汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)順閥控制解決方案研究

陸 冰，楊紹軍，裴志博，崔守志

（神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引言

汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)即DEH 系統(tǒng)，主要包括DEH 控制器和控制對象。DEH 控制系統(tǒng)的主要目的是控制汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率，從而滿足電廠發(fā)電、供汽的要求。

某熱電廠兩臺50MW 汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）采用ABB 公司Symphony 系統(tǒng)，由BRC100 主模件分別實(shí)現(xiàn)超速保護(hù)、自動控制、手動控制功能，BRC100 采用冗余配置，一主一備。

該DEH 系統(tǒng)分為轉(zhuǎn)速控制回路和功率控制回路。系統(tǒng)接收現(xiàn)場汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速信號作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的反饋信號，此信號與DEH 的轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)行比較后，反饋到轉(zhuǎn)速回路調(diào)節(jié)器進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，然后輸出油動機(jī)的開度給定信號到HSS 卡。此給定信號在HSS 卡內(nèi)與現(xiàn)場LVDT 油動機(jī)位置反饋信號進(jìn)行比較后，輸出控制信號到電液伺服閥，控制油動機(jī)的開度，即控制調(diào)節(jié)閥的開度，從而控制機(jī)組轉(zhuǎn)速。機(jī)組并網(wǎng)后，DEH 控制系統(tǒng)切到功率控制回路，現(xiàn)場功率信號與給定功率信號比較值送到各自的調(diào)節(jié)回路進(jìn)行運(yùn)算，PID 調(diào)節(jié)器輸出閥門開度信號到HSS 卡，與閥位反饋信號進(jìn)行比較后，輸出控制信號到電液伺服閥，從而控制閥門的開度，滿足生產(chǎn)的需要。

如圖1 所示，蒸汽通過主汽閥（TV），再經(jīng)過調(diào)節(jié)汽閥（GV）后進(jìn)入高壓缸。排汽分成兩部分：一部分直接進(jìn)入中壓缸繼續(xù)做功；另一部分通過中壓抽汽逆止閥后供給抽汽。中壓缸排汽直接進(jìn)入低壓缸做功。

圖1 汽輪機(jī)調(diào)速閥布置圖Fig.1 Turbine governor valve layout

1 DEH系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的問題

某熱電廠兩臺50MW 汽輪機(jī)組自2010 年投用以來一直處在單閥模式下運(yùn)行，GV1 ～GV4 在滿負(fù)荷期間開度約為10%左右，閥門節(jié)流損失大、閥內(nèi)件受高溫高壓蒸汽沖刷嚴(yán)重，機(jī)組熱效率低于機(jī)組設(shè)計的最優(yōu)值，機(jī)組效率偏低。

2 研究內(nèi)容與預(yù)期目標(biāo)

1）建立汽輪機(jī)調(diào)速閥的流量模型，確立調(diào)速閥的理論流量與升程關(guān)系曲線和調(diào)速閥噴嘴組方程。

2）完成調(diào)速閥管理組態(tài)，增加GV1 ～GV4 的順閥（多閥）控制功能；完成單閥/順閥切換組態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組順閥控制。

3）在功率模式下，單閥/順閥切換負(fù)荷波動范圍低于1.5MW。

4）順閥控制投用后在機(jī)組進(jìn)汽壓力、溫度不變的情況下，提高機(jī)組熱效率。

3 實(shí)施方案

3.1 建立汽輪機(jī)調(diào)速閥的流量模型，確立調(diào)速閥的理論流量與升程關(guān)系曲線和調(diào)速閥噴嘴組方程

該機(jī)組高壓調(diào)速閥（GV）和中壓調(diào)閥（IV）分別為4臺，每臺調(diào)速閥對應(yīng)1 個配汽噴嘴，噴嘴呈圓周分布。調(diào)速閥的開啟方式有單閥方式和按一定順序開的順閥方式。

3.1.1 單組閥門噴嘴組合流量特性

閥門與噴嘴串聯(lián)組合，閥門也當(dāng)一級噴嘴。那么，閥門噴嘴組合變成兩個級組。

圖2 調(diào)速閥噴嘴組圖Fig.2 Speed control valve nozzle group diagram

級組的流量：

注：G＊-閥門噴嘴組合的臨界流量（ε≤ε＊時流量）；G-閥門噴嘴組合的實(shí)際流量；Ψ-閥門噴嘴組合的流量倍數(shù)；Ψ是壓比ε的函數(shù)；ε＊為臨界壓比；當(dāng)ε≤ε＊，Ψ＝1，流量G＝G＊；ε ＞ε＊，Ψ＜1，流量G＝G＊· Ψ

根據(jù)ε<ε*的理論流量G*特性和ε>ε*的流量系數(shù)Ψ，計算任意工況的實(shí)際流量。

ε*與級組數(shù)、流速的馬赫數(shù)M、反動度有關(guān)。

對 二 級 組M ≈0.5 左 右， 反 動 度r ＝0 時，ε*＝0.45 ～0.5。

調(diào)節(jié)級壓力P2與流量成正比。

P2＝KG，P20＝KG0，G0為額定工況流量。

用G/G0表示的流量系數(shù)Ψ 方程為：

圖3 流量系數(shù)曲線Fig.3 Flow coefficient curve

閥門噴嘴組壓比ε ≤ε*時，理論流量G*僅與閥門升程有關(guān)[1]。當(dāng)閥門壓比ε0＜0.548 時，閥門處于臨界狀態(tài)，其流量與閥后壓力無關(guān)，與初壓和通流量面積有關(guān)，而面積是閥門開度的單值函數(shù)；當(dāng)ε0＞0.548 時，閥門處于非臨界，但閥門噴嘴組仍在臨界以下：級組壓比足夠低時，噴嘴組也處于臨界狀態(tài)。噴嘴面積不變，噴嘴組流量（即閥門流量）由噴嘴初壓（閥門背壓）決定。一定流量與一定閥門壓比ε0相對應(yīng)，即與一定閥門開度對應(yīng)。對一定的機(jī)組，可以根據(jù)幾何尺寸、閥門型線、額定工況參數(shù)計算出閥門的理論流量與升程關(guān)系曲線，其特性如圖4 所示。

綜合分析閥門噴嘴組方程式：

對一定的機(jī)組，G*和Ψ 可以計算，一般主機(jī)廠提供，也可以用實(shí)驗(yàn)方法測取。測取多閥方式下處于臨界工況下那組閥門的升程流量特性，此曲線即為G*，再測單閥方式，該組閥門的升程流量特性，即G。由此，可以計算出流量系數(shù)Ψ（Ψ ＝G/G*）。

3.1.2 多組閥門流量特性

多組閥門的流量為各組閥門流量總合，各組閥門在不同工況通過流量是不同的[2]。該機(jī)組為50MW，高調(diào)速閥為4 組閥門，分析如下：

圖4 理論流量曲線G＊(L/D)Fig.4 Theoretical flow curve G＊(L/D)

圖5 閥門噴嘴組模型Fig.5 Valve nozzle group model

圖6 多組閥門流量模型Fig.6 Multiple sets of valve flow models

3.1.3 綜合流量特性及其模型

綜合流量特性是各閥門升程與機(jī)組總的實(shí)際流量關(guān)系曲線?？偭髁肯孪鄳?yīng)各閥開度，一般情況閥開度用H/D表示，機(jī)組綜合流量特性如圖7所示。用△H/D表示有效開度，最大有效開度為△Hmax/D。假定機(jī)組的予啟行程H0，閥門總行程為H（包括H0），H＝△H＋H0。

最大行程Hmax＝△Hmax＋H0，相對最大行程的閥位表達(dá)式為：

圖7 閥門總合流量特性曲線（無予啟閥）Fig.7 Valve total flow characteristic curve (no pre-valve)

包括有予啟閥相對最大有效開度的閥門綜合流量有效特性如圖8 所示。

例如：H0/Hmax=9.5%曲線查得：△Hmax/D=0.288

將不同流量下△H/D代入上式即可得到相應(yīng)流量的閥門開度流量特性。此特性包括予啟閥開度，而且最大有效開度為100%。在實(shí)際運(yùn)行中可直接測得總流量與各閥門實(shí)際升程特性，進(jìn)而對閥門特性修正及優(yōu)化處理。

3.2 完成調(diào)速閥管理組態(tài)

增加GV1～GV4的順閥（多閥）控制功能，完成單閥/順閥切換組態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組順閥控制。

1）增加DEH系統(tǒng)（ABB Symphony）單閥/順閥控制順控組態(tài)，實(shí)現(xiàn)GV1～GV4的順閥（多閥）控制功能，達(dá)到單閥/順閥控制的無擾切換。

2）進(jìn)行機(jī)組仿真組態(tài)，仿真試驗(yàn)合格后進(jìn)行順閥在線投運(yùn)試驗(yàn)。

3）實(shí)現(xiàn)DEH系統(tǒng)順閥控制，在功率自動工況下通過GV/IV控制步序及HSS伺服卡開度指令尋優(yōu)控制，使調(diào)速汽閥的開啟步序、閥位開度與機(jī)組配氣機(jī)構(gòu)符合機(jī)組設(shè)計要求，改善單閥控制模式下GV1、GV2強(qiáng)制節(jié)流狀態(tài)的熱力損失，提高機(jī)組熱效率。即：在“功率”模式下投入順閥控制，伺服卡輸出指令為GV1、GV2開啟，GV3、GV4關(guān)閉；隨著負(fù)荷的提升，閥門依次開啟順序?yàn)镚V3、GV4、GV1、GV2，最大限度減少調(diào)節(jié)級配汽機(jī)構(gòu)對應(yīng)的GV1、GV2噴嘴（該點(diǎn)做功效率高）進(jìn)汽節(jié)流損失。

圖8 閥門總合流量特性（有予啟閥、相對最大有效開度）Fig.8 Valve total flow characteristics (with pre-valve, relative maximum effective opening)

3.3 單順閥切換試驗(yàn)

機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，在功控方式下動態(tài)地完成了單閥/順序閥閥門切換試驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)了機(jī)組節(jié)流調(diào)節(jié)（單閥控制）和噴嘴調(diào)節(jié)（順序閥控制）的無擾切換。單閥方式下，調(diào)節(jié)級全周進(jìn)汽，存在節(jié)流損失；順序閥方式下，調(diào)節(jié)級部分進(jìn)汽，減少了節(jié)流損失，從而提高了機(jī)組長期穩(wěn)定運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

3.4 單閥/順序閥切換

單閥/順序閥閥門切換目的是為了提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和快速性，其實(shí)質(zhì)是要通過節(jié)流調(diào)節(jié)（單閥控制）和噴嘴調(diào)節(jié)（順序閥控制）的無擾切換，解決變負(fù)荷過程中的均熱要求與部分負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性的矛盾。單閥方式下，調(diào)節(jié)級全周進(jìn)汽，對調(diào)節(jié)級葉片應(yīng)力控制有利，這樣可以較快的速度變負(fù)荷，但存在節(jié)流損失；順序閥方式下，調(diào)節(jié)級部分進(jìn)汽，減少了節(jié)流損失，提高了經(jīng)濟(jì)性。

4 實(shí)施效果

2014年11月機(jī)電儀中心《熱電廠1#/2#汽輪機(jī)組DEH系統(tǒng)科研攻關(guān)項(xiàng)目》采納投用以來，設(shè)備運(yùn)行良好，經(jīng)濟(jì)、社會效益顯著。

該項(xiàng)目并分別于2013年7月（2#機(jī)）、2014年11月（1#機(jī)）進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施、調(diào)試及試運(yùn)工作，機(jī)組仿真試驗(yàn)合格，并網(wǎng)后負(fù)荷波動小于1.2MW，單閥/順閥切換正常，單順閥切換前后節(jié)約蒸汽效果顯著（3.5MW負(fù)荷下節(jié)汽3.21%，5MW的額定負(fù)荷下節(jié)汽4.3%）。目前，機(jī)組處于順閥控制模式運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)工藝指標(biāo)、節(jié)能效果、延長GV1～GV4閥壽命等方面均達(dá)到了立項(xiàng)要求。

圖9 單順閥切換邏輯分為單閥模式指令判斷部分Fig.9 Single-valve switching logic is divided into single-valve mode command judgment part

圖10 切換邏輯判斷及閥門特性曲線設(shè)置部分Fig.10 Switching logic judgment and valve characteristic curve setting section

圖11 順閥指令判斷部分Fig.11 Sequence valve command judgment section

圖12 順閥切換前后負(fù)荷/蒸汽趨勢曲線Fig.12 Load/steam trend curve before and after switching

圖13 動態(tài)單順閥切換試驗(yàn)曲線Fig.13 Dynamic single-valve switching test curve

圖14 動態(tài)單順閥切換試驗(yàn)前操作畫面Fig.14 Dynamic single-valve valve switching test operation screen

圖15 單順閥切換試驗(yàn)后機(jī)組各參數(shù)監(jiān)視畫面Fig.15 Unit parameter monitoring screen after single-valve switching test

圖16 單順閥動態(tài)試驗(yàn)中操作畫面 Fig.16 Operation screen in single-valve dynamic test

圖17 單順閥切換前后節(jié)約蒸汽量對比Fig.17 Comparison of steam savings before and after single-valve switching

圖13所示，在切換過程中主汽壓力、負(fù)荷、主汽流量均無大幅波動，切換過程較為平穩(wěn)。

5 結(jié)束語

目前，DEH系統(tǒng)順閥控制項(xiàng)目已連續(xù)運(yùn)行4年，項(xiàng)目節(jié)能效果明顯，調(diào)速汽閥內(nèi)件使用壽命明顯提升，實(shí)現(xiàn)了調(diào)速汽閥連續(xù)運(yùn)行4年無故障的突破。