296.1
15.066
12.404
100.5
99.5
100.0
0.0
98.0
286.8
15.129
11.984
47.0
44.0
96.2
1.8
97.0
283.6
15.248
11.828
42.9
39.8
94.2
2.8
96.0
273.8
15.091
11.405
40.2
35.6
91.8
4.2
95.0
265.1
15.016
11.011
37.6
33.6
89.1
5.9
94.0
260.1
15.335
10.891
35.8
32.2
86.3
7.7
93.0
248.9
15.292
10.302
34.1
30.8
81.8
11.2
92.5
242.0
15.423
10.030
33.2
30.1
79.0
13.5
92.0
228.4
15.261
9.483
32.3
29.5
75.5
16.5
91.5
220.2
15.148
9.025
31.4
28.8
72.4
19.1
91.0
209.0
15.085
8.757
31.0
28.5
70.5
20.5
90.5
205.5
14.960
8.541
30.7
28.2
69.3
21.2
90.0
202.8
14.966
8.402
30.5
28.0
68.2
21.8
89.0
198.5
15.035
8.168
30.0
27.6
66.0
23.0
88.0
192.0
15.167
7.948
29.5
27.1
63.6
24.4
87.0
186.0
15.295
7.714
29.0
26.7
61.3
25.7
86.0
182.5
15.523
7.562
28.5
26.3
59.2
26.8
以试验中的计算流量作为流量指令，经过简化及计算，保留原有的预启开度，我们可以拟合出与实际情况较吻合的单阀方式下新阀门流量特性函数如下表所示，新阀门特性曲线图与原阀门特性曲线图的对比如图2所示：
流量指令（%）
CV1～CV3指令（%）
流量指令（%）
CV4指令（%）
0.0
-3.0
0.0
-3.0
0.1
9.53
0.1
9.5
7.424
10.89
7.424
10.735
59.2
28.5
68.2
28.0
70.5
31.0
70.5
28.5
81.8
34.1
81.8
30.8
86.3
35.8
86.3
32.2
89.1
37.6
89.1
33.6
94.2
42.9
91.8
35.6
96.2
47.0
94.2
39.8
100.0
100.5
96.2
44.0
100.0
100.5
图2 单阀方式下阀门流量原特性曲线与新特性曲线对比图
3阀门流量特性优化后安全性和经济性质比较分析
如果机组在210MW左右负荷，处于单阀控制方式下，在15.2MPa的主汽压力下，此时机组的流量指令在91％左右，在原特性曲线的情况下，如果要求增加9MW负荷，也就是3％的流量指令，在DEH开环控制下，流量指令将增加到94％左右，此时机组负荷可能增加到260MW，增加值达到50MW，相差过大。
由于在机组投入协调控制时，DEH类似开环控制，虽然汽机主控回路可以保持机组负荷一定的稳定性，但也不可避免出现大的超调。
如果机组在投入一次调频后，更可能出现大的超调，影响机组控制的稳定性和安全性。
在顺序阀控制方式下，如果机组在180MW左右负荷，在15.2MPa的主汽压力下，此时机组的流量指令在68％左右，在原特性曲线的情况下，如果要求增加9MW负荷，也就是3％的流量指令，在DEH开环控制下，流量指令将增加到71％左右，此时机组负荷可能增加到232MW，增加值达到52MW，一样不可避免出现大的超调。
负荷的超调，同时将引起汽机轴系振动变化，影响了机组的安全经济运行。
对于一台机组来说，如果部分区段可能发生负荷超调，那么在另一部分区段比实际曲线要平缓，该机组也有相当一部分区段在增加流量指令时基本上没有负荷增加，这一样会影响机组在投入AGC和一次调频时的性能。
该机组采用优化后的阀门流量特性曲线后，控制的稳定性明显改善，负荷的稳定也使锅炉的燃烧更加稳定，以前一直不能投入的一次调频也能够正常投入了，AGC负荷控制的跟随性大幅度改善。
由于机组只有在顺序阀方式下才存在通过阀门流量特性曲线改变节能的情况，下面是顺序阀控制方式下，机组在60-80%负荷下的阀门开度情况：
流量指令（%）
机组功率（MW）
主汽压力（MPa）
CV1、2
指令（%）
CV3
指令（%）
实际流量（%）
修正的CV1-2
指令（%）
修正的CV3
指令（%）
68.0
184.4
15.411
39.2
0.1
58.7
39.2
0
68.2
188.7
15.354
40.3
0.6
60.7
68.6
199.6
15.504
42.8
1.8
64.6
69.2
214.8
15.617
45.8
3.3
68.8
45.8
0
70.1
225.3
15.630
51.0
6.0
72.3
51.0
0
71.1
232.0
15.379
56.5
8.5
74.8
56.5
0
72.1
237.0
15.421
62.1
11.0
76.3
62.1
0
73.1
237.8
15.379
67.2
11.4
77.1
67.2
5
75.1
241.9
15.298
78.7
12.1
78.1
78.7
11
77.1
244.9
15.454
88.7
12.8
78.5
98
13
在原特性曲线的情况下，从180MW～240MW区段都存在三个调门节流的情况，机组实际运行中，为了避开流量突变区，一般选择在CV1、CV2开度62%，CV3开度11%的工况下变压运行（在其它工况下，由于调门节流存在轴系振动不稳定的情况）。
在新的特性曲线的情况下，通过减少CV1、CV2和CV3的重叠度，一般只选择在CV1、CV2开度比较大，CV3全关的工况运行，减少了一个调门节流，加上在新的特性曲线下可以进一步优化主汽压滑压曲线，在低负荷下可以减少2g/KWh的煤耗（包括通过优化主汽压滑压等措施），具有相当可观的经济效益。
4结论
由于汽机制造过程中存在的差异，有相当多的机组存在阀门流量特性曲线设置不合理的情况，有的还严重影响了机组的安全经济运行。
同时机组的调门进行检修或更换后，都有可能改变原来的特性曲线，需要进行一定的再调整。
为提高机组AGC和一次调频的性能和节能降耗，需要对这些机组进行优化试验。
从我们试验和优化后的某厂300MW机组和某厂200MW机组的应用情况看,都提高了控制稳定性和运行经济性,值得大力推广。
参考文献：
[1]唐培全，《DEH阀门流量特性试验》，《山东省电力高等专科学校学报》第4期2004年
[2]《DEH系统阀门流量特性优化试验总结报告》（刘复平等湖南省电力公司试验研究院）
[3]《大唐湘潭发电有限责任公司1号机组DEH系统阀门流量特性优化试验报告》（刘复平朱晓星湖南省电力公司试验研究院）
作者简介：
刘复平（1973—），男，热能动力工程专业毕业，高级工程师，主要从事发电厂控制系统安全性和可靠性分析，汽机调速系统特性的研究。
李劲柏（1964—），男，热工自动化专业毕业，高级工程师，主要从事发电厂控制系统先进控制策略，汽机调速系统特性的研究。
地址：
湖南省长沙市东塘水电大院62号：
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