汽輪機(jī)的閥門控制

1、汽輪機(jī)閥門控制種類

　　汽輪機(jī)作為大型高速運(yùn)轉(zhuǎn)的原動機(jī)是當(dāng)今火力發(fā)電廠的主要設(shè)備之一，它被用來拖動發(fā)電機(jī)從而使機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�，供用戶使用。汽輪機(jī)具有體積大、旋轉(zhuǎn)快等特點(diǎn)。當(dāng)它由常溫常壓的靜止?fàn)顟B(tài)下轉(zhuǎn)入高溫高壓高速運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)閥門起到了穩(wěn)定轉(zhuǎn)速、控制負(fù)荷的關(guān)鍵作用。只有控制好閥門的穩(wěn)定性、快速性和精確度，才能使汽輪機(jī)安全、平穩(wěn)、高效的運(yùn)行。

　　數(shù)字式電液調(diào)節(jié)(DEH)系統(tǒng)作為目前汽輪機(jī)的最基本的控制系統(tǒng)，是對閥門進(jìn)行控制的最佳系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中對閥門的控制有兩種方式：單閥控制方式和多閥控制方式，兩種方式之間可以進(jìn)行無擾切換。

　　單閥控制是指在汽輪機(jī)的高壓缸進(jìn)汽時(shí)采用各個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥門同時(shí)進(jìn)汽的方式，也就是說各個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥門的指令和開度都是一樣的。

　　多閥控制是指在汽輪機(jī)的高壓缸進(jìn)汽時(shí)采用單個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥門逐步進(jìn)汽的方式，也就是說各個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥門的指令和開度都是不一樣的，每個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥門的開度是根據(jù)自身的流量曲線對應(yīng)的指令輸出的。

2、閥門控制的功能

　　DEH控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥門的開度指令，實(shí)際上是由閥門控制輸出的，而閥門控制所接收的信號是系統(tǒng)對進(jìn)入汽輪機(jī)的總蒸汽流量的請求，即DEH系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制回路和負(fù)荷控制回路中所產(chǎn)生的流量給定值信號是通過閥門控制轉(zhuǎn)換為各閥門的開度指令信號的。這個(gè)給定信號輸出到閥門控制卡(伺服卡)上與閥位傳感器(LVDT)的實(shí)際閥位信號相減，經(jīng)過伺服放大器放大后控制伺服閥達(dá)到要求開度。因此，閥門控制實(shí)際上是一軟件動態(tài)函數(shù)發(fā)生器，它的主要任務(wù)是：(1)當(dāng)機(jī)組在單閥調(diào)節(jié)或多閥調(diào)節(jié)方式下運(yùn)行時(shí)，閥門控制根據(jù)DEH系統(tǒng)提供的流量給定信號，通過閥門流量曲線確定各調(diào)節(jié)閥的開度，并以輸出模擬信號;(2)保證在單閥調(diào)節(jié)和多閥調(diào)節(jié)相互切換的過程中，機(jī)組的功率始終保持不變;(3)在閥門進(jìn)行切換的過程中，如果流量請求發(fā)生變化，將停止正在進(jìn)行的閥門切換，先滿足機(jī)組對流量的要求，然后再繼續(xù)進(jìn)行閥門的切換;(4)保證DEH系統(tǒng)能平穩(wěn)地從手動方式切換到自動方式。

3、閥門控制新策略

　　3.1、單閥和多閥的比較

　　對于定壓運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)主要是對汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率而言，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和功率的方法就是改變汽輪機(jī)的進(jìn)汽量。汽輪機(jī)的進(jìn)汽量是通過改變汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥門的開啟數(shù)量和閥門開度來實(shí)現(xiàn)的，即改變了汽輪機(jī)閥門的進(jìn)汽面積。因此根據(jù)進(jìn)汽面積的不同就產(chǎn)

　　生了汽輪機(jī)的單閥控制和多閥控制。

　　單閥控制方式下，各調(diào)節(jié)閥門一起動作，閥門的開度大小都是相同的，汽輪機(jī)進(jìn)汽均勻，汽缸和轉(zhuǎn)子受熱也相對均勻。在汽輪機(jī)發(fā)生負(fù)荷變化時(shí)調(diào)節(jié)級后的蒸汽溫度變化也就很小，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力就相對很小，使機(jī)組運(yùn)行靈活性較好，適合在機(jī)組起動和變換負(fù)荷時(shí)采用。但單閥方式在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的節(jié)流損失較大，調(diào)節(jié)效率較低，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性就相對較差。

　　多閥控制方式下，各調(diào)節(jié)閥按照一定的順序有計(jì)劃地動作從而改變汽輪機(jī)的進(jìn)汽面積。在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，只有一個(gè)(或兩個(gè))閥門有節(jié)流損失，其余閥門全開或者全關(guān)，故調(diào)節(jié)效率較高，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性較好。但該方式下汽輪機(jī)的進(jìn)汽不均勻，汽缸和轉(zhuǎn)子的受熱也不均勻，并且在變換負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)級后蒸汽溫度變化很大，熱應(yīng)力較大，運(yùn)行靈活性較差。

　　為了解決機(jī)組運(yùn)行靈活性和經(jīng)濟(jì)性的矛盾，在起動、升速和變換負(fù)荷過程中，希望采用單閥控制使機(jī)組受熱均勻，靈活升速和變換負(fù)荷，而當(dāng)機(jī)組帶到一定負(fù)荷時(shí)又希望采用多閥控制來改善機(jī)組的效率。這就需要應(yīng)用DEH的閥門控制功能進(jìn)行閥門的無擾切換，使汽機(jī)達(dá)到最有效的運(yùn)行。汽輪機(jī)的每個(gè)控制調(diào)節(jié)閥門都有各自單獨(dú)的伺服卡、伺服閥和油動機(jī)，這就使DEH所控制的閥門更加靈活、穩(wěn)定，也便于單個(gè)閥門發(fā)生故障時(shí)還能確保機(jī)組運(yùn)行，便于在線更換伺服卡、伺服閥等。

　　3.2、提高機(jī)組效率的途徑

　　和傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，DEH控制系統(tǒng)可以對每個(gè)閥門進(jìn)行單獨(dú)的控制，為了減小機(jī)組的節(jié)流損失，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，可以通過以下幾個(gè)方面進(jìn)行改善。

　　(1)增加配汽閥點(diǎn)配汽閥點(diǎn)是指閥門進(jìn)汽不存在節(jié)流損失的功率點(diǎn)，汽輪機(jī)在這個(gè)功率點(diǎn)上運(yùn)行效率最高。單閥控制只有在汽輪機(jī)滿負(fù)荷發(fā)電時(shí)，由于各調(diào)節(jié)閥全部打開，這時(shí)汽輪機(jī)只存在一個(gè)閥點(diǎn)，因此基本沒有節(jié)流損失。而在其它負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)閥門都沒有完全打開，因此存在較大的節(jié)流損失，使效率降低。多閥控制是各個(gè)調(diào)節(jié)閥門單獨(dú)給機(jī)組供汽，而且根據(jù)負(fù)荷的需要按照一定的次序開啟各個(gè)調(diào)節(jié)閥門，以4個(gè)高壓調(diào)門的汽輪機(jī)為例，首先使汽輪機(jī)先開1號和2號調(diào)門，等到帶到一定負(fù)荷時(shí)，當(dāng)1號、2號調(diào)門基本全開后，3號調(diào)門才慢慢開啟，而此時(shí)4號調(diào)門還處于關(guān)閉狀態(tài)，這就產(chǎn)生了多個(gè)配汽閥點(diǎn)，在這些點(diǎn)所產(chǎn)生的節(jié)流損失相對很小，效率明顯優(yōu)于單閥調(diào)節(jié)。配汽閥點(diǎn)越多，汽機(jī)的節(jié)流損失就越小，汽輪機(jī)在整個(gè)負(fù)荷區(qū)間的總體效率就越高。

　　(2)閥門組重組因?yàn)槠�輪機(jī)的調(diào)節(jié)閥門數(shù)量是一定的，為了在有限的閥門數(shù)量下得到更多的配汽閥點(diǎn)，就可以通過改變閥門所對應(yīng)的噴嘴數(shù)量來得到更多的配汽閥點(diǎn)。在負(fù)荷逐漸升高的過程中，先開啟噴嘴數(shù)量相對較少的閥門，然后再根據(jù)負(fù)荷升高開啟其他閥門，這樣就減少汽輪機(jī)在低負(fù)荷時(shí)的節(jié)流損失，從而使汽輪機(jī)獲得相對多的閥點(diǎn)，提高了機(jī)組在不同負(fù)荷時(shí)的效率。

　　(3)減小重疊度 由于汽輪機(jī)的運(yùn)行要求總的流量具有較好的線性度，而汽輪機(jī)的閥門流量又具有一定的飽和特性，這就要求汽輪機(jī)要在前一個(gè)調(diào)節(jié)閥門流量特性線性度變差之前開啟第二個(gè)閥門，因此就產(chǎn)生了閥門的重疊度。由于各個(gè)調(diào)節(jié)閥門的流量之間是有一定的關(guān)系，是相互影響的，所以為了確保汽機(jī)總的流量線性度較好，保證機(jī)組動態(tài)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定及一次調(diào)頻時(shí)機(jī)組的響應(yīng)速度，就要求閥門有一定的重疊度。而通常許多電廠由于要求對機(jī)組的負(fù)荷考核十分嚴(yán)格，所以一般都把機(jī)組的重疊度調(diào)得很大，機(jī)組的運(yùn)行就會相對平穩(wěn)，負(fù)荷的波動也就會很小或者幾乎沒有。而這樣一來機(jī)組的節(jié)流損失變大，調(diào)節(jié)效率降低，整體的經(jīng)濟(jì)性也會下降。經(jīng)過研究，適當(dāng)?shù)販p小閥門重疊度，只會對局部的流量特性產(chǎn)生影響，雖然會使機(jī)組在重疊點(diǎn)附近線性度變差，但不會對機(jī)組甩負(fù)荷等關(guān)鍵特性造成大的影響，并且有利于減小機(jī)組的節(jié)流損失，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。

　　3.3、提高機(jī)組效率的新策略

　　按照閥門組重組的思想，利用DEH控制系統(tǒng)中的閥門控制可以實(shí)現(xiàn)單閥控制和順序閥控制的無擾切換，使汽輪機(jī)在定壓運(yùn)行時(shí)任意負(fù)荷區(qū)段的效率達(dá)到最高，從而提高機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。但不同的機(jī)組閥門特性是不同的，它所對應(yīng)的噴嘴數(shù)量，閥門開啟順序都是不同的。例如海南東方2*350MW的機(jī)組而言，它的單閥、順序閥曲線分別為如圖1、2所示。

圖1 高壓閥門流量曲線(單閥運(yùn)行)

圖2 高壓閥門閥桿升程曲線(順序閥運(yùn)行)

圖3 汽輪機(jī)功率——頻率系統(tǒng)簡圖

　　閥門的開啟順序?yàn)镚V1和GV2先同時(shí)開啟，然后是GV3開啟，最后是GV4開啟。根據(jù)現(xiàn)場情況，在進(jìn)行閥門切換時(shí)，2瓦和3瓦的振動達(dá)到報(bào)警值以上。后經(jīng)過分析和主機(jī)廠的重新計(jì)算，把閥門的開啟順序更改為GV1和GV2先開啟，然后GV4開啟，最后GV3開啟。在進(jìn)行切換時(shí)機(jī)組的振動沒有達(dá)到報(bào)警值以上。由此可推斷，機(jī)組進(jìn)行閥門切換時(shí)，閥門的開啟順序很重要，也就是說閥門控制的好壞是決定了機(jī)組能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。而閥門控制的關(guān)鍵在于閥門切換過程中是否是無擾切換，這就要求DEH系統(tǒng)所編的程序必須完善。一般情況下利用外部積分的方法可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的無擾切換。如圖3所示，若功率回路投入，PID調(diào)節(jié)器則起到了外部積分器的作用，當(dāng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)方式發(fā)生變換引起的發(fā)電機(jī)功率變化時(shí)，PID輸出的變化會根據(jù)實(shí)際情況自動補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)切換的無擾;若功率回路不投入，閥門切換的過程中對機(jī)組功率的影響就取決于閥門流量特性曲線計(jì)算的準(zhǔn)確程度。

4、結(jié)論

　　對于大多電廠要求提高經(jīng)濟(jì)性、提高機(jī)組發(fā)電效率的今天，DEH系統(tǒng)的閥門控制可以減少機(jī)組的節(jié)流損失。在不同的負(fù)荷區(qū)段使用不同的閥門控制方法，充分發(fā)揮DEH計(jì)算機(jī)控制能夠單獨(dú)控制各個(gè)閥門的優(yōu)越性，來滿足機(jī)組在不同工況下對負(fù)荷的要求，從而安全、平穩(wěn)、快速地調(diào)節(jié)機(jī)組的負(fù)荷，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。