基于阀位步进安全限幅的调节阀重叠度特性研究

蒙泽森，万忠海，吴杨辉，陈 文，蔡 文

（1.江西江投电力技术与试验研究有限公司， 江西 南昌 330096；2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院， 江西 南昌 330096）

0 前言

现代汽轮机组广泛采用DEH（Digital Electro-Hydraulic Control System）数字电液控制系统进行阀门管理。为提高机组运行经济性，调节阀一般采用多步序阀控方式。比如，配置四个进汽调节阀的喷嘴配汽机组往往采用“GV1/2→GV3→GV4”三步序顺序阀阀控方式[1]；带过载补汽功能的节流配汽机组则采用“主调阀→补汽阀”两步序顺序阀阀控方式[2]。对于采用多步序阀控方式的汽轮机组而言，调节阀重叠度对于汽轮机组配汽端特性的影响较为复杂。当前业内对于DEH系统调节阀重叠度特性的数值辨析仍缺失有效手段，尚延续使用液压调速系统的相关指标；同时，在汽轮机组配汽函数整定以及运行方式设定等工作中对待调节阀重叠度也缺失有关的技术规范或作业标准。

在火力机组调峰调频任务日益严峻以及电站节能降耗越发迫切的双重前景之下，获取完备的调节阀重叠度特性对于提升汽轮机组运行经济性与灵活性有着深远意义[3-5]。

1 重叠度量化指标及唯一性约束条件

由于快开型调节阀流量特性为非线性，设定调节阀重叠度本质上为“合理”交叠调节阀间的流量管辖范围，避免无效空行程工作失稳并改善控制系统的调节特性。对于重叠度特性的研究首先需建立在重叠度设定较为合理的基础之上；而此“合理性”又需体现在较为客观且全面的具体量化指标体系之下。

DEH系统采用数字化配汽且油动机和调节阀一一对应，其调节阀阀序、单个调节阀阀位和调节阀重叠度均可以实现在线修改[6-7]，这与液压调速系统存在较大差异。对于DEH系统而言，设定调节阀重叠度的主要目的是解决调节阀重叠区域进汽流量是否满足必要的线性度、重叠度是否过小造成调节阀空行程工作失稳以及重叠度是否过大恶化阀点运行经济性这三个问题。由此，重叠度量化指标应包括流量线性度、重叠度本底节流损失[8]、阀位步进增幅以及安全限幅[9-10]。其中，流量线性度指总阀位指令增幅1%时所对应的汽轮机实际流量增幅大小；重叠度本底节流损失指在设定调节阀重叠度后，汽轮机实际阀点位置的热耗相比理想“零重叠度”阀门全开位置的增幅。阀位步进增幅指总阀位指令增幅1%时所对应的调节阀阀位指令的增幅大小；安全限幅是总阀位指令增幅1%时所对应的调节阀阀位指令的增长限幅。

调节阀空行程运行稳定性与调节阀固有节流特性（指调节阀流量特性和节流损失特性）密切相关，亦是DEH系统面对的实质性安全隐患。依据汽轮机原理，对于部套结构和安装行程均已确定的进汽调节阀而言，调节阀阀位作为现场所有汽轮机组调节阀必备的状态参数，其几何意义具有热力学映射属性。因此，阀位步进安全限幅在以上量化指标体系中最是适宜作为评价及设定调节阀重叠度的唯一性约束条件；并由此，通过现场实践，形成一种较为合理的重叠度设定方法（见文中“2.2节中）有重叠度工况调节阀阀位指令的产生”）。

2 重叠度仿真计算模型

依据制造厂热平衡数据，借助德国STEAG电站能源公司Ebsilon Professional电站系统设计软件开展调节阀重叠度仿真计算。由于缺失调节阀特性曲线，在研究过程中，针对重叠度特性研究及仿真软件各自的特点，提出一种基于现场试验提取部件特征曲线的仿真建模方法。

2.1 重叠度特性研究的特点

如果将调节阀和下游调节级弧段视为二级组，那么，重叠度特性包含重叠区域的调节阀节流特性（如调节阀阀位的重叠变化对汽轮机各二级组进汽流量的影响）和调节级弧段变工况特性（如进汽流量重新分配引起的调节级弧段压比的变化对调节级弧段效率的影响）两部分。对于所有二级组而言，在设定重叠度前后，其进口压力/温度为额定值且始终不变；其出口参数（即调节级压力）由下游通流部分所确定且变化很小。此时，无论对于通过各二级组的流量还是对于各二级组的效率，调节阀节流特性的影响大于调节级弧段变工况特性，甚至起着决定性作用。同时，重叠度特性研究是调节阀有/无重叠度工况之间特性参数的相对比较过程，这使得汽轮机变工况计算存在的基准偏差会在此过程中得到有效抵充。

综上所述，调节阀特性仿真是重叠度特性研究的关键。依据汽轮机原理，喷嘴、动叶的热力特性方程同样适用于全开和部分开启调节阀的汽流[11-12]，因此，在缺失制造厂资料的情况下，可以通过人为定制调节阀特性曲线来开展重叠度特性研究。

2.2 调节阀阀位计算模型

调节阀阀位指令是无重叠度工况和有重叠度工况仿真计算的核心环节，其不仅是重叠度特性研究的前提，而且也关系着仿真计算的准确性。为尽可能遵循调节阀实际节流特性，计算模型做如下设定：

调节阀流量系数Kv的计算：调节阀的流量系数Kv依据式（1）进行计算。

式中：Kv为调节阀流量系数，m3/h；G为通过调节阀的蒸汽流量，t/h；Y为膨胀系数；Δp0为调节阀基准压差，取值0.1 MPa；Δp为调节阀压差，MPa；ρ0为调节阀前基准进汽密度，kg/m3；ρ为调节阀前进汽密度，kg/m3。

调节阀流量特性的获取：依据现场顺序阀无重叠度流量特性试验数据，拟合出单个调节阀在既定阀序下的“阀位指令—实际流量增益百分比”特性曲线。此处的既定阀序是指单个调节阀在顺序阀阀控方式下的实际开启步序。通常，单个调节阀流量特性曲线是在其他调节阀全开工况下进行测试[10]；显然，调节阀所处阀序并未遵循其既定阀序，所得结果自然也偏离于其实际流量特性[9]。

调节阀特性曲线的建立：将调节阀实际流量增益特性曲线与Ebsilon软件的仿真计算相结合，即可得到各调节阀的“行程L—流量系数Kv”特性曲线。将这些特性曲线依次代入仿真模型，无重叠度工况各调节阀阀位指令的变工况计算便可付诸实施；

有重叠度工况调节阀阀位指令的产生：

对于有重叠度工况，当前序调节阀遵照安全限幅确定出重叠起始阀位及步进增幅后，后序调节阀能否有效补偿因前序调节阀延迟开启所形成的进汽流量缺额便成为影响重叠度是否合理的关键因素，这也是文中研究的重点。由于此时通过调节阀的蒸汽流量工况极为复杂，目前尚无遵循现场实际情况的理想解决方法。诚然，对于纯理论计算，完全可以令重叠度工况相应的进汽流量不变，迭代计算出后序调节阀的阀位开度。但如此处理实践意义不大，现实中较为可行的方法是依照无重叠度工况下单个调节阀在既定阀序下的“阀位指令—实际流量增益百分比”特性曲线以及前序调节阀延迟开启所形成的流量增益缺额，反向映射出令后序调节阀的阀位指令[9]。图1为不同调节阀阀位步进安全限幅下按此方法得到的配汽曲线。文中对于重叠度特性的研究便是基于此条件下而开展的。

图1 调节阀1不同安全限幅配汽曲线

3 重叠度特性

汽轮机组配汽端运行特性内容丰富，其中对生产运行具备较大指导价值的主要有汽轮机组额定参数变负荷热经济特性、定功率变压热经济特性以及定压流量特性（定压负荷特性）。多步序阀控方式对于汽轮机组配汽端运行特性产生了广泛影响，其重叠度特性是指按前文方法设定调节阀重叠度前后，汽轮机组额定参数变负荷热经济特性、定功率变压热经济特性以及定压流量特性（定压负荷特性）的异变特性。

由于无法完全通过现场试验来测取重叠度对于配汽端运行特性的影响[13-14]，因此，基于仿真计算与部分现场试验验证，以某660 MW等级超临界四阀三步序喷嘴配汽机组和某660 MW等级超临界过载补汽机组（进汽参数与前者相同）为研究对象，通过不同机型（不同配汽方式）、不同工况、不同安全限幅以及不同调节阀流量特性的对比，剖析重叠度对于汽轮机组配汽端运行特性的具体影响。

3.1 定压变负荷热经济特性

凝汽式汽轮机的热经济特性随其调节方式不同而有不同的特点[12]。为比较喷嘴配汽机组和过载补汽机组的重叠度特性，两台机组的最大进汽流量均设定为2 000 t/h，同时，二者额定参数和THA工况高、中、低压缸效率基本一致；其中，喷嘴配汽机组THA工况为三阀全开，过载补汽机组THA工况为主调阀全开且补汽阀全关。

通常，汽轮机组定压变负荷热经济特性又称为阀回路特性；阀点被定义为后序调节阀将要开启时，前序调节阀对应的阀门位置，相应于阀回路特性曲线低点处的阀门位置[15]。显然，该阀点也相当于配汽曲线中前序调节阀的重叠起始阀门位置。图2和图3分别给出了在8%安全限幅配汽曲线下两类机组的额定参数变负荷热经济特性。从图中无重叠度热耗特性曲线来看，喷嘴配汽机组的热耗分别在两阀全开和三阀全开处存在明显的局部低点；过载补汽机组的热耗则在主调阀全开且补汽阀全关位置出现局部低点。反观图中有重叠度热耗特性曲线，重叠度模糊了阀点位置，热耗低点并非如ASME PTC6定义的那么直观。但也可以看到在8%安全限幅下，两类机组的重叠度本底节流损失大致为5～8 kJ/（kW·h）且与节流调节阀数量密切相关。

图2 喷嘴配汽机组定压变负荷热经济特性

图3 过载补汽机组定压变负荷热经济特性

3.2 定功率变压热经济特性

当汽轮机组定功率运行时，其在既定配汽方式和阀序下进汽压力与机组热耗之间的数值对应关系，可称为汽轮机组变压热经济特性[8]。为实现电力生产供需平衡，汽轮发电机的输出功率需实时响应并密切跟踪调度的负荷指令。这种以功率为跟踪目标的运营方式令定功率变压运行热经济特性成为研究及决策煤电机组宽负荷调峰经济性与灵活性运行方式极为重要的基础信息之一。

图5 喷嘴配汽机组480 MW工况变压热经济特性

对于多步序汽轮机组，存在阀点运行和非阀点定压运行两种热经济性优势工况。由于非阀点工况与重叠度特性关系不大，图4-7仅给出了在8%安全限幅配汽曲线下两类机组600 MW和480 MW的定功率变压运行热经济特性曲线。由于不同负荷对应的可行滑压区间不同[16]，对应的可行阀位区间自然也有不同[8]，使得不同负荷之间的重叠度特性外在表现差异较大。

图4 喷嘴配汽机组600 MW工况变压热经济特性

图6 过载补汽机组600 MW工况变压热经济特性

图7 过载补汽机组480 MW工况变压热经济特性

但若以单个阀点为研究对象，重叠度特性有其相似的内在规律。其一、对应无重叠度调节阀全开位置的重叠度本底节流损失最大，且负荷不同数值不同，但均低于文中3.1节中定压变负荷热经济特性的差幅；其二、前序调节阀重叠结束位置的热耗相较该阀重叠起始位置的热耗高出20～35 kJ/（kW·h）；其三、前序调节阀重叠起始位置（即阀点位置）附近的热耗相对最优，这与传统观点是一致的；不同之处在于热耗低谷相比无重叠度工况更显平缓，这有利于抵充运行中进汽压力波动造成的非稳态节流能损。

3.3 定压流量特性（定压功率特性）

在2.2节中，忽略各调节阀流量特性间的相互耦合，将无重叠度工况下单个调节阀流量增益特性直接套用于重叠度工况，各调节阀的实际流量贡献盈缺将无法完全互补，这就使得设定重叠度前后的实际流量出现异变。图8和图9分别给出了在8%安全限幅下两类机组进汽流量的异变特性。由图可知，在设定重叠度前后，汽轮机进汽流量总偏差不足实际流量的0.1%，远在现今汽轮机流量特性试验的辨析精度之下。图10给出了现场流量特性试验的验证结果，设定重叠度后实际流量与参照流量偏差甚微，可满足工程要求。

图8 喷嘴配汽机组流量特性

图9 过载补汽机组流量特性

图10 现场流量特性试验验证

众所周知，汽轮机组进汽流量与发电机功率近似呈线性关系；通常，其流量特性越是线性化，越是有利于功率调节。图11-13分别给出了在8%安全限幅下的喷嘴配汽机组（两阀点和三阀点）以及过载补汽机组的发电机功率特性。如图所示，设定重叠度后，发电机功率均呈下降趋势；联系上文图2-3以及图8-9可知，这主要是由于调节阀节流损失增加引起机组效率下降所致；同时，最大发电机功率偏差和最大重叠度本底节流损失呈对应关系，均出现在无重叠度调节阀全开位置，这与最大进汽流量总偏差出现的位置有所不同。

图11 喷嘴配汽机组功率特性（两阀点）

图12 喷嘴配汽机组功率特性（三阀点）

以过载补汽机组为例，在无重叠度主调阀全开且补汽阀全关下的进汽流量、机组热耗率和发电机功 率分 别为1 734.45 t/h、7 562.58 kJ（/kW·h）和610 425.06 kW；在设定调节阀重叠度后，进汽流量总偏差、热耗偏差和发电机功率偏差分别为0.23 t/h、7.75 kJ/（kW·h）和-1 141.38 kW。如图13所示，由于无重叠度工况下机组效率较高，这使得进汽流量与发电机功率在阀点处呈折线关系；设定重叠度后，发电机功率有所下降，更有利于机组功率的调节（喷嘴配汽机组在两阀点和三阀点区域也存在类似现象），这点在重叠度设定过程中需要注意。

图13 过载配汽机组功率特性

3.4 不同阀位步进安全限幅

以喷嘴配汽机组为例，零重叠度两阀全开和三阀全开下进汽流量分别为1 396.96 t/h和1 775.40 t/h；发电机功率分别为506 069.95 kW和620 900.06 kW；机组热耗分别为7 636.54 kJ/（kW·h）和7 569.09 kJ/（kW·h）；调节阀全开压差比分别为1.40%和1.95%。不同阀位步进安全限幅下额定参数变负荷热经济特性的仿真结果汇总见表1。

表1 不同安全限幅下调节阀1数据汇总

由表1可知，随安全限幅升高，最大流量偏差、最大功率偏差、最大重叠度本底节流损失以及阀点位置压力重叠度均呈减小趋势。显然，零重叠度相当于安全限幅最大，其经济性无疑最优。同时，6%～10%安全限幅对应的调节阀压力重叠度均低于液压调速系统的经验值（10%～15%）[17-20]。其中，8%安全限幅与10%压力重叠度相比，两阀点和三阀点分别可减少节流损失72.64 kJ/（kW·h）和20.05 kJ/（kW·h）。

3.5 不同调节阀

调节阀“行程L—流量系数Kv”曲线是快开型调节阀节流特性的具体表现。以喷嘴配汽机组为例，在维持阀门全开通流能力和压差比均不变的前提下，通过改变调节阀的“行程L—流量系数Kv”曲线，求解不同流量特性调节阀的重叠度特性，以观测安全限幅的适应性。如图14所示，调节阀2相比调节阀1而言，其无效空行程占比更小。

图14 调节阀1和调节阀2配汽曲线对比

由于调节阀流量特性与汽轮机组变工况特性无关，因此，当调节阀1更换为调节阀2后，无重叠度工况除二者调节阀阀位不同之外，其他热力参数均维持不变。对比表1和表2可知，在不同安全限幅下，调节阀2与调节阀1的重叠度特性不仅具有相似规律，且各量化指标基本均略优于前者，并满足工程应用要求。

表2 不同安全限幅下调节阀2数据汇总

4 结语

1）根据DEH系统阀门控制特点，提出重叠度合理性的三个判定依据，确立重叠度的量化指标体系；从中确定并验证了阀位步进安全限幅最适宜作为评价及设定调节阀重叠度的唯一性约束条件（这样的好处还在于调节阀阀位是现场所有汽轮机组必备的运行参数）。

2）以前序调节阀步进安全限幅为参照基准，基于理论仿真计算与部分现场试验验证，通过不同机型、不同工况、不同安全限幅以及不同调节阀特性的对比，剖析基于阀位步进安全限幅生成的调节阀重叠度对于汽轮机组额定参数变负荷热经济特性、定功率变压热经济特性以及定压流量特性（定压负荷特性）的具体影响和特征规律。

3）对于同一调节阀而言，随阀位步进安全限幅升高，最大流量偏差、最大功率偏差、最大重叠度本底节流损失以及阀点位置压力重叠度均呈减小趋势。对于不同调节阀，随阀位步进安全限幅升高，亦呈现出相似规律。总体而言，各量化指标均满足工程应用要求，可为汽轮机组运行方式调整和配汽函数整定等工作提供参考。