汽輪機高壓主汽門、高中調(diào)門閥門曲線參數(shù)優(yōu)化

　　以大唐寧德電廠2×600MW機組為研究對象，針對汽輪機機組高壓主氣門以及高中調(diào)門閥門所存在的問題進(jìn)行分析，研究單閥/順序閥的基本控制原理，提出一種針對汽輪機機組高壓主汽門以及高中調(diào)門閥門曲線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的實驗及執(zhí)行方案。實驗研究結(jié)果表明：在針對曲線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理的基礎(chǔ)之上，整個汽輪機機組的控制穩(wěn)定性以及運行經(jīng)濟性均得到了顯著提升，綜合效益極為顯著，值得大力推廣與應(yīng)用。

　　在當(dāng)前技術(shù)條件支持下，汽輪機機組在不同配氣方式作用之下所表現(xiàn)出的運行特性也存在一定的差異性，這種差異性集中表現(xiàn)在汽輪發(fā)電機機組發(fā)電效率、安全性以及動作響應(yīng)靈活性的實現(xiàn)這幾個方面。對于大型汽輪機而言，如何提高機組的效率是個很艱巨的任務(wù)，現(xiàn)在常用的方式為通過改變汽輪機調(diào)節(jié)閥的運行方式，由單閥控制切至順閥控制，從而減少節(jié)流損失，提高機組效率。將其應(yīng)用于本文所列舉的大唐寧德電廠2×600MW機組優(yōu)化改造當(dāng)中，所取得的綜合性效益極為突出。本文試對其作詳細(xì)分析與說明。

1、汽輪機機組基本概況分析

　　大唐寧德電廠2×600MW機組系哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司設(shè)計生產(chǎn)的CLN600-24.2/566/566超臨界一次中間再熱、高中壓合缸、單軸三缸四排汽凝汽式汽輪發(fā)電機組。汽輪機啟動方式為高中壓缸聯(lián)合啟動，0至2900RPM由高壓主門及中壓調(diào)門控制，轉(zhuǎn)速達(dá)到2900RPM時切換到高壓調(diào)門及中壓調(diào)門控制升速、并網(wǎng)、帶負(fù)荷。機組啟動運行方式：定-滑-定運行，高中壓缸聯(lián)合啟動;主汽閥前額定蒸汽壓力：24.2MPa(a);主汽閥前額定蒸汽溫度：566℃。大唐寧德電廠600MW汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)配備了哈爾濱汽輪機控制工程有限公司成套的高壓抗燃油型數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(簡稱DEH)，其電子設(shè)備采用了上海西屋控制系統(tǒng)有限公司的OVATION系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)采用了高壓抗燃油EH裝置。

2、汽輪機高壓主氣門、高中調(diào)門閥門存在的問題分析

2.1、汽輪機高壓主氣門運行存在的問題分析

　　對于大唐寧德電廠所涉及到的2×600MW汽輪機機組而言，高壓主汽門位置存在的最關(guān)鍵問題在于單側(cè)高壓主氣門關(guān)閉異常。實踐研究結(jié)果表明，此類關(guān)閉異常故障問題對于整個汽輪機機組正常運行所造成的影響是極為嚴(yán)重的，甚至還有可能導(dǎo)致整個機組出現(xiàn)非計劃性停運問題。在大唐寧德電廠汽輪機高壓主汽門出現(xiàn)關(guān)閉異常的情況下，鍋爐反應(yīng)裝置蒸汽壓力實時參數(shù)將呈現(xiàn)出較為顯著的驟升，進(jìn)而導(dǎo)致給水泵裝置出力不足，由此引發(fā)汽輪機機組及發(fā)電機裝置的連跳動作。此類問題的產(chǎn)生不僅僅在于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的故障問題，同時也是受到汽輪機高壓主汽門預(yù)設(shè)參數(shù)問題的影響，針對此部位曲線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化有著極為關(guān)鍵的必要性。

2.2、汽輪機高中調(diào)門閥門運行存在的問題分析

　　對于汽輪機機組高中調(diào)門閥門部件而言，高中調(diào)門閥門部件可以說是整個汽輪機機組調(diào)速系統(tǒng)運行安全與運行穩(wěn)定性保障的基礎(chǔ)所在，高中調(diào)門閥門調(diào)節(jié)品質(zhì)的高低從某種程度上來說直接關(guān)系著整個汽輪機機組實時轉(zhuǎn)速的高低以及汽輪機機組負(fù)荷控制的穩(wěn)定性程度。現(xiàn)階段，通過實踐觀測發(fā)現(xiàn)，大唐寧德電廠所涉及到的2×600MW汽輪機機組當(dāng)中，高中調(diào)門閥門在運行過程當(dāng)中頻頻出現(xiàn)較為明顯與嚴(yán)重的擺動問題，此類嚴(yán)重擺動現(xiàn)象的持續(xù)存在勢必會使得整個汽輪機機組的負(fù)荷參數(shù)呈現(xiàn)出較為顯著的增加趨勢，此過程當(dāng)中同樣可能導(dǎo)致門體與EH油波動出現(xiàn)同步性趨勢，并在此種方式作用之下導(dǎo)致汽輪機組高壓調(diào)門因彈簧裝置疲勞性運行而出現(xiàn)斷裂問題。與此同時，彈簧斷裂問題的產(chǎn)生也將導(dǎo)致整個汽輪機機組在正常運行狀態(tài)下的調(diào)速系統(tǒng)動作響應(yīng)時間明顯增大，嚴(yán)重時還有可能導(dǎo)致整個汽輪機機組處于超速性運轉(zhuǎn)狀態(tài)當(dāng)中。從這一角度上來說，針對此部位曲線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理同樣是極為必要與關(guān)鍵的。

3、單閥/順序閥控制原理

　　從汽輪機機組單閥/順序閥切換的行為目的角度上來說，通過單閥/順序閥控制所需要實現(xiàn)的是整個汽輪機機組運行的經(jīng)濟性與動作相應(yīng)及時性。從本質(zhì)上來說，單閥/順序閥控制功能的實現(xiàn)需要借助于對噴嘴節(jié)流配汽以及噴嘴配汽切換過程中的無擾動處理，這也正是單閥控制與順序閥控制動作切換實現(xiàn)無擾動作業(yè)的核心所在，在這一過程當(dāng)中，汽輪機機組運行狀態(tài)下存在于變負(fù)荷過程中部分負(fù)荷經(jīng)濟性實現(xiàn)與均勻加熱處理之間的矛盾同樣能夠得到有效的環(huán)節(jié)與控制。一方面，從單閥控制的角度上來說，蒸汽能夠在單閥控制的作用之下通過高壓調(diào)節(jié)閥裝置以及噴嘴室，在360°全周狀態(tài)下轉(zhuǎn)入調(diào)節(jié)級動葉反應(yīng)過程當(dāng)中，在此種反應(yīng)控制過程當(dāng)中確保調(diào)節(jié)級葉片加熱處理的均勻性。很明顯，這相對于調(diào)節(jié)級葉片應(yīng)力分配的改善與優(yōu)化是極為顯著的，整個汽輪機機組的負(fù)荷狀態(tài)也能夠?qū)崿F(xiàn)較快的反應(yīng)與執(zhí)行。然而受到整個汽輪機機組運行狀態(tài)下所有調(diào)節(jié)閥裝置均呈現(xiàn)出開啟狀態(tài)，單閥控制應(yīng)用過程當(dāng)中存在節(jié)流損失較大的問題。另一方面，從順序閥控制的角度上來說，其主要是按照預(yù)先設(shè)設(shè)定的方式針對調(diào)節(jié)閥裝置進(jìn)行逐一性的開啟與關(guān)不處理。蒸汽在經(jīng)過調(diào)節(jié)閥裝置于噴嘴室的過程當(dāng)中表現(xiàn)為部分進(jìn)氣形式，從而使得整個汽輪機機組運行過程當(dāng)中的節(jié)流損失問題得到了明顯控制，并在此基礎(chǔ)之上有效改善了整個汽輪機機組的運行熱經(jīng)濟性。在實踐運行過程當(dāng)中，針對汽輪機機組處于冷態(tài)啟動好過這事低參數(shù)下的變負(fù)荷運行作業(yè)而言，通過單閥方式的應(yīng)用能夠使得整個汽輪機機組的熱膨脹問題得到有效控制，進(jìn)而合理緩解機組運行狀態(tài)下的熱應(yīng)力問題，從而有效延長整個汽輪機機組在正常狀態(tài)下的使用壽命。與此同時，對于處于額定參數(shù)下變負(fù)荷運行狀態(tài)中的汽輪機機組而言，考慮到電廠運行管理對汽輪機機組熱經(jīng)濟性重點關(guān)注的實際情況，控制方式的選取以順序閥控制位置，在合理降低節(jié)流損失的基礎(chǔ)之上實現(xiàn)對汽輪機機組熱效率的提升目的。

　　假設(shè)閥門切換過程中汽機運行工況穩(wěn)定，即真空和主蒸汽參數(shù)不變，不考慮抽汽的影響，汽機的負(fù)荷僅由蒸汽流量決定，而各個調(diào)節(jié)閥所控制的流量也只和閥門開度有關(guān)，那么可以認(rèn)為汽機負(fù)荷進(jìn)僅是閥門開度的單函數(shù)。用表示汽機負(fù)荷表示閥門開度。

　　則單閥方式下：

　　順序閥方式下：

　　單閥/順序閥切換的中間過程任意狀態(tài)下：

　　如果要求單閥/順序閥方式及切換過程中負(fù)荷無擾動，則：

　　即：

　　由于4個高壓調(diào)節(jié)閥設(shè)計相似，理想情況下認(rèn)為完全相同，并假設(shè)經(jīng)閥門曲線修正后，閥門開度與流量成正比，即閥門開度與汽機負(fù)荷成正比。

　　則：

　　所以，滿足閥門無擾切換的條件為：

　　顯然，這個問題有很多解。為簡化問題，可以設(shè)定邊界條件

　　滿足該邊界條件的最簡單解是

　　其中：ka稱為單閥系數(shù)，kb稱為順序閥系數(shù)。

　　當(dāng)閥門處于單閥方式時：ka=1，kb=0。

　　當(dāng)閥門處于順序閥方式時：ka=0，kb=1。而閥門處于切換的中間狀態(tài)時：0

　　從汽輪機機組閥門裝置的實踐操作及切換動作的實現(xiàn)角度上來說，上文有關(guān)各類假設(shè)條件的實現(xiàn)存在較大的難度與局限性，從這一角度上來說，在整個汽輪機機組閥門裝置的實際切換動作過程當(dāng)中，負(fù)荷擾動的產(chǎn)生是不可避免的。然而現(xiàn)階段采取對閉環(huán)控制裝置的引入及應(yīng)用能夠使得汽輪機機組在運行過程中的負(fù)荷擾動問題得到明顯的改善。從這一角度上來說，如果針對整個汽輪機機組的運行投入功率閉環(huán)回路，在實際功率參數(shù)與負(fù)荷設(shè)定值參數(shù)差值比例高于4%的情況下，汽輪機機組閥門裝置將自動切換至中止?fàn)顟B(tài);與此同時，在整個汽輪機機組運行負(fù)荷調(diào)節(jié)精度高于3%及以上水平的情況下，機組閥門裝置又能夠自動切換至恢復(fù)狀態(tài)�；�于以上分析不難總結(jié)：在汽輪機機組閥門切換過程當(dāng)中采取功率閉環(huán)裝置的投入方式，需要將功率控制精度參數(shù)始終保持在3%參數(shù)范圍之內(nèi);與此同時，如果汽輪機機組運行所投入的是調(diào)節(jié)級壓力閉環(huán)裝置，則與之相對應(yīng)的調(diào)節(jié)級壓力控制精度應(yīng)當(dāng)維持在1.5%參數(shù)范圍之內(nèi)。在這一過程當(dāng)中，汽輪機機組運行狀態(tài)臺下的工況參數(shù)直接關(guān)系著運行系統(tǒng)的負(fù)荷擾動大小問題。

4、閥門流量特性優(yōu)化試驗

　　大唐寧德電廠600MW汽輪機高壓調(diào)節(jié)閥的開啟順序為GV#1/GV#2→GV#3→GV#4，即GV#1和GV#2同時開啟，然后是GV#3、GV#4最后開啟。關(guān)閉順序與此相反。單閥/順序閥切換時間為2分鐘(可調(diào))。

　　在單閥向順序閥切換過程中或閥門已處于順序閥方式時，若汽機跳閘或出現(xiàn)任一個GV緊急狀態(tài)，即實際閥位和閥定位卡的閥位指令之間偏差大于設(shè)定的限值，則強行將閥門置于單閥方式。這種情況下強制成單閥方式可以減小負(fù)荷擾動。汽輪機主汽門、調(diào)整門閥門自動整定完畢后，根據(jù)現(xiàn)場實際測量，在DCS操作端上給出99%的指令，使閥門行程回縮，再根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果，將滿度時的LVDT值進(jìn)行修正，以GV3順閥曲線為例，優(yōu)化后的參數(shù)與初始參數(shù)對比如圖1。

　　根據(jù)三菱原始運行曲線，即機組在額定工況下綜合閥位與高調(diào)門的關(guān)系曲線，綜合閥位量程是-20%到+120%，分別對應(yīng)DEH的綜合閥位0%到100%相對應(yīng)，如圖2。由實際運行表可以查出600MW負(fù)荷時GV3開度為22.33%。GV3開度GVh=135X22.33%=30.145mm。根據(jù)曲線可以計算出對應(yīng)的綜合閥位是：H=100+4X(30.145-28.5)(/55-28.5)=100.062%。

圖1 GV3順閥曲線

圖2 三菱綜合閥位與高調(diào)門的關(guān)系曲線

5、結(jié)論

　　從計算數(shù)據(jù)可以得出，經(jīng)過此次優(yōu)，3#機組基本達(dá)到了設(shè)計值，從我們試驗和優(yōu)化后的應(yīng)用情況看，都提高了控制穩(wěn)定性和運行經(jīng)濟性，值得大力推廣。(注：額定工況600MW高壓缸進(jìn)汽流量為1650(T/h))。