引言
目前火電機組汽輪機大部分採用數字電液控制系統(DEH)控制，DEH提供閥門管理和單閥/順序閥切換功能。在單閥方式下，高壓調節門保持相同開度，汽輪機全周進汽，有利於汽輪機本體均勻受力受熱，但低負荷時節流嚴重，經濟性差。在順序閥方式下，高壓調節門按一定順序開啟，減少因調門開度過低造成的節流損失，提高機組的經濟效益。
閥門流量特性是閥門開度與通過閥門的蒸汽流量的對應關係，如果汽輪機閥門流量特性函數與實際閥門流量特性相差較大，在機組變負荷和一次調頻時，可能出現負荷突變和調節緩慢的問題，造成機組控制困難，影響機組的安全性和變負荷能力。在順序閥方式下，如果調節閥重疊度設置不合理，也會影響機組投入順序閥的經濟性。
通過對DEH閥門流量特性進行優化，計算出切合機組實際情況的閥門流量特性曲線，能使機組在單閥/順序閥切換過程中更平穩，負荷擾動更小，主汽溫度、壓力等參數更穩定，汽輪機的瓦溫、振動得到一定的改善，增強了機組變負荷和一次調頻的能力，提高了機組運行的經濟性和控制的穩定性。
一、某30OMW機組閥門流量特性優化試驗
2007年10月，對某300MW機組進行了汽輪機閥門流量特性優化試驗。該機組是東方電氣集團公司提供的300MW亞臨界機組，DEH採用ABB公司白INFI-90分散控制系統。該機組在投入運行后存在的主要問題是順序閥方式下變負荷及一次調頻試驗時有較大的負荷突變，突變值可達30MW或更多，同時引起汽輪機軸系振動變化。產生負荷突變的區域是200MW左右，正是機組低負荷運行的主要工作區域，嚴重影響了機組的安全性和經濟性。此外，在單閥方式下，當閥位開度指令在90%時，機組負荷有自發的波動，功率迴路和協調、AGC不能投入，機組控制困難。在這種情況下，決定進行閥門流量特性優化試驗。
1.1 試驗過程
閥門流量特性優化試驗分順序閥試驗和單閥試驗2個部分。在順序閥方式下，DEH開環控制，機組初始負荷在190MW左右，控制主汽壓力在 15.4MPa左石，CV3、CV4閥全關，此時閥門流量指令值約為68%。以每級0.3%-2.0%的速度增加閥門流量指令(每增加1級穩定1-2min，以保持主汽壓穩定)直到CV3、CV4閥全開，流量指令為100%。然後進行單閥/順序閥切換，切換后，在單閥方式下，以每級0.3%-2.0%的速度減少閥門流量指令 (每減少1級穩定1-2min，以保持主汽壓穩定)直到機組負荷為180MW左右時結束試驗。試驗過程中保持主汽壓、主汽溫度、真空的相對穩定。記錄機組調節級壓力、主汽壓力、CVl-CV4閥后壓力、發電機功率、CVl-CV4閥位、閥位指令、負荷指令等參數。
1.2 順序閥方式下閥門流量特性優化計算
順序閥方式下閥門流量特性試驗數據如表1所示，表中流量差值指流量指令與計算流量的差值。從表1可看出，當流量指令在68%、70%-75%、81%-87%這3個區段時，流量指令與計算流量之間差值較大，特別是流量指令從68.0%變化到72.1%時，計算流量差值從9.3%變化到-4.2%，試驗時各流量指令下機組負荷占額定功率的比值，與計算流量比較接近，與流量指令相差較大。這充分說明當時的順序閥控制方式下閥門流量特性曲線與實際情況嚴重不吻合。
相臨的2個閥門在開啟時有一定的重疊度，通常認為，當閥后壓力/主汽壓為0.95-0.98時，閥門就算全開。重疊度的選取關係到變負荷過程中負荷的穩定，更關係到順序閥方式下的經濟性。由於每個CV閥的特性不一定相同，重疊度的選取要經過方案比較，一般以前一個閥門開至閥后壓力/主汽壓為0.85-0.90時后一個閥開始開啟為合適。試驗中發現，CVl閥后壓力為10.77MPa時CV3就開始開啟，僅占當時主汽壓15.41lMPa的0.70，可以通過優化減少閥門重疊度，提高機組經濟性。
根據試驗數據，經合理簡化、計算及選取合適的重疊度，擬合出與實際情況較吻合的順序閥方式下優化后的閥門流量特性函數，優化前後的順序閥閥門流量特性曲線對比如圖1所示。
1.3 單閥方式下閥門流量特性優化計算
單閥方式下閥門流量特性試驗數據如表2所示，從表2可看出，當流量指令在60%-90%時與計算流量差值較大，在60%左右時差值達到了26.8%，特別是流量指令從94%變化到91%時，與計算流量的差值從7.7%變化到20.5%，這將嚴重影響控制的穩定性。而試驗時各流量指令下機組負荷占額定功率的比值，與計算流量也比較接近，與流量指令相差較大。這充分說明當時的單閥控制方式下閥門流量特性曲線與實際情況相差很大。
根據試驗數據，經合理簡化、計算及保留原有的預啟開度，擬合出與實際情況較吻合的單閥方式下優化后的閥門流量特性函數，優化前後的單閥閥門流量特性曲線對比如圖2所示。
二、優化前後的安全性和經濟性比較
優化前機組在單閥方式下，若負荷為2l0MW左右，主汽壓力15.2MPa，此時機組的流量指令在91%左右。在原特性曲線的情況下，DEH開環控制時，如果要求增加9MW負荷，即增加3%的流量指令(閥門流量特性與實際流量完全吻合的情況下)，流量指令增加到94%左右，此時機組負荷可能增加到260MW，增加值達50MW，流量指令和實際負荷變化值相差過大。機組投入協調控制時，DEH類似開環控制，雖然汽輪機主控迴路可以保持機組負荷一定的穩定性，但也不可避免出現大的負荷超調;機組在投入一次調頻時，由於一次調頻的動作特點更有可能出現大的負荷超調，影響機組控制的穩定性和安全性。
優化前機組在順序閥方式下，若負荷為180MW左右，主汽壓力15.2MPa，此時機組的流量指令在68%左右，在原特性曲線的情況下，DEH開環控制時，如果要求增加9MW負荷，即增加3%的流量指令，流量指令增加到71%左右，此時機組負荷可能增加到232MW，增加值達52MW，同樣會出現比較大的負荷超調。負荷的快速變化，還將引起汽輪機軸系振動的變化，影響了機組的安全性。
對於一台機組，如果部分區段存在實際負荷比流量指令變化值大的情況，則在另一部分區段存在改變流量指令時負荷變化很少的情況，這將影響機組在投入AGC和一次調頻時變負荷的性能。
該機組採用優化后閥門流量特性曲線后，實際負荷和流量指令的變化值基本同步，控制的穩定性明顯改善，機組負荷的穩定也使鍋爐燃燒更穩定，以前一直不能投入的一次調頻也能正常投入了，AGC負荷控制的跟隨性得到大幅改善，機組運行的安全性得到了提高。
機組在順序閥方式下，高壓調節門按一定順序開啟，減少因調門開度過低造成的節流損失。優化閥門流量特性曲線可以改變重疊度，改善機組的經濟性。表3是順序閥方式下，機組優化前後花60%-80%負荷下的閥門開度情況。
在優化前的閥門流量特性曲線情況下，180-240MW區段存在3個調門都節流的情況，機組實際運行中，為避開68%-72%的流量突變區，一般選擇在流量指令為72.1%時即CVl、CV2開度62%, CV3開度11%的工況下運行，通過改變機前主汽壓來變負荷(在68%-72%的流量突變區，由於CV3節流過大，機組控制困難，存在軸系振動不穩定情況)。在優化后的閥門流量新特性曲線情況下，通過減少CVl、CV2和CV3的重疊度，一般選擇在CVl、CV2開度比較大、CV3全關的工況運行(68%-72%都可以)，減少了1個調門節流，加上在新的特性曲線下可進一步優化主汽壓滑壓曲線，在低負荷下可減少2g/(kW.h)左右的煤耗，具有相當可觀的經濟效益。
三、結語
汽輪機閥門流量特性曲線一般由DEH廠家按汽輪機廠家提供的技術參數進行預設置，理論上與閥門實際特性能夠對應，但由於閥門製造、組裝等方面的因素，閥門實際特性與預設參數存在偏差，有的還嚴重影響了機組的安全經濟運行。另外，機組調門進行檢修或更換后，都有可能改變原來的特性曲線，需要進行一定程度的調整。從提高機組AGC和一次調頻性能及節能降耗的角度，都需對這些機組進行閥門流量特性優化試驗。從已完成試驗的某300MW、200MW機組的應用情況看，閥門流量特性優化試驗都提高了控制穩定性和運行經濟性。
