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[摘要]主要针对高压电调汽轮机组单阀切换顺序阀时引起的负荷波动问题，对阀门切换实现方法进行研究分析，并分析阀位流量特性和阀门重叠度对负荷波动的影响。
[关键词]阀切换 阀门管理 流量特性 重叠度
中图分类号：TK1 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)1020129－01
一、前言
天津石化热电部5、6号汽轮机组机组为上海汽轮机厂生产的CC50-8.83／4.12／1.3型单缸、双抽式汽轮机。DEH采用了上海新华控制工程有限公司的DEH-V型高压纯电调控制系统。DEH是电站汽轮发电机组重要组成部分，是汽轮机启动、停止、正常运行和事故工况下的调节控制器。也是电厂自动化系统重要组成部分。DEH系统通过电信号控制高压油动机从而驱动各进汽阀门的开度。实现对汽轮发电机组转速与负荷、压力等参数的控制。
本文针对该机组负荷波动问题论述了高压电调机组阀门切换实现方法，并分析了阀位流量特性和阀门重叠度对负荷波动的影响。
二、DEH系统中阀门控制方式的实现方法
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，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：
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：
所以，满足阀门无扰切换的条件为：
显然，这个问题有很多解。为简化问题，可以设定边界条件：
满足该边界条件的最简单解是：
，且
其中， 称为单阀系数，称为顺序阀系数。当阀门处于单阀方式时：
当阀门处于顺序阀方式时：
而阀门处于切换的中间状态时（既非单阀也非顺序阀）：
这就是阀门切换的设计原理。在实际的阀门切换过程中，上述分析中的假设条件是难以成立的，所以不可避免地会有负荷扰动；但如果投入闭环控制，负荷扰动在一定程度上可以得到改善，即如果投入功率闭环回路，当实际功率与负荷设定值相差大于4%时，切换自动中止；当负荷调节精度达到3%以内时，切换又自动恢复。上述限制过程对运行人员的操作没有任何要求。这样，阀门切换过程中如果投入功率闭环，则功率控制精度在3%以内；单阀/顺序阀切换也可以开环进行，显然此时负荷扰动的大小与阀门特性曲线的准确性及汽机运行工况有关。DEH系统的阀门管理程序不但确定了顺序阀时各调节阀的开启顺序，而且在两调节阀的有效升程之间设定了一定的重叠度，这样就能使前一阀还没开足之前就开始开启后一阀门，使汽轮机在所有调节阀总的升程内流量特性的线性度较好。
三、阀门的阀位流量特性对负荷波动的影响
汽轮机组的调节汽门的流量特性一般都采用厂家原有制定的特性曲线，而阀门的管理程序以流量请求信号为依据，通过阀门的特性曲线确定另一种方式下的阀位值。当原有的阀门流量特性曲线符合机组的真实值时，阀切换后负荷波动较小。但是由于机组在经过大修及日常维护过程中对阀门行程的调整，阀门的流量特性出现大的改变，如果不在DEH中对流量特性曲线进行修正而继续使用原来的特性曲线，将造成切换前后相同负荷指令下蒸汽流量不同，必将引起机组负荷大幅波动，给机组安全带来不利影响。因此在机组运行多年之后有必要重新进行阀门流量特性的测试，并通过新的流量特性曲线分析负荷大幅波动的原因，当计算流量对应的负荷与阀切换后实际负荷接近一致时，再进行阀门控制方式的切换，可避免出现负荷大幅波动。
四、阀门重叠度对负荷波动的影响
汽轮机采用顺序阀控制方式时，调节阀是依次开启的。如果后一个调节阀是在前一个调节阀开足后再开启，那么汽轮机总的阀位流量特性曲线是波浪形的，这将直接影响调节系统的静态特性，引起机组的负荷波动。为了避免这种情况的发生，通常在前一个调节阀还未开足前就开启后一调节阀，即两阀升程之间具有一定的重叠度，重叠度适中的曲线线性度好，负荷波动小，调节级效率也较高。
因此，调速汽阀重叠度大时，调节系统速度变动率小，可能会引起系统的不稳定，或者电网频率变化时汽轮机功率变动太小；调速汽阀重叠度小时，调节系统速度变动率就大。重叠度过小，汽轮机甩负荷时会有一个较大的转速飞升，引起动态超速。重叠度不当只表现在某些特定的工作点，根据机组的特征参数可知道这些负荷点大致的范围。按照设定的特征参数以绘出其在标准状态下的联合特性图，通过这种方法不仅可以在线诊断重叠度是否正常，而且还可以检测阀门的流量特性。
另外，调速汽阀重叠度过大，会发生两个调速汽阀同时以较大的节流向汽轮机供汽，节流损失增加，局部速度变动率变小，在此区域负荷易摆动。
五、减小负荷扰动的几个对策
1．通过调门特性试验校验GV的实际流量特性，合理设置各GV之间的重叠度，修改1、2、3、4号调门的特性参数，即改变流量指令输出至对应各调门的函数变换的曲线 使1、2号调门开启速度变缓。减小通过调门的蒸汽流量．使单阀一顺序阀的切换能平稳地进行．减小负荷波动 从而相应减小切换过程中对汽轮机重要参数的影响(如振动、瓦温等)．保证机组安全稳定地运行。
2．延长单阀一顺序阀的切换时间。由于1、2号调门为主要的进汽门，通流能力大，延长切换时间即延缓了1、2号调门的进汽量。3、4号调门相对1、2号调门通流能力较弱．虽然延长时间使得通过这2个调门的蒸汽流量降速变缓．但总体而言，通过时间的延长，相当于同等时间内DEH给出的负荷(流量)指令变化量减小．从而减小各高调门的变化量。亦可实现负荷的波动量减小。
3．改变由于单阀-顺序阀的切换点，将原设计≥30%额定负荷是进行单阀-顺序阀的切换点，改变为在机组冲转过程中，在转速回路控制下，机组转速在2950~3000r/min时进行阀门的单阀-顺序阀切换，此时进汽量的波动较小，此时不仅满足了前期对机组启动暖机的要求，同时对机组转速波动影响较小，转速波动一般在50r/min。
六、结语
阀门控制方式切换引起负荷波动可通过重新测量阀门流量特性曲线，优化阀门管理程序来消除；确定合理的阀门重叠度能够减少阀切换时的负荷波动，保证阀门切换的顺利进行；延长单阀-顺序阀的切换时间对较小负荷扰动有积极的效果；抽汽供热机组在3000r/min进行阀门切换有较好的效果。
参考文献：
[1]天津石化热电部50MW机组高压电调改造资料.
[2]文贤馗、申自明，汽轮机控制系统改造中阀门重叠度的研究[J].热力发电.2003（5）4143.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
[关键词]阀切换 阀门管理 流量特性 重叠度
中图分类号：TK1 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)1020129－01
一、前言
天津石化热电部5、6号汽轮机组机组为上海汽轮机厂生产的CC50-8.83／4.12／1.3型单缸、双抽式汽轮机。DEH采用了上海新华控制工程有限公司的DEH-V型高压纯电调控制系统。DEH是电站汽轮发电机组重要组成部分，是汽轮机启动、停止、正常运行和事故工况下的调节控制器。也是电厂自动化系统重要组成部分。DEH系统通过电信号控制高压油动机从而驱动各进汽阀门的开度。实现对汽轮发电机组转速与负荷、压力等参数的控制。
本文针对该机组负荷波动问题论述了高压电调机组阀门切换实现方法，并分析了阀位流量特性和阀门重叠度对负荷波动的影响。
二、DEH系统中阀门控制方式的实现方法
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，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：
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：
所以，满足阀门无扰切换的条件为：
显然，这个问题有很多解。为简化问题，可以设定边界条件：
满足该边界条件的最简单解是：
，且
其中， 称为单阀系数，称为顺序阀系数。当阀门处于单阀方式时：
当阀门处于顺序阀方式时：
而阀门处于切换的中间状态时（既非单阀也非顺序阀）：
这就是阀门切换的设计原理。在实际的阀门切换过程中，上述分析中的假设条件是难以成立的，所以不可避免地会有负荷扰动；但如果投入闭环控制，负荷扰动在一定程度上可以得到改善，即如果投入功率闭环回路，当实际功率与负荷设定值相差大于4%时，切换自动中止；当负荷调节精度达到3%以内时，切换又自动恢复。上述限制过程对运行人员的操作没有任何要求。这样，阀门切换过程中如果投入功率闭环，则功率控制精度在3%以内；单阀/顺序阀切换也可以开环进行，显然此时负荷扰动的大小与阀门特性曲线的准确性及汽机运行工况有关。DEH系统的阀门管理程序不但确定了顺序阀时各调节阀的开启顺序，而且在两调节阀的有效升程之间设定了一定的重叠度，这样就能使前一阀还没开足之前就开始开启后一阀门，使汽轮机在所有调节阀总的升程内流量特性的线性度较好。
三、阀门的阀位流量特性对负荷波动的影响
汽轮机组的调节汽门的流量特性一般都采用厂家原有制定的特性曲线，而阀门的管理程序以流量请求信号为依据，通过阀门的特性曲线确定另一种方式下的阀位值。当原有的阀门流量特性曲线符合机组的真实值时，阀切换后负荷波动较小。但是由于机组在经过大修及日常维护过程中对阀门行程的调整，阀门的流量特性出现大的改变，如果不在DEH中对流量特性曲线进行修正而继续使用原来的特性曲线，将造成切换前后相同负荷指令下蒸汽流量不同，必将引起机组负荷大幅波动，给机组安全带来不利影响。因此在机组运行多年之后有必要重新进行阀门流量特性的测试，并通过新的流量特性曲线分析负荷大幅波动的原因，当计算流量对应的负荷与阀切换后实际负荷接近一致时，再进行阀门控制方式的切换，可避免出现负荷大幅波动。
四、阀门重叠度对负荷波动的影响
汽轮机采用顺序阀控制方式时，调节阀是依次开启的。如果后一个调节阀是在前一个调节阀开足后再开启，那么汽轮机总的阀位流量特性曲线是波浪形的，这将直接影响调节系统的静态特性，引起机组的负荷波动。为了避免这种情况的发生，通常在前一个调节阀还未开足前就开启后一调节阀，即两阀升程之间具有一定的重叠度，重叠度适中的曲线线性度好，负荷波动小，调节级效率也较高。
因此，调速汽阀重叠度大时，调节系统速度变动率小，可能会引起系统的不稳定，或者电网频率变化时汽轮机功率变动太小；调速汽阀重叠度小时，调节系统速度变动率就大。重叠度过小，汽轮机甩负荷时会有一个较大的转速飞升，引起动态超速。重叠度不当只表现在某些特定的工作点，根据机组的特征参数可知道这些负荷点大致的范围。按照设定的特征参数以绘出其在标准状态下的联合特性图，通过这种方法不仅可以在线诊断重叠度是否正常，而且还可以检测阀门的流量特性。
另外，调速汽阀重叠度过大，会发生两个调速汽阀同时以较大的节流向汽轮机供汽，节流损失增加，局部速度变动率变小，在此区域负荷易摆动。
五、减小负荷扰动的几个对策
1．通过调门特性试验校验GV的实际流量特性，合理设置各GV之间的重叠度，修改1、2、3、4号调门的特性参数，即改变流量指令输出至对应各调门的函数变换的曲线 使1、2号调门开启速度变缓。减小通过调门的蒸汽流量．使单阀一顺序阀的切换能平稳地进行．减小负荷波动 从而相应减小切换过程中对汽轮机重要参数的影响(如振动、瓦温等)．保证机组安全稳定地运行。
2．延长单阀一顺序阀的切换时间。由于1、2号调门为主要的进汽门，通流能力大，延长切换时间即延缓了1、2号调门的进汽量。3、4号调门相对1、2号调门通流能力较弱．虽然延长时间使得通过这2个调门的蒸汽流量降速变缓．但总体而言，通过时间的延长，相当于同等时间内DEH给出的负荷(流量)指令变化量减小．从而减小各高调门的变化量。亦可实现负荷的波动量减小。
3．改变由于单阀-顺序阀的切换点，将原设计≥30%额定负荷是进行单阀-顺序阀的切换点，改变为在机组冲转过程中，在转速回路控制下，机组转速在2950~3000r/min时进行阀门的单阀-顺序阀切换，此时进汽量的波动较小，此时不仅满足了前期对机组启动暖机的要求，同时对机组转速波动影响较小，转速波动一般在50r/min。
六、结语
阀门控制方式切换引起负荷波动可通过重新测量阀门流量特性曲线，优化阀门管理程序来消除；确定合理的阀门重叠度能够减少阀切换时的负荷波动，保证阀门切换的顺利进行；延长单阀-顺序阀的切换时间对较小负荷扰动有积极的效果；抽汽供热机组在3000r/min进行阀门切换有较好的效果。
参考文献：
[1]天津石化热电部50MW机组高压电调改造资料.
[2]文贤馗、申自明，汽轮机控制系统改造中阀门重叠度的研究[J].热力发电.2003（5）4143.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”