汽轮机高压主汽门、高中调门阀门曲线参数优化

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)福建大唐国际宁德发电有限责任公司 作者:郑锴

  以大唐宁德电厂2×600MW机组为研究对象,针对汽轮机机组高压主气门以及高中调门阀门所存在的问题进行分析,研究单阀/顺序阀的基本控制原理,提出一种针对汽轮机机组高压主汽门以及高中调门阀门曲线参数进行优化的实验及执行方案。实验研究结果表明:在针对曲线参数进行优化处理的基础之上,整个汽轮机机组的控制稳定性以及运行经济性均得到了显著提升,综合效益极为显著,值得大力推广与应用。

  在当前技术条件支持下,汽轮机机组在不同配气方式作用之下所表现出的运行特性也存在一定的差异性,这种差异性集中表现在汽轮发电机机组发电效率、安全性以及动作响应灵活性的实现这几个方面。对于大型汽轮机而言,如何提高机组的效率是个很艰巨的任务,现在常用的方式为通过改变汽轮机调节阀的运行方式,由单阀控制切至顺阀控制,从而减少节流损失,提高机组效率。将其应用于本文所列举的大唐宁德电厂2×600MW机组优化改造当中,所取得的综合性效益极为突出。本文试对其作详细分析与说明。

1、汽轮机机组基本概况分析

  大唐宁德电厂2×600MW机组系哈尔滨汽轮机厂有限责任公司设计生产的CLN600-24.2/566/566超临界一次中间再热、高中压合缸、单轴三缸四排汽凝汽式汽轮发电机组。汽轮机启动方式为高中压缸联合启动,0至2900RPM由高压主门及中压调门控制,转速达到2900RPM时切换到高压调门及中压调门控制升速、并网、带负荷。机组启动运行方式:定-滑-定运行,高中压缸联合启动;主汽阀前额定蒸汽压力:24.2MPa(a);主汽阀前额定蒸汽温度:566℃。大唐宁德电厂600MW汽轮机调节系统配备了哈尔滨汽轮机控制工程有限公司成套的高压抗燃油型数字电液调节系统(简称DEH),其电子设备采用了上海西屋控制系统有限公司的OVATION系统,液压系统采用了高压抗燃油EH装置。

2、汽轮机高压主气门、高中调门阀门存在的问题分析

2.1、汽轮机高压主气门运行存在的问题分析

  对于大唐宁德电厂所涉及到的2×600MW汽轮机机组而言,高压主汽门位置存在的最关键问题在于单侧高压主气门关闭异常。实践研究结果表明,此类关闭异常故障问题对于整个汽轮机机组正常运行所造成的影响是极为严重的,甚至还有可能导致整个机组出现非计划性停运问题。在大唐宁德电厂汽轮机高压主汽门出现关闭异常的情况下,锅炉反应装置蒸汽压力实时参数将呈现出较为显著的骤升,进而导致给水泵装置出力不足,由此引发汽轮机机组及发电机装置的连跳动作。此类问题的产生不仅仅在于调节系统的故障问题,同时也是受到汽轮机高压主汽门预设参数问题的影响,针对此部位曲线参数进行优化有着极为关键的必要性。

2.2、汽轮机高中调门阀门运行存在的问题分析

  对于汽轮机机组高中调门阀门部件而言,高中调门阀门部件可以说是整个汽轮机机组调速系统运行安全与运行稳定性保障的基础所在,高中调门阀门调节品质的高低从某种程度上来说直接关系着整个汽轮机机组实时转速的高低以及汽轮机机组负荷控制的稳定性程度。现阶段,通过实践观测发现,大唐宁德电厂所涉及到的2×600MW汽轮机机组当中,高中调门阀门在运行过程当中频频出现较为明显与严重的摆动问题,此类严重摆动现象的持续存在势必会使得整个汽轮机机组的负荷参数呈现出较为显著的增加趋势,此过程当中同样可能导致门体与EH油波动出现同步性趋势,并在此种方式作用之下导致汽轮机组高压调门因弹簧装置疲劳性运行而出现断裂问题。与此同时,弹簧断裂问题的产生也将导致整个汽轮机机组在正常运行状态下的调速系统动作响应时间明显增大,严重时还有可能导致整个汽轮机机组处于超速性运转状态当中。从这一角度上来说,针对此部位曲线参数进行优化处理同样是极为必要与关键的。

3、单阀/顺序阀控制原理

  从汽轮机机组单阀/顺序阀切换的行为目的角度上来说,通过单阀/顺序阀控制所需要实现的是整个汽轮机机组运行的经济性与动作相应及时性。从本质上来说,单阀/顺序阀控制功能的实现需要借助于对喷嘴节流配汽以及喷嘴配汽切换过程中的无扰动处理,这也正是单阀控制与顺序阀控制动作切换实现无扰动作业的核心所在,在这一过程当中,汽轮机机组运行状态下存在于变负荷过程中部分负荷经济性实现与均匀加热处理之间的矛盾同样能够得到有效的环节与控制。一方面,从单阀控制的角度上来说,蒸汽能够在单阀控制的作用之下通过高压调节阀装置以及喷嘴室,在360°全周状态下转入调节级动叶反应过程当中,在此种反应控制过程当中确保调节级叶片加热处理的均匀性。很明显,这相对于调节级叶片应力分配的改善与优化是极为显著的,整个汽轮机机组的负荷状态也能够实现较快的反应与执行。然而受到整个汽轮机机组运行状态下所有调节阀装置均呈现出开启状态,单阀控制应用过程当中存在节流损失较大的问题。另一方面,从顺序阀控制的角度上来说,其主要是按照预先设设定的方式针对调节阀装置进行逐一性的开启与关不处理。蒸汽在经过调节阀装置于喷嘴室的过程当中表现为部分进气形式,从而使得整个汽轮机机组运行过程当中的节流损失问题得到了明显控制,并在此基础之上有效改善了整个汽轮机机组的运行热经济性。在实践运行过程当中,针对汽轮机机组处于冷态启动好过这事低参数下的变负荷运行作业而言,通过单阀方式的应用能够使得整个汽轮机机组的热膨胀问题得到有效控制,进而合理缓解机组运行状态下的热应力问题,从而有效延长整个汽轮机机组在正常状态下的使用寿命。与此同时,对于处于额定参数下变负荷运行状态中的汽轮机机组而言,考虑到电厂运行管理对汽轮机机组热经济性重点关注的实际情况,控制方式的选取以顺序阀控制位置,在合理降低节流损失的基础之上实现对汽轮机机组热效率的提升目的。

  假设阀门切换过程中汽机运行工况稳定,即真空和主蒸汽参数不变,不考虑抽汽的影响,汽机的负荷仅由蒸汽流量决定,而各个调节阀所控制的流量也只和阀门开度有关,那么可以认为汽机负荷进仅是阀门开度的单函数。用表示汽机负荷表示阀门开度。

  则单阀方式下:

汽轮机高压主汽门、高中调门阀门曲线参数优化

  顺序阀方式下:

汽轮机高压主汽门、高中调门阀门曲线参数优化

  单阀/顺序阀切换的中间过程任意状态下:

汽轮机高压主汽门、高中调门阀门曲线参数优化

  如果要求单阀/顺序阀方式及切换过程中负荷无扰动,则:

汽轮机高压主汽门、高中调门阀门曲线参数优化

  即:

汽轮机高压主汽门、高中调门阀门曲线参数优化

  由于4个高压调节阀设计相似,理想情况下认为完全相同,并假设经阀门曲线修正后,阀门开度与流量成正比,即阀门开度与汽机负荷成正比。

  则:

汽轮机高压主汽门、高中调门阀门曲线参数优化

  所以,满足阀门无扰切换的条件为:

汽轮机高压主汽门、高中调门阀门曲线参数优化

  显然,这个问题有很多解。为简化问题,可以设定边界条件

汽轮机高压主汽门、高中调门阀门曲线参数优化

  满足该边界条件的最简单解是

汽轮机高压主汽门、高中调门阀门曲线参数优化

  其中:ka称为单阀系数,kb称为顺序阀系数。

  当阀门处于单阀方式时:ka=1,kb=0。

  当阀门处于顺序阀方式时:ka=0,kb=1。而阀门处于切换的中间状态时:0

  从汽轮机机组阀门装置的实践操作及切换动作的实现角度上来说,上文有关各类假设条件的实现存在较大的难度与局限性,从这一角度上来说,在整个汽轮机机组阀门装置的实际切换动作过程当中,负荷扰动的产生是不可避免的。然而现阶段采取对闭环控制装置的引入及应用能够使得汽轮机机组在运行过程中的负荷扰动问题得到明显的改善。从这一角度上来说,如果针对整个汽轮机机组的运行投入功率闭环回路,在实际功率参数与负荷设定值参数差值比例高于4%的情况下,汽轮机机组阀门装置将自动切换至中止状态;与此同时,在整个汽轮机机组运行负荷调节精度高于3%及以上水平的情况下,机组阀门装置又能够自动切换至恢复状态。基于以上分析不难总结:在汽轮机机组阀门切换过程当中采取功率闭环装置的投入方式,需要将功率控制精度参数始终保持在3%参数范围之内;与此同时,如果汽轮机机组运行所投入的是调节级压力闭环装置,则与之相对应的调节级压力控制精度应当维持在1.5%参数范围之内。在这一过程当中,汽轮机机组运行状态台下的工况参数直接关系着运行系统的负荷扰动大小问题。

4、阀门流量特性优化试验

  大唐宁德电厂600MW汽轮机高压调节阀的开启顺序为GV#1/GV#2→GV#3→GV#4,即GV#1和GV#2同时开启,然后是GV#3、GV#4最后开启。关闭顺序与此相反。单阀/顺序阀切换时间为2分钟(可调)。

  在单阀向顺序阀切换过程中或阀门已处于顺序阀方式时,若汽机跳闸或出现任一个GV紧急状态,即实际阀位和阀定位卡的阀位指令之间偏差大于设定的限值,则强行将阀门置于单阀方式。这种情况下强制成单阀方式可以减小负荷扰动。汽轮机主汽门、调整门阀门自动整定完毕后,根据现场实际测量,在DCS操作端上给出99%的指令,使阀门行程回缩,再根据现场实测结果,将满度时的LVDT值进行修正,以GV3顺阀曲线为例,优化后的参数与初始参数对比如图1。

  根据三菱原始运行曲线,即机组在额定工况下综合阀位与高调门的关系曲线,综合阀位量程是-20%到+120%,分别对应DEH的综合阀位0%到100%相对应,如图2。由实际运行表可以查出600MW负荷时GV3开度为22.33%。GV3开度GVh=135X22.33%=30.145mm。根据曲线可以计算出对应的综合阀位是:H=100+4X(30.145-28.5)(/55-28.5)=100.062%。

GV3顺阀曲线

图1 GV3顺阀曲线

三菱综合阀位与高调门的关系曲线

图2 三菱综合阀位与高调门的关系曲线

5、结论

  从计算数据可以得出,经过此次优,3#机组基本达到了设计值,从我们试验和优化后的应用情况看,都提高了控制稳定性和运行经济性,值得大力推广。(注:额定工况600MW高压缸进汽流量为1650(T/h))。

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