汽轮机阀切换中流量指令对高调门稳定性的影响

    1 问题描述

    2012年8月10日，某火电厂汽轮机（N135-13.2/535/535-2型，东方汽轮机厂生产，DEH数字电调控制系统为ovation）在带负荷情况下做阀门切换（单阀切至顺阀）过程中，当进行到500s左右时，高调门CV1与CV22由80%突升至100%，几秒钟后回落至80%，高调门CV3与CV4则没有明显变化。当时机组运行于TF模式下（汽机跟随）。

    在排除了EH油系统、LVDT、信号干扰等方面问题后，经过分析认为是流量指令波动引起的，炉膛燃烧的变化引起主蒸汽流量变化，为了维持稳定主汽压力，汽机主控输出的流量指令变化比较大，从而导致调门波动。

    为了验证这一猜测，对阀门切换过程进行建模，模拟了在流量指令变动情况下高调门的动作行为。

    2　数学建模

    汽轮机通常有四个高压调门（以CV1、CV2、CV3和CV4为例），每个高压调门有一个独立的伺服控制回路，阀门的开启由DEH逻辑进行管理，使阀门开启按预先设定的顺序进行。根据开启顺序不同，高压调门有两种工作模式：单阀模式和顺阀模式。在单阀模式下，根据流量指令，CV1-4以相同的幅度开启和关闭，就像是一个阀门在动作，此模式有利于阀门受热均匀，减小热应力。在顺阀模式下，根据流量指令，CV1与CV2以相同幅度先开启，待CV1与CV2开启接近100%后，CV3再开启，待CV3开启接近100%后，CV4再开启，各阀门之间有一定重叠度；关闭的过程与开启过程相反，CV4先于CV3关闭，CV3先于CV1和CV2关闭。顺阀模式有利于减少节流损失，提高机组热效率，新机组一般在投产半年后由单阀模式切换为顺阀模式运行。

    无论汽轮机是工作在单阀模式还是顺阀模式下，CV1-4的开度均由流量指令DEHREF和单阀系数K决定，以CV1为例，其原理如图1所示。

    其中，0≤K≤1，F（x）为单阀函数，CV1-4对应的单阀函数均相同，F1（x）为CV1的顺阀函数，以此类推，F2（x）为CV2的顺阀函数，F3（x）为CV3的顺阀函数，F4（x）为CV4的顺阀函数。由前面介绍可知，顺阀模式下CV1与CV2以相同幅度开启或关闭，因此F1（x）与F2（x）相同。    

图1 CV1指令生成原理图

    汽轮机由单阀模式切换到顺阀模式的过程就是K值由1逐渐减小到0的过程，其时间通常为600s，因此k值每秒变化0.00167。顺阀模式到单阀模式的切换是单阀模式到顺阀模式切换的逆过程。

    单阀函数F（x）与顺阀函数f1～f4（x）由汽轮机生产厂家根据试验结果预先设置，不同的汽轮机这些函数不同。本文所提到的汽轮机的阀门函数如表1所示：

表1 CV1-4的阀门函数

    根据阀门函数与汽轮机单阀模式与顺阀模式之间的切换原理，建立计算模型。由于顺阀模式到单阀模式的切换是单阀模式到顺阀模式切换的逆过程，所以仅模拟单阀模式切换到顺阀模式的过程。在实际生产过程中，当工况稳定时，汽轮机的流量指令是很平稳的，仅在工况变动时变化比较大，为了研究流量指令对汽轮机高调门的波动影响，人为地在流量指令上加上1Hz的随机噪声干扰，其幅值在0～5%之间可调。

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    3 模拟结果与分析

    由图1可以知道，影响CV1-4波动的因素有两个：一是流量指令DEHREF，二是单阀系数K。    

    在单阀模式向顺阀模式切换过程中，由K值的变化将其分为三个阶段：切换开始（K＝1）、切换中（0＜K＜1）和切换结束（K＝0），下面分别予以分析。

    3.1 单阀模式向顺阀模式切换开始阶段

    此时K＝1，汽轮机处于单阀模式。设置流量指令在5%～100%范围内递增；设置流量指令的随机噪声幅值为3%，频率为1Hz。计算出CV1-4在不同流量指令下开度如图2所示。

图2 K＝1时CV1-4在不同流量指令下的开度

    此时CV1-4在整个过程中的开度不稳定分析如图3所示。    

图3 K＝1时CV1-4开度不稳定分析

    图2和图3表明，当K＝1即单阀模式下，CV1-4对流量指令波动的敏感区重叠，敏感区范围为97%＜DEHREF＜100%，比较靠后。

    因此，在单阀模式下，当流量指令97%＜DEHREF＜100%时，其波动会引起汽轮机高调门的急剧波动。

    3.2 单阀模式向顺阀模式切换结束阶段

    此时K＝0，汽轮机处于顺阀模式。设置流量指令范围5%～100%递增；设置流量指令随机噪声幅值为3%，频率为1Hz。计算出CV1-4在不同流量指令下开度如图4所示。

图4 K＝0时CV1-4在不同流量指令下的开度

    此时CV1-4在整个过程中的开度不稳定分析如图5所示。    

图5 K＝0时CV1-4开度不稳定分析

    图4和图5表明，当K＝0即顺阀模式下，CV1、CV2、CV3和CV4对流量指令波动的敏感区分开了。CV1与CV2的敏感区为75%＜DEHREF＜83%，CV3的敏感区为92%＜DEHREF＜97%，CV4的敏感区为97%＜DEHREF＜100%。

    因此，在顺阀模式下，当流量指令上升时，若其存在波动，对应的CV1与CV2先于CV3波动，CV3先于CV4波动。反之相反。

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    3.3 单阀模式向顺阀模式切换中间阶段

    此时0＜K＜1，汽轮机处于模式转换中间阶段。此阶段有无数种状态，以K＝0.5为例进行分析。设置流量指令范围5%～100%递增；设置随机噪声幅值为3%，频率为1Hz。计算出CV1-4在不同流量指令下开度如图6所示。

图6 K＝0.5时CV1-4在不同流量指令下的开度

    此时CV1-4在整个过程中的开度不稳定分析如图7所示。

图7 K＝0.5时CV1-4开度不稳定分析

    图6和图7表明，在单顺阀切换的中间阶段，CV1与CV2出现两段敏感区，分别为75%＜DEHREF＜83%和97%＜DEHREF＜100%；CV3出现的两段敏感区92%＜DEHREF＜97%和97%＜DEHREF＜100%连在一起，形成一个敏感区；CV4的两个敏感区均为97%＜DEHREF＜100%，重叠在一起。

    对比CV指令原理图图1可知，在模式切换的中间阶段流量指令对调门的影响是单阀模式和顺阀模式的叠加值，其比例分别为K和1-K。

    4 结论

    由以上分析可以得出以下结论：

    单阀模式下，CV1-4对流量指令波动的敏感区重叠在一起，其范围比较靠后。

    顺阀模式下，CV1-4对流量指令波动的敏感区拉开且CV1-3对流量指令波动的敏感区提前，当流量指令上升时，若其存在波动，对应的CV1与CV2先于CV3波动，CV3先于CV4波动。反之相反。

    模式转换中间阶段，CV1-4对流量指令波动敏感区是单阀和顺阀方式下的叠加值，其比例分别为单阀系数K和1-K。

    在进行汽轮机阀门切换时，应通过稳燃等方式确保流量指令平稳变化，或避开上述敏感区。