汽轮机DEH系统单阀-顺序阀切换性能优化与试验
朱加喜1，张智文2
（1大唐淮北发电厂，2安徽淮北平山电厂 安徽省淮北市，235000）
摘 要：通过对某火电厂660MW超临界机组DEH系统在单阀-顺序阀切换过程出现负荷波动大、瓦温升高、振动增大等问题进行相关的理论分析和调门流量特性试验研究，优化汽轮机调门配汽规律，优化DEH逻辑和参数，选择最佳切换条件切换达到了优化切换性能的目的，解决了运行中存在的问题。这不仅保证了机组的安全稳定运行，同时对于国内火电机组普遍存在的这类问题，具有一定的借鉴意义。
关键词： DEH；单阀；顺序阀；切换；试验；性能优化
0 引 言
汽轮机数字电液控制系统Digital Electric-Hydraulic Control System （DEH）的负荷控制原理：DEH控制系统根据机组负荷要求，计算出与当时主汽参数相对应的流量值，经过高低负荷限制，输出到阀门管理程序，通过阀门管理程序换算成与之对应的阀门开度。单阀运行时，汽轮机总的流量信号平均加到各个高压调节门上；顺序阀控制时，流入汽轮机的蒸汽流量是各阀门流量的总和，它将按顺序依次加到GV1-GV4上，各阀门按顺序启闭，相邻的两个阀门在开启时有一定的重叠度（前一阀门尚未完全开启，下一阀便提前打开，这提前开启的量，即为阀门的重叠度）。通常认为当阀门前后的压力比P2/P1=0.95~0.98时，阀门即为全开。重叠度的选取要经过方案比较，一般以前一阀门开至阀门前后的压力比P2/P1=0.85~0.90时，后一阀就开始开启为合适，而阀门流量特性曲线就是流量向阀门开度转换的函数，如果流量特性曲线与实际有误差，则在阀门切换过程中负荷变化就较大。
单阀顺序阀切换目的是为了提高机组的经济性和稳定性，其实质是实现节流调节与喷嘴调节的无扰切换，解决变负荷过程中均热要求与部分负荷经济性的矛盾。单阀方式下调节级全周进汽，对调节级叶片应力控制有益，这样可以较快的速度变负荷，但另一方面，由于存在节流损失，在经济上不利，所以单阀方式较适宜于负荷变动工况。顺序阀方式对应于调节级部分进汽，由于减少了节流损失而提高了经济性，但同时叶片存在冲击会产生部分应力，因而对负荷变化有一定的限制，机组在该方式运行下，适应于高负荷时的稳定运行工况，此时大部分阀门处于全开状态，只有部分阀没有开足，所以减少了节流损失。
所以在运行初期是处于单阀控制方式下运行的，但是此时的高压调门开度较小，节流损失较大，机组的经济性差。当负荷稳定时需要将单阀运行方式切换至顺序阀运行方式，以降低节流损失提高效率。但是，国内及早期引进的许多机组由于配汽规律设计不当，在单阀切换顺序阀的过程中就暴露出一些相应的问题，如某电厂的一台600WM机组切换为顺序阀运行后机组 #1 轴承X、Y向振动均明显增大, 运行中有时振动值接近200 μm，而机组振动保护值为 250 μm，严重威胁主机的安全运行。有人根据汽轮机运行中出现的实际问题，对调节级不平衡汽流力和轴承静、动特性进行了理论计算，发现了汽轮机配汽方式对瓦温、瓦振、轴心位置等的影响机理，阐明了汽轮机配汽方式对轴系安全性的影响，并提出了汽轮机配汽的综合优化设计方法，实际应用的效果也非常显著。
1 简述
某电厂两台660MW超临界机组，锅炉为东方锅炉厂生产的超临界参数变压直流炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构兀型锅炉，型号DG2102/25.4Ⅱ9；汽轮机为上海汽轮机厂制造的超临界、一次中间再热、三缸四排汽、单轴、双背压、凝汽式、八级回热抽汽，型号N660-24.2/566/566；热控DCS和DEH系统采用艾默生公司OVATION一体化控制系统。#2机组2012年大修后，汽机保持原来的高压调节阀配汽规律，实际DEH系统在单阀切换至顺序阀运行过程中存在多方面的问题：如在单阀顺序阀切换时负荷波动在15MW左右，有时达20MW；机组正常运行低负荷时出现过高调门的摆动问题；机组在高负荷工况运行时，尤其是当GV2调节汽门开启时，#1轴振迅速增加，存在严重的安全隐患，高负荷时需要避免#2高调门的开启等。因此，需要针对机组的单阀顺序阀切换性能做优化工作。
下文主要从调节性能优化和提高安全性能角度出发，对机组存在的这些问题作了分析，发现原有的配汽规律存在不合理之处，并进行了合理的优化工作。通过对该台660MW超临界机组进行实际的运行试验，最终验证了机组DEH单阀顺序阀切换性能优化工作的可行性和有效性。汽机高调门的配汽优化工作，能够在保证经济性的前提下，极大程度的改善了机组的安全性能和调节性能。
2 存在问题分析及措施
2.1机组存在问题的理论分析
依上述知机组在单阀-顺序阀切换时，切换性能不佳主要是由于其顺序阀规律设计不当（阀门开启顺序及重叠度等）或切换条件选取不匹配，一般会暴露出主汽压、负荷和EH油压波动较大等切换性能较差的问题；同时，瓦温升高、振动增大等轴系故障问题也会在切换的工程中出现，以至于出现跳机等严重危害机组安全性能的情况。有文献提出了在单阀顺序阀切换过程中采用适当延长阀门切换时间的办法来消除机组负荷出现的大幅波动的问题；针对切换过程中的瓦温异常和转子的自激振动大提出了优化调整各调节阀的重叠度，修正阀门特性曲线的解决方法；文献的试验研究结果也表明，机组的高调门配汽规律直接影响机组在开环切换方式下（即阀位方式）的无扰切换性能；文献中还特别指出了单阀顺序阀切换时的切换条件选择对切换性能也有一定的影响。
2.2可行性优化方案
通过对该台机组目前所存在的问题与相关文献资料中的问题进行对比分析，最终得出结论：这台机组的高调门的配汽规律需要进行优化工作，这是解决目前机组存在问题的首要可行性方法。其余一些问题，还需要在高调门的配汽优化工作结束后，做进一步的分析研究。对这台660MW超临界机组进行高调门的配汽优化，首先结合对切换条件的优化选择，能够实现由单阀到顺序阀的无扰切换；然后通过对高调门顺序阀的开启顺序的优化，可以实现机组在切换至顺序阀运行方式下时，瓦温和振动都基本与单阀运行时相当；最后还可以通过对调门重叠度的优化，解决原有配汽规律不当引发的调门摆动等问题。实际上，配汽优化后，就是通过改变进汽顺序和优化重叠度等，可以有效减小顺序阀运行方式下的配汽不平衡气流力，兼顾瓦温和振动，使机组的配汽方式达到最优。
3 调门流量特性试验
3.1 调门流量特性试验内容
#2机组汽轮机高调门的开度指令形成方式如图1所示，高调门的开启顺序为GV3/GV4、GV1、GV2，顺序阀方式下各高调门流量修正函数如表1所示，调门开度指令与DEH综合流量指令REFDMD的关系曲线如图2所示。试验主要包括两方面内容：
（1）维持主蒸汽压力、温度及其它主要参数稳定，在初始状态为汽轮机各高压调门全开状态下（单阀/多阀方式均可），由运行人员逐个改变各高压调门阀位指令，测取各高调门阀位—流量特性曲线，为修正整体流量特性提供参考。
（2）维持主蒸汽压力、温度及其它主要参数稳定，汽轮机高调门在多阀运行方式下，由运行人员改变DEH目标值(负荷参考指令REFDMD)，各高压调门按设定顺序依次动作，测取流量总指令REFDMD与实际蒸汽流量之间的关系曲线，检查它们之间的线性度是否满足技术要求。
图1 高调门开度指令形成示意图
表1 优化前顺序阀方式下各高调门流量修正函数（X:流量指令；Y:开度指令）
图2 顺序阀方式下高调门开度指令与REFDMD关系曲线
3.2 试验方法及步骤
3.2.1顺序阀方式下高调门总体流量特性测试
（1）在机组协调控制方式下，将负荷升至90%额定负荷左右；
（2）维持机组负荷不变，由运行人员逐渐减小压力设定值，使主蒸汽压力逐渐下降，汽机高调门逐渐自动开大，直至所有汽机高调门全开；
（3）DEH遥控方式切除，机组切为锅炉跟随方式（BF），由锅炉主控自动保持主汽压力为当前值不变，DEH侧一次调频回路、功率回路、压力回路切除，保持操作员自动运行方式；
（4）由运行人员在DEH画面上逐步减小目标值，变化速率设为6MW/min，各高调门依次关闭，直至机组负荷降至60%额定负荷左右。每次目标值变化后，需待主汽压力稳定后再进行下一负荷点的测试；
（5）记录上述降试验过程中DEH综合流量指令REFDMD与实际蒸汽流量之间的关系曲线、高调门的动作趋势，试验结果如图3所示。
图3 DEH综合流量指令REFDMD与实测蒸汽流量关系曲线
3.2.2各高调门流量特性测试
（1）在机组协调控制方式下，将负荷升至90%额定负荷左右；
（2）维持机组负荷不变，由运行人员逐渐减小压力设定值，使主蒸汽压力逐渐下降，汽机高调门逐渐自动开大，直至所有汽机高调门全开；
（3）DEH遥控方式切除，机组切为锅炉跟随方式（BF），由锅炉主控自动保持主汽压力为当前值不变，DEH侧一次调频回路、功率回路、压力回路切除，保持操作员自动运行方式；
（4）在单阀控制方式下，由运行人员通过阀门活动试验缓慢减小GV1调门阀位指令直至该调门全关，待主汽压力稳定后逐渐将该高调门调整至全开位置，在此过程中其它高调门一直维持全开状态；
（5）依次进行各高调门的流量特性试验，记录各高调门在上述升降过程中的阀位—流量特性曲线，如图4～7所示，其中X轴为高调门的开度指令，Y轴为实测流量百分数。
试验中顺序阀方式下高压调门整体流量特性测试主要是考察负荷升降过程中，各高调门依次动作时汽机蒸汽流量的线性和连续性；各高调门阀位—流量特性测试主要是考察单个高调门自身的流量特性，从试验结果中可以得到：
（1）从试验结果中可知，该机组各高调门的流量特性基本正常，但是GV3的开度指令与阀位反馈相差较大，如图6所示，下次机组大修时重新校准。
（2）机组高调门整体流量特性的线性度略差，如图3所示，需要对GV1、GV2的流量特性控制参数进行修正。
（3）根据试验结果对GV1、GV2的开度修正函数提出了改进方案，优化后的参数设置情况如表2所示，修改时需同时修改对应的阀位反算函数。
表2 优化后顺序阀方式下调门流量修正函数（X:流量指令；Y:开度指令）
在作上述修改后，重新进行该机组DEH多阀方式下高调门总体流量特性测试，对比优化前后的调节效果，并根据试验结果进一步细调相关参数，以达到满意的效果。
3.3修改阀序
经过调门流量试验后，修改顺序阀运行顺序如下：#1、4高调门同时开启，至约350MW负荷时再开#2高调门，近600MW时开#3高调门，同时根据切顺序阀运行后的实际工况对各高调门的重叠度进行优化。
4 实际运行效果的试验验证
4.1做好试验的有关安全技术措施：
（1）试验前应做好如下准备工作：检查各就地热控一次元件工作情况；检查DEH系统的行程开关，保证执行机构在满行程范围内开关动作可靠；运行人员到高调门就位，监视阀门的动作状况与机组振动状况。
（2）试验条件：解除机炉协调控制，保持主汽压设定值为一定值，投运功率反馈回路、或调节级压力反馈回路、或根据负荷偏差人为调整综合阀位指令。
（3）在转换过程中投入负荷反馈，使DEH产生调节作用，负荷基本维持不变；在切换过程中，不得进行任何有影响锅炉和汽轮机工况的操作；在向“顺序阀”控制方式切换过程中，机组振动或异常应立即切回至原单阀运行方式，查明并消除原因后方允许再次向“顺序阀”控制方式切换。
（4）在单阀-顺序阀切换过程中或阀门已处于顺序阀方式时，如果汽机跳闸或出现任一GV卡涩，即实际阀位与阀位指令偏差大于10，则强行将阀门置于单阀方式。以减小负荷扰动。
（5）在向“顺序阀”控制方式切换过程中，若机组调门发生大幅度摆动或发生MFT，立即由运行人员切回单阀方式。
4.2试验历史曲线
#2机组的高调门配汽规律优化完毕后，做实际运行效果的验证试验，试验开始时机组处于单阀运行状态，4个高压调节阀门的开度为25%左右，功率252MW左右，主汽压15MPa；测量数据中在第601S时，机组开始进行单阀-顺序阀切换，切换过程为在阀位方式下的开环自动切换。历史曲线如下图8至图13所示：
4.3试验结果分析
从图8-13中可以看出，优化后机组的单阀、顺序阀以及单阀-顺序阀切换逻辑均按照设计规律正常动作；切换过程中负荷波动很小（最大波动为12MW），主汽压基本保持15MPa不变；#1-#4瓦瓦温基本恒定不变，瓦温基本都与单阀水平相当，从单阀过渡到顺序阀的整个过程瓦温保持非常平稳；#1-#3瓦X振动和Y振动在切换过程中，变化也都非常平稳，基本与单阀时的振动水平相当，从单阀过渡到顺序阀的整个过程振动保持比较平稳。
从整个验证试验过程可以看出，机组由单阀切换为顺序阀规律运行时，机组的负荷波动、主汽压波动、瓦温和振动等都较好的满足了机组安全运行的要求，安全性较优化改造前有了明显的提高。
5 结论
目前，600MW等级超（超）临界机组在国内是主力机组，所以这类机组运行状况的好坏关系到整个电厂的经济效益，针对实际运行中DEH系统单阀顺序阀切换遇到的问题，通过该台660MW超临界机组进行实际的运行试验，最终验证了从优化高调门的配汽规律的角度来进行机组单阀顺序阀切换性能优化工作的方法的可行性和有效性，既解决了负荷波动大、振动增大等问题，又解决了高负荷的气流激振和低负荷的高调门摆动问题，此外，优化DEH逻辑和参数提高了高调门流量特性曲线的线性度所关联的机组调节性能。因此，机组高调门的配汽优化工作，能够在保证经济性的前提下，极大程度的改善了机组的安全性能和调节性能，提高了机组效率，同时也为同类型机组提供一些实际优化经验。
来源：ABB杯全国自动化系统论文大赛
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