汽轮机的阀门控制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 作者:范文进

1、汽轮机阀门控制种类

  汽轮机作为大型高速运转的原动机是当今火力发电厂的主要设备之一,它被用来拖动发电机从而使机械能转变为电能,供用户使用。汽轮机具有体积大、旋转快等特点。当它由常温常压的静止状态下转入高温高压高速运行时,汽轮机的调节阀门起到了稳定转速、控制负荷的关键作用。只有控制好阀门的稳定性、快速性和精确度,才能使汽轮机安全、平稳、高效的运行。

  数字式电液调节(DEH)系统作为目前汽轮机的最基本的控制系统,是对阀门进行控制的最佳系统。在这个系统中对阀门的控制有两种方式:单阀控制方式和多阀控制方式,两种方式之间可以进行无扰切换。

  单阀控制是指在汽轮机的高压缸进汽时采用各个高压调节阀门同时进汽的方式,也就是说各个高压调节阀门的指令和开度都是一样的。

  多阀控制是指在汽轮机的高压缸进汽时采用单个高压调节阀门逐步进汽的方式,也就是说各个高压调节阀门的指令和开度都是不一样的,每个高压调节阀门的开度是根据自身的流量曲线对应的指令输出的。

2、阀门控制的功能

  DEH控制系统中调节阀门的开度指令,实际上是由阀门控制输出的,而阀门控制所接收的信号是系统对进入汽轮机的总蒸汽流量的请求,即DEH系统的转速控制回路和负荷控制回路中所产生的流量给定值信号是通过阀门控制转换为各阀门的开度指令信号的。这个给定信号输出到阀门控制卡(伺服卡)上与阀位传感器(LVDT)的实际阀位信号相减,经过伺服放大器放大后控制伺服阀达到要求开度。因此,阀门控制实际上是一软件动态函数发生器,它的主要任务是:(1)当机组在单阀调节或多阀调节方式下运行时,阀门控制根据DEH系统提供的流量给定信号,通过阀门流量曲线确定各调节阀的开度,并以输出模拟信号;(2)保证在单阀调节和多阀调节相互切换的过程中,机组的功率始终保持不变;(3)在阀门进行切换的过程中,如果流量请求发生变化,将停止正在进行的阀门切换,先满足机组对流量的要求,然后再继续进行阀门的切换;(4)保证DEH系统能平稳地从手动方式切换到自动方式。

3、阀门控制新策略

  3.1、单阀和多阀的比较

  对于定压运行的发电机组,汽轮机的调节主要是对汽轮机的转速和功率而言,调节转速和功率的方法就是改变汽轮机的进汽量。汽轮机的进汽量是通过改变汽轮机调节阀门的开启数量和阀门开度来实现的,即改变了汽轮机阀门的进汽面积。因此根据进汽面积的不同就产

  生了汽轮机的单阀控制和多阀控制。

  单阀控制方式下,各调节阀门一起动作,阀门的开度大小都是相同的,汽轮机进汽均匀,汽缸和转子受热也相对均匀。在汽轮机发生负荷变化时调节级后的蒸汽温度变化也就很小,所产生的热应力就相对很小,使机组运行灵活性较好,适合在机组起动和变换负荷时采用。但单阀方式在低负荷运行时所产生的节流损失较大,调节效率较低,机组经济性就相对较差。

  多阀控制方式下,各调节阀按照一定的顺序有计划地动作从而改变汽轮机的进汽面积。在低负荷运行时,只有一个(或两个)阀门有节流损失,其余阀门全开或者全关,故调节效率较高,机组经济性较好。但该方式下汽轮机的进汽不均匀,汽缸和转子的受热也不均匀,并且在变换负荷时调节级后蒸汽温度变化很大,热应力较大,运行灵活性较差。

  为了解决机组运行灵活性和经济性的矛盾,在起动、升速和变换负荷过程中,希望采用单阀控制使机组受热均匀,灵活升速和变换负荷,而当机组带到一定负荷时又希望采用多阀控制来改善机组的效率。这就需要应用DEH的阀门控制功能进行阀门的无扰切换,使汽机达到最有效的运行。汽轮机的每个控制调节阀门都有各自单独的伺服卡、伺服阀和油动机,这就使DEH所控制的阀门更加灵活、稳定,也便于单个阀门发生故障时还能确保机组运行,便于在线更换伺服卡、伺服阀等。

  3.2、提高机组效率的途径

  和传统的调节系统相比,DEH控制系统可以对每个阀门进行单独的控制,为了减小机组的节流损失,提高机组的经济性,可以通过以下几个方面进行改善。

  (1)增加配汽阀点配汽阀点是指阀门进汽不存在节流损失的功率点,汽轮机在这个功率点上运行效率最高。单阀控制只有在汽轮机满负荷发电时,由于各调节阀全部打开,这时汽轮机只存在一个阀点,因此基本没有节流损失。而在其它负荷时调节阀门都没有完全打开,因此存在较大的节流损失,使效率降低。多阀控制是各个调节阀门单独给机组供汽,而且根据负荷的需要按照一定的次序开启各个调节阀门,以4个高压调门的汽轮机为例,首先使汽轮机先开1号和2号调门,等到带到一定负荷时,当1号、2号调门基本全开后,3号调门才慢慢开启,而此时4号调门还处于关闭状态,这就产生了多个配汽阀点,在这些点所产生的节流损失相对很小,效率明显优于单阀调节。配汽阀点越多,汽机的节流损失就越小,汽轮机在整个负荷区间的总体效率就越高。

  (2)阀门组重组因为汽轮机的调节阀门数量是一定的,为了在有限的阀门数量下得到更多的配汽阀点,就可以通过改变阀门所对应的喷嘴数量来得到更多的配汽阀点。在负荷逐渐升高的过程中,先开启喷嘴数量相对较少的阀门,然后再根据负荷升高开启其他阀门,这样就减少汽轮机在低负荷时的节流损失,从而使汽轮机获得相对多的阀点,提高了机组在不同负荷时的效率。

  (3)减小重叠度 由于汽轮机的运行要求总的流量具有较好的线性度,而汽轮机的阀门流量又具有一定的饱和特性,这就要求汽轮机要在前一个调节阀门流量特性线性度变差之前开启第二个阀门,因此就产生了阀门的重叠度。由于各个调节阀门的流量之间是有一定的关系,是相互影响的,所以为了确保汽机总的流量线性度较好,保证机组动态调节的稳定及一次调频时机组的响应速度,就要求阀门有一定的重叠度。而通常许多电厂由于要求对机组的负荷考核十分严格,所以一般都把机组的重叠度调得很大,机组的运行就会相对平稳,负荷的波动也就会很小或者几乎没有。而这样一来机组的节流损失变大,调节效率降低,整体的经济性也会下降。经过研究,适当地减小阀门重叠度,只会对局部的流量特性产生影响,虽然会使机组在重叠点附近线性度变差,但不会对机组甩负荷等关键特性造成大的影响,并且有利于减小机组的节流损失,提高机组的经济效益。

  3.3、提高机组效率的新策略

  按照阀门组重组的思想,利用DEH控制系统中的阀门控制可以实现单阀控制和顺序阀控制的无扰切换,使汽轮机在定压运行时任意负荷区段的效率达到最高,从而提高机组变负荷运行的经济性。但不同的机组阀门特性是不同的,它所对应的喷嘴数量,阀门开启顺序都是不同的。例如海南东方2*350MW的机组而言,它的单阀、顺序阀曲线分别为如图1、2所示。

高压阀门流量曲线

图1 高压阀门流量曲线(单阀运行)

高压阀门阀杆升程曲线

图2 高压阀门阀杆升程曲线(顺序阀运行)

汽轮机功率

图3 汽轮机功率——频率系统简图

  阀门的开启顺序为GV1和GV2先同时开启,然后是GV3开启,最后是GV4开启。根据现场情况,在进行阀门切换时,2瓦和3瓦的振动达到报警值以上。后经过分析和主机厂的重新计算,把阀门的开启顺序更改为GV1和GV2先开启,然后GV4开启,最后GV3开启。在进行切换时机组的振动没有达到报警值以上。由此可推断,机组进行阀门切换时,阀门的开启顺序很重要,也就是说阀门控制的好坏是决定了机组能否正常运行的关键因素之一。而阀门控制的关键在于阀门切换过程中是否是无扰切换,这就要求DEH系统所编的程序必须完善。一般情况下利用外部积分的方法可以实现控制系统的无扰切换。如图3所示,若功率回路投入,PID调节器则起到了外部积分器的作用,当调节阀调节方式发生变换引起的发电机功率变化时,PID输出的变化会根据实际情况自动补偿,从而实现切换的无扰;若功率回路不投入,阀门切换的过程中对机组功率的影响就取决于阀门流量特性曲线计算的准确程度。

4、结论

  对于大多电厂要求提高经济性、提高机组发电效率的今天,DEH系统的阀门控制可以减少机组的节流损失。在不同的负荷区段使用不同的阀门控制方法,充分发挥DEH计算机控制能够单独控制各个阀门的优越性,来满足机组在不同工况下对负荷的要求,从而安全、平稳、快速地调节机组的负荷,具有很高的实际应用价值。

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