汽輪機DEH系統單閥-順序閥切換性能優化與試驗
朱加喜1， 張智文2
（1大唐淮北發電廠， 2安徽淮北平山電廠 安徽省淮北市， 235000）
摘 要：通過對某火電廠660MW超臨界機組DEH系統在單閥-順序閥切換過程出現負荷波動大、瓦溫升高、振動增大等問題進行相關的理論分析和調門流量特性試驗研究， 優化汽輪機調門配汽規律， 優化DEH邏輯和參數， 選擇最佳切換條件切換達到了優化切換性能的目的， 解決了運行中存在的問題。 這不僅保證了機組的安全穩定運行， 同時對於國內火電機組普遍存在的這類問題， 具有一定的借鑒意義。
關鍵字： DEH；單閥；順序閥；切換；試驗；性能優化
0 引 言
汽輪機數位電液控制系統Digital Electric-Hydraulic Control System （DEH）的負荷控制原理：DEH控制系統根據機組負荷要求， 計算出與當時主汽參數相對應的流量值， 經過高低負荷限制， 輸出到閥門管理程式， 通過閥門管理程式換算成與之對應的閥門開度。 單閥運行時， 汽輪機總的流量信號平均加到各個高壓調節門上；順序閥控制時， 流入汽輪機的蒸汽流量是各閥門流量的總和， 它將按順序依次加到GV1-GV4上， 各閥門按順序啟閉， 相鄰的兩個閥門在開啟時有一定的重疊度（前一閥門尚未完全開啟， 下一閥便提前打開， 這提前開啟的量， 即為閥門的重疊度）。 通常認為當閥門前後的壓力比P2/P1=0.95~0.98時， 閥門即為全開。 重疊度的選取要經過方案比較，
單閥順序閥切換目的是為了提高機組的經濟性和穩定性， 其實質是實現節流調節與噴嘴調節的無擾切換， 解決變負荷過程中均熱要求與部分負荷經濟性的矛盾。 單閥方式下調節級全周進汽， 對調節級葉片應力控制有益， 這樣可以較快的速度變負荷， 但另一方面， 由於存在節流損失， 在經濟上不利， 所以單閥方式較適宜於負荷變動工況。 順序閥方式對應於調節級部分進汽， 由於減少了節流損失而提高了經濟性，
所以在運行初期是處於單閥控制方式下運行的， 但是此時的高壓調門開度較小， 節流損失較大， 機組的經濟性差。 當負荷穩定時需要將單閥運行方式切換至順序閥運行方式， 以降低節流損失提高效率。 但是， 國內及早期引進的許多機組由於配汽規律設計不當， 在單閥切換順序閥的過程中就暴露出一些相應的問題， 如某電廠的一台600WM機組切換為順序閥運行後機組 #1 軸承X、Y向振動均明顯增大, 運行中有時振動值接近200 μm，
1 簡述
某電廠兩台660MW超臨界機組， 鍋爐為東方鍋爐廠生產的超臨界參數變壓直流爐， 單爐膛、一次再熱、平衡通風、露天佈置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構兀型鍋爐， 型號DG2102/25.4Ⅱ9；汽輪機為上海汽輪機廠製造的超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式、八級回熱抽汽，
下文主要從調節性能優化和提高安全性能角度出發， 對機組存在的這些問題作了分析， 發現原有的配汽規律存在不合理之處， 並進行了合理的優化工作。 通過對該台660MW超臨界機組進行實際的運行試驗，最終驗證了機組DEH單閥順序閥切換性能優化工作的可行性和有效性。汽機高調門的配汽優化工作，能夠在保證經濟性的前提下，極大程度的改善了機組的安全性能和調節性能。
2 存在問題分析及措施
2.1機組存在問題的理論分析
依上述知機組在單閥-順序閥切換時，切換性能不佳主要是由於其順序閥規律設計不當（閥門開啟順序及重疊度等）或切換條件選取不匹配，一般會暴露出主汽壓、負荷和EH油壓波動較大等切換性能較差的問題；同時，瓦溫升高、振動增大等軸系故障問題也會在切換的工程中出現，以至於出現跳機等嚴重危害機組安全性能的情況。有文獻提出了在單閥順序閥切換過程中採用適當延長閥門切換時間的辦法來消除機組負荷出現的大幅波動的問題；針對切換過程中的瓦溫異常和轉子的自激振動大提出了優化調整各調節閥的重疊度，修正閥門特性曲線的解決方法；文獻的試驗研究結果也表明，機組的高調門配汽規律直接影響機組在開環切換方式下（即閥位元方式）的無擾切換性能；文獻中還特別指出了單閥順序閥切換時的切換條件選擇對切換性能也有一定的影響。
2.2可行性優化方案
通過對該台機組目前所存在的問題與相關文獻資料中的問題進行對比分析，最終得出結論：這台機組的高調門的配汽規律需要進行優化工作，這是解決目前機組存在問題的首要可行性方法。其餘一些問題，還需要在高調門的配汽優化工作結束後，做進一步的分析研究。對這台660MW超臨界機組進行高調門的配汽優化，首先結合對切換條件的優化選擇，能夠實現由單閥到順序閥的無擾切換；然後通過對高調門順序閥的開啟順序的優化，可以實現機組在切換至順序閥運行方式下時，瓦溫和振動都基本與單閥運行時相當；最後還可以通過對調門重疊度的優化，解決原有配汽規律不當引發的調門擺動等問題。實際上，配汽優化後，就是通過改變進汽順序和優化重疊度等，可以有效減小順序閥運行方式下的配汽不平衡氣流力，兼顧瓦溫和振動，使機組的配汽方式達到最優。
3 調門流量特性試驗
3.1 調門流量特性試驗內容
#2機組汽輪機高調門的開度指令形成方式如圖1所示，高調門的開啟順序為GV3/GV4、GV1、GV2，順序閥方式下各高調門流量修正函數如表1所示，調門開度指令與DEH綜合流量指令REFDMD的關係曲線如圖2所示。試驗主要包括兩方面內容：
（1）維持主蒸汽壓力、溫度及其它主要參數穩定，在初始狀態為汽輪機各高壓調門全開狀態下（單閥/多閥方式均可），由運行人員逐個改變各高壓調門閥位元指令，測取各高調門閥位元—流量特性曲線，為修正整體流量特性提供參考。
（2）維持主蒸汽壓力、溫度及其它主要參數穩定，汽輪機高調門在多閥運行方式下，由運行人員改變DEH目標值(負荷參考指令REFDMD)，各高壓調門按設定順序依次動作，測取流量總指令REFDMD與實際蒸汽流量之間的關係曲線，檢查它們之間的線性度是否滿足技術要求。
圖1 高調門開度指令形成示意圖
表1 優化前順序閥方式下各高調門流量修正函數（X:流量指令；Y:開度指令）
圖2 順序閥方式下高調門開度指令與REFDMD關係曲線
3.2 試驗方法及步驟
3.2.1順序閥方式下高調門總體流量特性測試
（1）在機組協調控制方式下，將負荷升至90%額定負荷左右；
（2）維持機組負荷不變，由運行人員逐漸減小壓力設定值，使主蒸汽壓力逐漸下降，汽機高調門逐漸自動開大，直至所有汽機高調門全開；
（3）DEH遙控方式切除，機組切為鍋爐跟隨方式（BF），由鍋爐主控自動保持主汽壓力為當前值不變，DEH側一次調頻回路、功率回路、壓力回路切除，保持操作員自動運行方式；
（4）由運行人員在DEH畫面上逐步減小目標值，變化速率設為6MW/min，各高調門依次關閉，直至機組負荷降至60%額定負荷左右。每次目標值變化後，需待主汽壓力穩定後再進行下一負荷點的測試；
（5）記錄上述降試驗過程中DEH綜合流量指令REFDMD與實際蒸汽流量之間的關係曲線、高調門的動作趨勢，試驗結果如圖3所示。
圖3 DEH綜合流量指令REFDMD與實測蒸汽流量關係曲線
3.2.2各高調門流量特性測試
（1）在機組協調控制方式下，將負荷升至90%額定負荷左右；
（2）維持機組負荷不變，由運行人員逐漸減小壓力設定值，使主蒸汽壓力逐漸下降，汽機高調門逐漸自動開大，直至所有汽機高調門全開；
（3）DEH遙控方式切除，機組切為鍋爐跟隨方式（BF），由鍋爐主控自動保持主汽壓力為當前值不變，DEH側一次調頻回路、功率回路、壓力回路切除，保持操作員自動運行方式；
（4）在單閥控制方式下，由運行人員通過閥門活動試驗緩慢減小GV1調門閥位元指令直至該調門全關，待主汽壓力穩定後逐漸將該高調門調整至全開位置，在此過程中其它高調門一直維持全開狀態；
（5）依次進行各高調門的流量特性試驗，記錄各高調門在上述升降過程中的閥位元—流量特性曲線，如圖4～7所示，其中X軸為高調門的開度指令，Y軸為實測流量百分數。
3.2.3試驗結果分析與流量特性修正
試驗中順序閥方式下高壓調門整體流量特性測試主要是考察負荷升降過程中，各高調門依次動作時汽機蒸汽流量的線性和連續性；各高調門閥位—流量特性測試主要是考察單個高調門自身的流量特性，從試驗結果中可以得到：
（1）從試驗結果中可知，該機組各高調門的流量特性基本正常，但是GV3的開度指令與閥位元回饋相差較大，如圖6所示，下次機組大修時重新校準。
（2）機組高調門整體流量特性的線性度略差，如圖3所示，需要對GV1、GV2的流量特性控制參數進行修正。
（3）根據試驗結果對GV1、GV2的開度修正函數提出了改進方案，優化後的參數設置情況如表2所示，修改時需同時修改對應的閥位元反算函數。
表2 優化後順序閥方式下調門流量修正函數（X:流量指令；Y:開度指令）
在作上述修改後，重新進行該機組DEH多閥方式下高調門總體流量特性測試，對比優化前後的調節效果，並根據試驗結果進一步細調相關參數，以達到滿意的效果。
3.3修改閥序
經過調門流量試驗後，修改順序閥運行順序如下：#1、4高調門同時開啟，至約350MW負荷時再開#2高調門，近600MW時開#3高調門，同時根據切順序閥運行後的實際工況對各高調門的重疊度進行優化。
4 實際運行效果的試驗驗證
4.1做好試驗的有關安全技術措施：
（1）試驗前應做好如下準備工作：檢查各就地熱控一次元件工作情況；檢查DEH系統的行程開關，保證執行機構在滿行程範圍內開關動作可靠；運行人員到高調門就位，監視閥門的動作狀況與機組振動狀況。
（2）試驗條件：解除機爐協調控制，保持主汽壓設定值為一定值，投運功率反饋回路、或調節級壓力反饋回路、或根據負荷偏差人為調整綜合閥位元指令。
（3）在轉換過程中投入負荷回饋，使DEH產生調節作用，負荷基本維持不變；在切換過程中，不得進行任何有影響鍋爐和汽輪機工況的操作；在向“順序閥”控制方式切換過程中，機組振動或異常應立即切回至原單閥運行方式，查明並消除原因後方允許再次向“順序閥”控制方式切換。
（4）在單閥-順序閥切換過程中或閥門已處於順序閥方式時，如果汽機跳閘或出現任一GV卡澀，即實際閥位元與閥位元指令偏差大於10，則強行將閥門置於單閥方式。以減小負荷擾動。
（5）在向“順序閥”控制方式切換過程中，若機組調門發生大幅度擺動或發生MFT，立即由運行人員切回單閥方式。
4.2試驗歷史曲線
#2機組的高調門配汽規律優化完畢後，做實際運行效果的驗證試驗，試驗開始時機組處於單閥運行狀態，4個高壓調節閥門的開度為25%左右，功率252MW左右，主汽壓15MPa；測量資料中在第601S時，機組開始進行單閥-順序閥切換，切換過程為在閥位元方式下的開環自動切換。歷史曲線如下圖8至圖13所示：
4.3試驗結果分析
從圖8-13中可以看出，優化後機組的單閥、順序閥以及單閥-順序閥切換邏輯均按照設計規律正常動作；切換過程中負荷波動很小（最大波動為12MW），主汽壓基本保持15MPa不變； #1-#4瓦瓦溫基本恒定不變，瓦溫基本都與單閥水準相當，從單閥過渡到順序閥的整個過程瓦溫保持非常平穩； #1-#3瓦X振動和Y振動在切換過程中，變化也都非常平穩，基本與單閥時的振動水準相當，從單閥過渡到順序閥的整個過程振動保持比較平穩。
從整個驗證試驗過程可以看出，機組由單閥切換為順序閥規律運行時，機組的負荷波動、主汽壓波動、瓦溫和振動等都較好的滿足了機組安全運行的要求，安全性較優化改造前有了明顯的提高。
5 結論
目前，600MW等級超（超）臨界機組在國內是主力機組，所以這類機組運行狀況的好壞關係到整個電廠的經濟效益，針對實際運行中DEH系統單閥順序閥切換遇到的問題，通過該台660MW超臨界機組進行實際的運行試驗，最終驗證了從優化高調門的配汽規律的角度來進行機組單閥順序閥切換性能優化工作的方法的可行性和有效性，既解決了負荷波動大、振動增大等問題，又解決了高負荷的氣流激振和低負荷的高調門擺動問題，此外，優化DEH邏輯和參數提高了高調門流量特性曲線的線性度所關聯的機組調節性能。因此，機組高調門的配汽優化工作，能夠在保證經濟性的前提下，極大程度的改善了機組的安全性能和調節性能，提高了機組效率，同時也為同類型機組提供一些實際優化經驗。
通過對該台660MW超臨界機組進行實際的運行試驗，最終驗證了機組DEH單閥順序閥切換性能優化工作的可行性和有效性。汽機高調門的配汽優化工作，能夠在保證經濟性的前提下，極大程度的改善了機組的安全性能和調節性能。2 存在問題分析及措施
2.1機組存在問題的理論分析
依上述知機組在單閥-順序閥切換時，切換性能不佳主要是由於其順序閥規律設計不當（閥門開啟順序及重疊度等）或切換條件選取不匹配，一般會暴露出主汽壓、負荷和EH油壓波動較大等切換性能較差的問題；同時，瓦溫升高、振動增大等軸系故障問題也會在切換的工程中出現，以至於出現跳機等嚴重危害機組安全性能的情況。有文獻提出了在單閥順序閥切換過程中採用適當延長閥門切換時間的辦法來消除機組負荷出現的大幅波動的問題；針對切換過程中的瓦溫異常和轉子的自激振動大提出了優化調整各調節閥的重疊度，修正閥門特性曲線的解決方法；文獻的試驗研究結果也表明，機組的高調門配汽規律直接影響機組在開環切換方式下（即閥位元方式）的無擾切換性能；文獻中還特別指出了單閥順序閥切換時的切換條件選擇對切換性能也有一定的影響。
2.2可行性優化方案
通過對該台機組目前所存在的問題與相關文獻資料中的問題進行對比分析，最終得出結論：這台機組的高調門的配汽規律需要進行優化工作，這是解決目前機組存在問題的首要可行性方法。其餘一些問題，還需要在高調門的配汽優化工作結束後，做進一步的分析研究。對這台660MW超臨界機組進行高調門的配汽優化，首先結合對切換條件的優化選擇，能夠實現由單閥到順序閥的無擾切換；然後通過對高調門順序閥的開啟順序的優化，可以實現機組在切換至順序閥運行方式下時，瓦溫和振動都基本與單閥運行時相當；最後還可以通過對調門重疊度的優化，解決原有配汽規律不當引發的調門擺動等問題。實際上，配汽優化後，就是通過改變進汽順序和優化重疊度等，可以有效減小順序閥運行方式下的配汽不平衡氣流力，兼顧瓦溫和振動，使機組的配汽方式達到最優。
3 調門流量特性試驗
3.1 調門流量特性試驗內容
#2機組汽輪機高調門的開度指令形成方式如圖1所示，高調門的開啟順序為GV3/GV4、GV1、GV2，順序閥方式下各高調門流量修正函數如表1所示，調門開度指令與DEH綜合流量指令REFDMD的關係曲線如圖2所示。試驗主要包括兩方面內容：
（1）維持主蒸汽壓力、溫度及其它主要參數穩定，在初始狀態為汽輪機各高壓調門全開狀態下（單閥/多閥方式均可），由運行人員逐個改變各高壓調門閥位元指令，測取各高調門閥位元—流量特性曲線，為修正整體流量特性提供參考。
（2）維持主蒸汽壓力、溫度及其它主要參數穩定，汽輪機高調門在多閥運行方式下，由運行人員改變DEH目標值(負荷參考指令REFDMD)，各高壓調門按設定順序依次動作，測取流量總指令REFDMD與實際蒸汽流量之間的關係曲線，檢查它們之間的線性度是否滿足技術要求。
圖1 高調門開度指令形成示意圖
表1 優化前順序閥方式下各高調門流量修正函數（X:流量指令；Y:開度指令）
圖2 順序閥方式下高調門開度指令與REFDMD關係曲線
3.2 試驗方法及步驟
3.2.1順序閥方式下高調門總體流量特性測試
（1）在機組協調控制方式下，將負荷升至90%額定負荷左右；
（2）維持機組負荷不變，由運行人員逐漸減小壓力設定值，使主蒸汽壓力逐漸下降，汽機高調門逐漸自動開大，直至所有汽機高調門全開；
（3）DEH遙控方式切除，機組切為鍋爐跟隨方式（BF），由鍋爐主控自動保持主汽壓力為當前值不變，DEH側一次調頻回路、功率回路、壓力回路切除，保持操作員自動運行方式；
（4）由運行人員在DEH畫面上逐步減小目標值，變化速率設為6MW/min，各高調門依次關閉，直至機組負荷降至60%額定負荷左右。每次目標值變化後，需待主汽壓力穩定後再進行下一負荷點的測試；
（5）記錄上述降試驗過程中DEH綜合流量指令REFDMD與實際蒸汽流量之間的關係曲線、高調門的動作趨勢，試驗結果如圖3所示。
圖3 DEH綜合流量指令REFDMD與實測蒸汽流量關係曲線
3.2.2各高調門流量特性測試
（1）在機組協調控制方式下，將負荷升至90%額定負荷左右；
（2）維持機組負荷不變，由運行人員逐漸減小壓力設定值，使主蒸汽壓力逐漸下降，汽機高調門逐漸自動開大，直至所有汽機高調門全開；
（3）DEH遙控方式切除，機組切為鍋爐跟隨方式（BF），由鍋爐主控自動保持主汽壓力為當前值不變，DEH側一次調頻回路、功率回路、壓力回路切除，保持操作員自動運行方式；
（4）在單閥控制方式下，由運行人員通過閥門活動試驗緩慢減小GV1調門閥位元指令直至該調門全關，待主汽壓力穩定後逐漸將該高調門調整至全開位置，在此過程中其它高調門一直維持全開狀態；
（5）依次進行各高調門的流量特性試驗，記錄各高調門在上述升降過程中的閥位元—流量特性曲線，如圖4～7所示，其中X軸為高調門的開度指令，Y軸為實測流量百分數。
3.2.3試驗結果分析與流量特性修正
試驗中順序閥方式下高壓調門整體流量特性測試主要是考察負荷升降過程中，各高調門依次動作時汽機蒸汽流量的線性和連續性；各高調門閥位—流量特性測試主要是考察單個高調門自身的流量特性，從試驗結果中可以得到：
（1）從試驗結果中可知，該機組各高調門的流量特性基本正常，但是GV3的開度指令與閥位元回饋相差較大，如圖6所示，下次機組大修時重新校準。
（2）機組高調門整體流量特性的線性度略差，如圖3所示，需要對GV1、GV2的流量特性控制參數進行修正。
（3）根據試驗結果對GV1、GV2的開度修正函數提出了改進方案，優化後的參數設置情況如表2所示，修改時需同時修改對應的閥位元反算函數。
表2 優化後順序閥方式下調門流量修正函數（X:流量指令；Y:開度指令）
在作上述修改後，重新進行該機組DEH多閥方式下高調門總體流量特性測試，對比優化前後的調節效果，並根據試驗結果進一步細調相關參數，以達到滿意的效果。
3.3修改閥序
經過調門流量試驗後，修改順序閥運行順序如下：#1、4高調門同時開啟，至約350MW負荷時再開#2高調門，近600MW時開#3高調門，同時根據切順序閥運行後的實際工況對各高調門的重疊度進行優化。
4 實際運行效果的試驗驗證
4.1做好試驗的有關安全技術措施：
（1）試驗前應做好如下準備工作：檢查各就地熱控一次元件工作情況；檢查DEH系統的行程開關，保證執行機構在滿行程範圍內開關動作可靠；運行人員到高調門就位，監視閥門的動作狀況與機組振動狀況。
（2）試驗條件：解除機爐協調控制，保持主汽壓設定值為一定值，投運功率反饋回路、或調節級壓力反饋回路、或根據負荷偏差人為調整綜合閥位元指令。
（3）在轉換過程中投入負荷回饋，使DEH產生調節作用，負荷基本維持不變；在切換過程中，不得進行任何有影響鍋爐和汽輪機工況的操作；在向“順序閥”控制方式切換過程中，機組振動或異常應立即切回至原單閥運行方式，查明並消除原因後方允許再次向“順序閥”控制方式切換。
（4）在單閥-順序閥切換過程中或閥門已處於順序閥方式時，如果汽機跳閘或出現任一GV卡澀，即實際閥位元與閥位元指令偏差大於10，則強行將閥門置於單閥方式。以減小負荷擾動。
（5）在向“順序閥”控制方式切換過程中，若機組調門發生大幅度擺動或發生MFT，立即由運行人員切回單閥方式。
4.2試驗歷史曲線
#2機組的高調門配汽規律優化完畢後，做實際運行效果的驗證試驗，試驗開始時機組處於單閥運行狀態，4個高壓調節閥門的開度為25%左右，功率252MW左右，主汽壓15MPa；測量資料中在第601S時，機組開始進行單閥-順序閥切換，切換過程為在閥位元方式下的開環自動切換。歷史曲線如下圖8至圖13所示：
4.3試驗結果分析
從圖8-13中可以看出，優化後機組的單閥、順序閥以及單閥-順序閥切換邏輯均按照設計規律正常動作；切換過程中負荷波動很小（最大波動為12MW），主汽壓基本保持15MPa不變； #1-#4瓦瓦溫基本恒定不變，瓦溫基本都與單閥水準相當，從單閥過渡到順序閥的整個過程瓦溫保持非常平穩； #1-#3瓦X振動和Y振動在切換過程中，變化也都非常平穩，基本與單閥時的振動水準相當，從單閥過渡到順序閥的整個過程振動保持比較平穩。
從整個驗證試驗過程可以看出，機組由單閥切換為順序閥規律運行時，機組的負荷波動、主汽壓波動、瓦溫和振動等都較好的滿足了機組安全運行的要求，安全性較優化改造前有了明顯的提高。
5 結論
目前，600MW等級超（超）臨界機組在國內是主力機組，所以這類機組運行狀況的好壞關係到整個電廠的經濟效益，針對實際運行中DEH系統單閥順序閥切換遇到的問題，通過該台660MW超臨界機組進行實際的運行試驗，最終驗證了從優化高調門的配汽規律的角度來進行機組單閥順序閥切換性能優化工作的方法的可行性和有效性，既解決了負荷波動大、振動增大等問題，又解決了高負荷的氣流激振和低負荷的高調門擺動問題，此外，優化DEH邏輯和參數提高了高調門流量特性曲線的線性度所關聯的機組調節性能。因此，機組高調門的配汽優化工作，能夠在保證經濟性的前提下，極大程度的改善了機組的安全性能和調節性能，提高了機組效率，同時也為同類型機組提供一些實際優化經驗。