汽輪機的閥門控制

2013-09-05 范文進哈爾濱汽輪機廠有限責任公司

1、汽輪機閥門控制種類

　　汽輪機作為大型高速運轉的原動機是當今火力發電廠的主要設備之一，它被用來拖動發電機從而使機械能轉變為電能，供用戶使用。汽輪機具有體積大、旋轉快等特點。當它由常溫常壓的靜止狀態下轉入高溫高壓高速運行時，汽輪機的調節閥門起到了穩定轉速、控制負荷的關鍵作用。只有控制好閥門的穩定性、快速性和精確度，才能使汽輪機安全、平穩、高效的運行。

　　數字式電液調節(DEH)系統作為目前汽輪機的最基本的控制系統，是對閥門進行控制的最佳系統。在這個系統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行無擾切換。

　　單閥控制是指在汽輪機的高壓缸進汽時采用各個高壓調節閥門同時進汽的方式，也就是說各個高壓調節閥門的指令和開度都是一樣的。

　　多閥控制是指在汽輪機的高壓缸進汽時采用單個高壓調節閥門逐步進汽的方式，也就是說各個高壓調節閥門的指令和開度都是不一樣的，每個高壓調節閥門的開度是根據自身的流量曲線對應的指令輸出的。

2、閥門控制的功能

　　DEH控制系統中調節閥門的開度指令，實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對進入汽輪機的總蒸汽流量的請求，即DEH系統的轉速控制回路和負荷控制回路中所產生的流量給定值信號是通過閥門控制轉換為各閥門的開度指令信號的。這個給定信號輸出到閥門控制卡(伺服卡)上與閥位傳感器(LVDT)的實際閥位信號相減，經過伺服放大器放大后控制伺服閥達到要求開度。因此，閥門控制實際上是一軟件動態函數發生器，它的主要任務是：(1)當機組在單閥調節或多閥調節方式下運行時，閥門控制根據DEH系統提供的流量給定信號，通過閥門流量曲線確定各調節閥的開度，并以輸出模擬信號;(2)保證在單閥調節和多閥調節相互切換的過程中，機組的功率始終保持不變;(3)在閥門進行切換的過程中，如果流量請求發生變化，將停止正在進行的閥門切換，先滿足機組對流量的要求，然后再繼續進行閥門的切換;(4)保證DEH系統能平穩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

　　對于定壓運行的發電機組，汽輪機的調節主要是對汽輪機的轉速和功率而言，調節轉速和功率的方法就是改變汽輪機的進汽量。汽輪機的進汽量是通過改變汽輪機調節閥門的開啟數量和閥門開度來實現的，即改變了汽輪機閥門的進汽面積。因此根據進汽面積的不同就產

　　生了汽輪機的單閥控制和多閥控制。

　　單閥控制方式下，各調節閥門一起動作，閥門的開度大小都是相同的，汽輪機進汽均勻，汽缸和轉子受熱也相對均勻。在汽輪機發生負荷變化時調節級后的蒸汽溫度變化也就很小，所產生的熱應力就相對很小，使機組運行靈活性較好，適合在機組起動和變換負荷時采用。但單閥方式在低負荷運行時所產生的節流損失較大，調節效率較低，機組經濟性就相對較差。

　　多閥控制方式下，各調節閥按照一定的順序有計劃地動作從而改變汽輪機的進汽面積。在低負荷運行時，只有一個(或兩個)閥門有節流損失，其余閥門全開或者全關，故調節效率較高，機組經濟性較好。但該方式下汽輪機的進汽不均勻，汽缸和轉子的受熱也不均勻，并且在變換負荷時調節級后蒸汽溫度變化很大，熱應力較大，運行靈活性較差。

　　為了解決機組運行靈活性和經濟性的矛盾，在起動、升速和變換負荷過程中，希望采用單閥控制使機組受熱均勻，靈活升速和變換負荷，而當機組帶到一定負荷時又希望采用多閥控制來改善機組的效率。這就需要應用DEH的閥門控制功能進行閥門的無擾切換，使汽機達到最有效的運行。汽輪機的每個控制調節閥門都有各自單獨的伺服卡、伺服閥和油動機，這就使DEH所控制的閥門更加靈活、穩定，也便于單個閥門發生故障時還能確保機組運行，便于在線更換伺服卡、伺服閥等。

　　3.2、提高機組效率的途徑

　　和傳統的調節系統相比，DEH控制系統可以對每個閥門進行單獨的控制，為了減小機組的節流損失，提高機組的經濟性，可以通過以下幾個方面進行改善。

　　(1)增加配汽閥點配汽閥點是指閥門進汽不存在節流損失的功率點，汽輪機在這個功率點上運行效率最高。單閥控制只有在汽輪機滿負荷發電時，由于各調節閥全部打開，這時汽輪機只存在一個閥點，因此基本沒有節流損失。而在其它負荷時調節閥門都沒有完全打開，因此存在較大的節流損失，使效率降低。多閥控制是各個調節閥門單獨給機組供汽，而且根據負荷的需要按照一定的次序開啟各個調節閥門，以4個高壓調門的汽輪機為例，首先使汽輪機先開1號和2號調門，等到帶到一定負荷時，當1號、2號調門基本全開后，3號調門才慢慢開啟，而此時4號調門還處于關閉狀態，這就產生了多個配汽閥點，在這些點所產生的節流損失相對很小，效率明顯優于單閥調節。配汽閥點越多，汽機的節流損失就越小，汽輪機在整個負荷區間的總體效率就越高。

　　(2)閥門組重組因為汽輪機的調節閥門數量是一定的，為了在有限的閥門數量下得到更多的配汽閥點，就可以通過改變閥門所對應的噴嘴數量來得到更多的配汽閥點。在負荷逐漸升高的過程中，先開啟噴嘴數量相對較少的閥門，然后再根據負荷升高開啟其他閥門，這樣就減少汽輪機在低負荷時的節流損失，從而使汽輪機獲得相對多的閥點，提高了機組在不同負荷時的效率。

　　(3)減小重疊度由于汽輪機的運行要求總的流量具有較好的線性度，而汽輪機的閥門流量又具有一定的飽和特性，這就要求汽輪機要在前一個調節閥門流量特性線性度變差之前開啟第二個閥門，因此就產生了閥門的重疊度。由于各個調節閥門的流量之間是有一定的關系，是相互影響的，所以為了確保汽機總的流量線性度較好，保證機組動態調節的穩定及一次調頻時機組的響應速度，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組的負荷考核十分嚴格，所以一般都把機組的重疊度調得很大，機組的運行就會相對平穩，負荷的波動也就會很小或者幾乎沒有。而這樣一來機組的節流損失變大，調節效率降低，整體的經濟性也會下降。經過研究，適當地減小閥門重疊度，只會對局部的流量特性產生影響，雖然會使機組在重疊點附近線性度變差，但不會對機組甩負荷等關鍵特性造成大的影響，并且有利于減小機組的節流損失，提高機組的經濟效益。

　　3.3、提高機組效率的新策略

　　按照閥門組重組的思想，利用DEH控制系統中的閥門控制可以實現單閥控制和順序閥控制的無擾切換，使汽輪機在定壓運行時任意負荷區段的效率達到最高，從而提高機組變負荷運行的經濟性。但不同的機組閥門特性是不同的，它所對應的噴嘴數量，閥門開啟順序都是不同的。例如海南東方2*350MW的機組而言，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(單閥運行)

圖2 高壓閥門閥桿升程曲線(順序閥運行)

圖3 汽輪機功率——頻率系統簡圖

　　閥門的開啟順序為GV1和GV2先同時開啟，然后是GV3開啟，最后是GV4開啟。根據現場情況，在進行閥門切換時，2瓦和3瓦的振動達到報警值以上。后經過分析和主機廠的重新計算，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。在進行切換時機組的振動沒有達到報警值以上。由此可推斷，機組進行閥門切換時，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組能否正常運行的關鍵因素之一。而閥門控制的關鍵在于閥門切換過程中是否是無擾切換，這就要求DEH系統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現控制系統的無擾切換。如圖3所示，若功率回路投入，PID調節器則起到了外部積分器的作用，當調節閥調節方式發生變換引起的發電機功率變化時，PID輸出的變化會根據實際情況自動補償，從而實現切換的無擾;若功率回路不投入，閥門切換的過程中對機組功率的影響就取決于閥門流量特性曲線計算的準確程度。