汽輪機的閥門(mén)控制
1、汽輪機閥門(mén)控制種類(lèi)
汽輪機作為大型高速運轉的原動(dòng)機是當今火力發(fā)電廠(chǎng)的主要設備之一，它被用來(lái)拖動(dòng)發(fā)電機從而使機械能轉變?yōu)殡娔�，供用�?hù)使用。汽輪機具有體積大、旋轉快等特點(diǎn)。當它由常溫常壓的靜止狀態(tài)下轉入高溫高壓高速運行時(shí)，汽輪機的調節閥門(mén)起到了穩定轉速、控制負荷的關(guān)鍵作用。只有控制好閥門(mén)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(mén)進(jìn)行控制的最佳系統。在這個(gè)系統中對閥門(mén)的控制有兩種方式：?jiǎn)伍y控制方式和多閥控制方式，兩種方式之間可以進(jìn)行無(wú)擾切換。
單閥控制是指在汽輪機的高壓缸進(jìn)汽時(shí)采用各個(gè)高壓調節閥門(mén)同時(shí)進(jìn)汽的方式，也就是說(shuō)各個(gè)高壓調節閥門(mén)的指令和開(kāi)度都是一樣的。
多閥控制是指在汽輪機的高壓缸進(jìn)汽時(shí)采用單個(gè)高壓調節閥門(mén)逐步進(jìn)汽的方式，也就是說(shuō)各個(gè)高壓調節閥門(mén)的指令和開(kāi)度都是不一樣的，每個(gè)高壓調節閥門(mén)的開(kāi)度是根據自身的流量曲線(xiàn)對應的指令輸出的。
2、閥門(mén)控制的功能
DEH控制系統中調節閥門(mén)的開(kāi)度指令，實(shí)際上是由閥門(mén)控制輸出的，而閥門(mén)控制所接收的信號是系統對進(jìn)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(chǎn)生的流量給定值信號是通過(guò)閥門(mén)控制轉換為各閥門(mén)的開(kāi)度指令信號的。這個(gè)給定信號輸出到閥門(mén)控制卡(伺服卡)上與閥位傳感器(LVDT)的實(shí)際閥位信號相減，經(jīng)過(guò)伺服放大器放大后控制伺服閥達到要求開(kāi)度。因此，閥門(mén)控制實(shí)際上是一軟件動(dòng)態(tài)函數發(fā)生器，它的主要任務(wù)是：(1)當機組在單閥調節或多閥調節方式下運行時(shí)，閥門(mén)控制根據DEH系統提供的流量給定信號，通過(guò)閥門(mén)流量曲線(xiàn)確定各調節閥的開(kāi)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(guò)程中，機組的功率始終保持不變;(3)在閥門(mén)進(jìn)行切換的過(guò)程中，如果流量請求發(fā)生變化，將停止正在進(jìn)行的閥門(mén)切換，先滿(mǎn)足機組對流量的要求，然后再繼續進(jìn)行閥門(mén)的切換;(4)保證DEH系統能平穩地從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式。
3、閥門(mén)控制新策略
3.1、單閥和多閥的比較
對于定壓運行的發(fā)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(jìn)汽量。汽輪機的進(jìn)汽量是通過(guò)改變汽輪機調節閥門(mén)的開(kāi)啟數量和閥門(mén)開(kāi)度來(lái)實(shí)現的，即改變了汽輪機閥門(mén)的進(jìn)汽面積。因此根據進(jìn)汽面積的不同就產(chǎn)
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(mén)一起動(dòng)作，閥門(mén)的開(kāi)度大小都是相同的，汽輪機進(jìn)汽均勻，汽缸和轉子受熱也相對均勻。在汽輪機發(fā)生負荷變化時(shí)調節級后的蒸汽溫度變化也就很小，所產(chǎn)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(dòng)和變換負荷時(shí)采用。但單閥方式在低負荷運行時(shí)所產(chǎn)生的節流損失較大，調節效率較低，機組經(jīng)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(dòng)作從而改變汽輪機的進(jìn)汽面積。在低負荷運行時(shí)，只有一個(gè)(或兩個(gè))閥門(mén)有節流損失，其余閥門(mén)全開(kāi)或者全關(guān)，故調節效率較高，機組經(jīng)濟性較好。但該方式下汽輪機的進(jìn)汽不均勻，汽缸和轉子的受熱也不均勻，并且在變換負荷時(shí)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(jīng)濟性的矛盾，在起動(dòng)、升速和變換負荷過(guò)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(shí)又希望采用多閥控制來(lái)改善機組的效率。這就需要應用DEH的閥門(mén)控制功能進(jìn)行閥門(mén)的無(wú)擾切換，使汽機達到最有效的運行。汽輪機的每個(gè)控制調節閥門(mén)都有各自單獨的伺服卡、伺服閥和油動(dòng)機，這就使DEH所控制的閥門(mén)更加靈活、穩定，也便于單個(gè)閥門(mén)發(fā)生故障時(shí)還能確保機組運行，便于在線(xiàn)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(gè)閥門(mén)進(jìn)行單獨的控制，為了減小機組的節流損失，提高機組的經(jīng)濟性，可以通過(guò)以下幾個(gè)方面進(jìn)行改善。
(1)增加配汽閥點(diǎn)配汽閥點(diǎn)是指閥門(mén)進(jìn)汽不存在節流損失的功率點(diǎn)，汽輪機在這個(gè)功率點(diǎn)上運行效率最高。單閥控制只有在汽輪機滿(mǎn)負荷發(fā)電時(shí)，由于各調節閥全部打開(kāi)，這時(shí)汽輪機只存在一個(gè)閥點(diǎn)，因此基本沒(méi)有節流損失。而在其它負荷時(shí)調節閥門(mén)都沒(méi)有完全打開(kāi)，因此存在較大的節流損失，使效率降低。多閥控制是各個(gè)調節閥門(mén)單獨給機組供汽，而且根據負荷的需要按照一定的次序開(kāi)啟各個(gè)調節閥門(mén)，以4個(gè)高壓調門(mén)的汽輪機為例，首先使汽輪機先開(kāi)1號和2號調門(mén)，等到帶到一定負荷時(shí)，當1號、2號調門(mén)基本全開(kāi)后，3號調門(mén)才慢慢開(kāi)啟，而此時(shí)4號調門(mén)還處于關(guān)閉狀態(tài)，這就產(chǎn)生了多個(gè)配汽閥點(diǎn)，在這些點(diǎn)所產(chǎn)生的節流損失相對很小，效率明顯優(yōu)于單閥調節。配汽閥點(diǎn)越多，汽機的節流損失就越小，汽輪機在整個(gè)負荷區間的總體效率就越高。
(2)閥門(mén)組重組因為汽輪機的調節閥門(mén)數量是一定的，為了在有限的閥門(mén)數量下得到更多的配汽閥點(diǎn)，就可以通過(guò)改變閥門(mén)所對應的噴嘴數量來(lái)得到更多的配汽閥點(diǎn)。在負荷逐漸升高的過(guò)程中，先開(kāi)啟噴嘴數量相對較少的閥門(mén)，然后再根據負荷升高開(kāi)啟其他閥門(mén)，這樣就減少汽輪機在低負荷時(shí)的節流損失，從而使汽輪機獲得相對多的閥點(diǎn)，提高了機組在不同負荷時(shí)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(xiàn)性度，而汽輪機的閥門(mén)流量又具有一定的飽和特性，這就要求汽輪機要在前一個(gè)調節閥門(mén)流量特性線(xiàn)性度變差之前開(kāi)啟第二個(gè)閥門(mén)，因此就產(chǎn)生了閥門(mén)的重疊度。由于各個(gè)調節閥門(mén)的流量之間是有一定的關(guān)系，是相互影響的，所以為了確保汽機總的流量線(xiàn)性度較好，保證機組動(dòng)態(tài)調節的穩定及一次調頻時(shí)機組的響應速度，就要求閥門(mén)有一定的重疊度。而通常許多電廠(chǎng)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(huì )相對平穩，負荷的波動(dòng)也就會(huì )很小或者幾乎沒(méi)有。而這樣一來(lái)機組的節流損失變大，調節效率降低，整體的經(jīng)濟性也會(huì )下降。經(jīng)過(guò)研究，適當地減小閥門(mén)重疊度，只會(huì )對局部的流量特性產(chǎn)生影響，雖然會(huì )使機組在重疊點(diǎn)附近線(xiàn)性度變差，但不會(huì )對機組甩負荷等關(guān)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(jīng)濟效益。
3.3、提高機組效率的新策略
按照閥門(mén)組重組的思想，利用DEH控制系統中的閥門(mén)控制可以實(shí)現單閥控制和順序閥控制的無(wú)擾切換，使汽輪機在定壓運行時(shí)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(jīng)濟性。但不同的機組閥門(mén)特性是不同的，它所對應的噴嘴數量，閥門(mén)開(kāi)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(xiàn)分別為如圖1、2所示。
圖1 高壓閥門(mén)流量曲線(xiàn)(單閥運行)
圖2 高壓閥門(mén)閥桿升程曲線(xiàn)(順序閥運行)
圖3 汽輪機功率——頻率系統簡(jiǎn)圖
閥門(mén)的開(kāi)啟順序為GV1和GV2先同時(shí)開(kāi)啟，然后是GV3開(kāi)啟，最后是GV4開(kāi)啟。根據現場(chǎng)情況，在進(jìn)行閥門(mén)切換時(shí)，2瓦和3瓦的振動(dòng)達到報警值以上。后經(jīng)過(guò)分析和主機廠(chǎng)的重新計算，把閥門(mén)的開(kāi)啟順序更改為GV1和GV2先開(kāi)啟，然后GV4開(kāi)啟，最后GV3開(kāi)啟。在進(jìn)行切換時(shí)機組的振動(dòng)沒(méi)有達到報警值以上。由此可推斷，機組進(jìn)行閥門(mén)切換時(shí)，閥門(mén)的開(kāi)啟順序很重要，也就是說(shuō)閥門(mén)控制的好壞是決定了機組能否正常運行的關(guān)鍵因素之一。而閥門(mén)控制的關(guān)鍵在于閥門(mén)切換過(guò)程中是否是無(wú)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(shí)現控制系統的無(wú)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(fā)生變換引起的發(fā)電機功率變化時(shí)，PID輸出的變化會(huì )根據實(shí)際情況自動(dòng)補償，從而實(shí)現切換的無(wú)擾;若功率回路不投入，閥門(mén)切換的過(guò)程中對機組功率的影響就取決于閥門(mén)流量特性曲線(xiàn)計算的準確程度。
4、結論
對于大多電廠(chǎng)要求提高經(jīng)濟性、提高機組發(fā)電效率的今天，DEH系統的閥門(mén)控制可以減少機組的節流損失。在不同的負荷區段使用不同的閥門(mén)控制方法，充分發(fā)揮DEH計算機控制能夠單獨控制各個(gè)閥門(mén)的優(yōu)越性，來(lái)滿(mǎn)足機組在不同工況下對負荷的要求，從而安全、平穩、快速地調節機組的負荷，具有很高的實(shí)際應用價(jià)值。
