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火电厂汽轮机阀门管理分析
摘 要： 阐述了汽轮机调节系统阀门管理的含义、类型,并对汽轮机启动过程中阀门管理的应用进行了说明与分析,又通过实际电厂汽轮机DEH 调节系统中的阀门管理,充分论证了DEH 调节系统中阀门管理的重要性,为了能够实现阀门管理在控制机构上所采用的特殊方式.
关键词：阀门管理切换重叠度
中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1003-9082 （2017） 02-0304-01
一、阀门管理基本内容及主要功能介绍
在汽轮机DEH 中,阀门流量特性曲线是一个重要的函数,其调节特性曲线如果与阀门的实际特性相吻合,DEH 的控制效果就会显露出其优势.在DEH 系统出厂时,所设置的阀门管理曲线,通常是根据汽轮机的设计计算得到的.而在实际运行中,它往往会受到阀门的安装过程、管道的布置等环境因素和人为因素的影响.在阀门管理这个问题中,由于各个厂存在不同程度的问题如在机组变负荷中出现负荷突变、调节缓慢,造成机组控制困难,这种情况在一次调频过程中,也同样显现出来,严重影响了机组的安全性以及变负荷的能力.
阀门管理主要针对高压调节汽门而言,每个阀门有一个独立的伺服控制回路.阀门管理程序是对高压调门的控制方式在单一阀门控制（全弧度进汽方式）即节流调节与顺序阀门控制（部分弧度进汽方式）即喷嘴调节之间进行转换的程序,用来控制和确定阀门开启的顺序.在单阀运行方式下,4 个调门同时开启调节进气量,开启调门的总数随着负荷的增加而增加,能够适应机组负荷较大的变化,并且汽缸转子轴向上受热膨胀均匀,但单阀运行时由于每个调门都动作,节流损失较大,对机组的经济性不利.当机组定压运行带部分负荷时,采用顺序阀控制能使调门的节流损失减少,因此机组获得较高的热效率.但是,此方式存在金属受热不均产生热应力和叶片受到冲击产生振动等问题,因此机组变负荷能力受限.为了消除主汽压力变化和高负荷对调门流量特性的影响,在流量- 阀位转换之前,先对流量请求信号进行主汽压力与负荷的动态修正.
阀门管理的主要作用是将负荷控制回路输出的流量请求信号变成阀位请求信号,并能在人工干预下,根据机组安全、经济运行和变负荷要求实现在线单阀/ 顺阀的无扰切换,并且能够实现阀门流量的线性化,并将单阀或顺序阀控制方式下的流量请求值转换成相应的阀门开度信号.
阀门管理的主要功能如下：
（1）实现在线单阀/ 顺阀的无扰切换.
（2）在阀门控制方式转换期间,若负荷设定值不变,则DEH 能够保持负荷基本不变.
（3）实现阀门流量特性线性化,并将单阀或顺序控制方式下的流量请求值转换成相应的阀门开度信号.
（4）保证DEH 系统能均衡地从手操方式切换到自动方式.
（5）提供最佳的阀位位置.
由顺阀控制和单阀控制热效率差异曲线,表明机组在带部分负荷时,顺序阀门控制方式能提高热效率.蒸汽通过调节阀门时总有节流损失,汽轮机运行要求尽量减少调节阀门的节流损失,以提高机组效率.一般而言,阀门的节流损失在阀门接近全关或接近最大流量时达到最小,即最佳阀位.
DEH 系统根据机组负荷要求,计算出参数与蒸汽流量对应,将此请求值输入到阀门管理程序中,以控制阀门开度.
输入的流量值是按额定主汽压力确定的.当主汽压力不等于额定值时,同样的调节阀门开度所获得的蒸汽流量就不能满足控制的需求,负荷就达不到要求值.此种情况,我们可以通过负荷控制回路来加以校正.若在转换成调门开度前,将控制输出要求的流量当前的主汽压力校正,然后再按校正后的流量转换成相应开度,按此开度去调整阀门就能使负荷达到要求值,这就是前馈校正.
负荷对蒸汽流量请求的修正：在低负荷工况下,调门开度小,前后压差大,调门内部临界流动,此时,流量和调门开度成一一对应关系.但是随着负荷的增加,调门背压升高,前后压差减小,调门内部变成亚临界流动,流量不仅与开度有关,而且与背压也有关系.不同差压量系数计算公式
其中：蒸汽流量；蒸汽修正系数；过热温度；阀门前后压差；阀前压力；阀后压力通过改变调节汽门的开度来实现对汽轮机的转速控制和功率控制.在单阀控制方式时,高压调节汽门开度基本是一样的,计算较为简单.在顺阀控制方式时,需要确定阀门的开启顺序,单独计算各个阀门的开度.这也是进行汽轮机调节经济性分析的基础.
二、阀门流量特性优化
因为阀门的实际流量特性客观存在很难更改,所以在阀门流量特性的优化方案中,我们根据所测得的阀门实际流量特性曲线,优化相应的阀门管理曲线.我们根据所取得的各阀门的实际流量特性曲线的反函数作为阀门管理曲线,即可实现对单阀管理曲线的优化.对于顺阀管理曲线的优化则需要根据单、顺阀管理曲线之间的关系进行相应的优化.目前,有两种模式：1.单、顺阀之间采用比例、偏置修正模式；2.单、顺阀各自采用不同的阀门管理曲线.
三、阀门切换
阀门管理实质是通过喷嘴的节流配汽（单阀控制）和喷嘴配汽（顺序阀控制）的无扰切换,解决变负荷过程中均匀加热与部分负荷经济性的矛盾.这样就出现单阀和顺序阀的概念.单阀模式下,调节级全周进汽,叶片均匀受热,负荷改变速率快,节流损失较大,热效率低.而顺序阀模式下,节流损失减小,改善了机组的热经济性,但叶片受热不均匀,负荷变化速率慢.因此,在冷态启动或低参数下变负荷时一般采用单阀方式.在变负荷过程中希望用节流调节改善均热过程,而当均热过程完成后,又希望用喷嘴调节来改善机组效率,这种工况下要求运行方式采用单阀/ 顺序阀切换来实现两种调节方式的无扰切换.
对于定压运行带基本负荷的工况以及滑压运行的调峰的变负荷工况,由于调节阀门接近全开状态,节流调节和喷嘴调节的差别很小,阀门切换的意义不大；部分负荷对应于部分压力；对于定压运行变负荷工况,在变负荷过程中希望用节流调节改善均热过程,完成后,又希望用喷嘴调节来改善机组效率,因此这种工况下要求实现单阀/ 顺阀的无扰切换.
四、阀门重叠度影响分析
一般而言,重叠度大,则调门的节流损失大,经济性差；重叠度小,则会使调门总流量特性的线性度变差,影响调节系统的稳定.采用喷嘴调节时,多个调门依次开启,在前一个阀门未完全开启时,下一个阀门便提前打开当前阀门全部打开时,下一个阀门提前开启的量称为阀门的重叠度.分为行程重叠度和压力重叠度两种类型.
按照优化方案实现单阀顺序阀切换后,又进行了机组在单阀和顺序阀两种方式下带负荷的稳定性试验、高压缸效率试验, 试验显示,机组在负荷较低时,单阀方式下高调阀开度较小,节流损失较大,与顺序阀方式比较,高压缸效率较低,经济性较差.
在调门开启过程中,小开度大压差时,调门内为临界流动,此时通过调节汽门的流量线性地正比于调节汽门的升程.如果汽门继续开大,虽然汽门的通流面积仍在增大,但汽门前后的压差减小,流量随升程增大的趋势变缓.随后,即使汽门升程继续加大,但受汽门喉部尺寸限制,流量增加很小.通常认为：汽门前后的压力比为0.95～0.98 时,即认为汽门已全开.调节汽门的有效相对升程约为25％.
目前大型火力发电机组均设有阀门管理功能,使机组在不同工况下,进行单阀和多阀调节切换功能.而阀门试验中的超速试验,可使检修人员系统观察汽轮机的控制性能,及时发现问题,保证机组的安全稳定运行.
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