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        汽輪機(jī)組順序閥配汽函數(shù)整定仿真

        2021-07-16 10:43:04王小波李侶吳輝吳楊輝萬(wàn)忠海
        江西電力 2021年6期
        關(guān)鍵詞:開(kāi)度汽輪機(jī)特性

        王小波,李侶,吳輝,吳楊輝,萬(wàn)忠海

        (1.南昌科晨電力試驗(yàn)研究有限公司,江西 南昌 330096;2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院,江西 南昌 330096;3.國(guó)家電投集團(tuán)江西電力有限公司新昌發(fā)電分公司,江西 南昌 330117)

        0 引言

        伴隨著社會(huì)用電峰谷差幅日益擴(kuò)大以及可再生能源發(fā)電和特高壓輸電等非調(diào)頻電量占比逐年迅猛攀升,煤電汽輪機(jī)組深度調(diào)頻調(diào)峰運(yùn)行已成為常態(tài),這對(duì)部分負(fù)荷下汽輪機(jī)組變工況特性產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響[1]。現(xiàn)代汽輪機(jī)組廣泛采用數(shù)字電液控制系統(tǒng)(digital electro-hydraulic control system,DEH)進(jìn)行閥門管理[2]。通常將DEH系統(tǒng)流量指令(Flow Demand Energy Management,F(xiàn)DEM)與汽輪機(jī)實(shí)際進(jìn)汽流量百分比之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系視為汽輪機(jī)組調(diào)門流量特性[3]。DEH系統(tǒng)通過(guò)其內(nèi)置的配汽函數(shù)將接收到的總調(diào)門開(kāi)度轉(zhuǎn)化為每個(gè)調(diào)門的調(diào)門開(kāi)度來(lái)負(fù)責(zé)調(diào)門(組)進(jìn)汽流量的非線性矯正及綜合管理。由于間接法配汽組態(tài)模式將FDEM流量指令(即實(shí)際流量需求)轉(zhuǎn)換為臨界流量需求來(lái)統(tǒng)籌單閥方式和順序閥方式的配汽管理,中間函數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多,現(xiàn)場(chǎng)整定及實(shí)施困難較大,準(zhǔn)確性不高[4]。大量研究顯示,數(shù)值仿真具有積極的理論指導(dǎo)作用,可有效提升實(shí)踐能力與工作成效。文中針對(duì)間接法配汽函數(shù)特征,借助德國(guó)STEAG電站能源公司Ebsilon Professional電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件開(kāi)展汽輪機(jī)順序閥配汽函數(shù)整定的仿真建模,為汽輪機(jī)組調(diào)門流量特性整定工作提供技術(shù)參考。

        1 配汽函數(shù)組態(tài)

        DEH系統(tǒng)配汽函數(shù)直接決定著FDEM流量指令與各調(diào)門開(kāi)度的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系。在間接法配汽函數(shù)組態(tài)中,流量指令(FDEM)經(jīng)過(guò)若干中間函數(shù)的換算形成每個(gè)高壓調(diào)門的調(diào)門開(kāi)度(見(jiàn)圖1)。其中:背壓修正函數(shù)F(X1)反映了順序閥下的實(shí)際流量與臨界流量的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系,其負(fù)責(zé)將流量指令(FDEM)需求轉(zhuǎn)換為臨界流量需求;流量分配函數(shù)KX+B依據(jù)順序閥各調(diào)門(組)在既定閥序(如CV1|CV2→CV3→CV4)下所對(duì)應(yīng)的臨界流量控制范圍,將臨界流量需求依次分配給各調(diào)門(組);函數(shù)F(X2)負(fù)責(zé)推遲或提前順序閥下前、后開(kāi)啟的調(diào)門間的臨界流量需求,以生成一定的調(diào)門重疊度;單閥流量修正函數(shù)F(X3)為單閥方式下的流量指令(FDEM)與臨界流量的數(shù)值轉(zhuǎn)換關(guān)系;函數(shù)F(X4)依據(jù)單個(gè)調(diào)門的調(diào)門開(kāi)度與所控制的臨界流量之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系。間接法配汽函數(shù)將上述單閥、順序閥各自輸出的臨界流量需求轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的調(diào)門開(kāi)度。

        圖1 間接法配汽函數(shù)組態(tài)示意圖

        由于汽輪機(jī)調(diào)門屬于快開(kāi)型調(diào)節(jié)閥,其調(diào)門流量特性(數(shù)值上表征為調(diào)門開(kāi)度與進(jìn)汽流量百分比之間的函數(shù)關(guān)系)具有典型的非線性特征。這一非線性特征不僅與調(diào)門(含預(yù)啟閥)結(jié)構(gòu)、閥桿全行程位移以及汽輪機(jī)通流結(jié)構(gòu)等密切相關(guān),而且還受到運(yùn)行工況的影響,較為典型的就是同一調(diào)門所處閥門開(kāi)啟順序不同,其流量特性的數(shù)值表征函數(shù)亦不相同。對(duì)于間接法配汽函數(shù)而言,各中間函數(shù)能否正確反映出各調(diào)門的非線性特征,直接影響到汽輪機(jī)組流量特性的線性程度,即配汽函數(shù)的整定質(zhì)量。

        2 順序閥流量特性整定仿真

        2.1 仿真計(jì)算模型簡(jiǎn)介

        文中以某660 MW等級(jí)超臨界四閥三步序噴嘴配汽機(jī)組(閥序?yàn)镃V1/2→CV3→CV4)為研究對(duì)象[5],借助德國(guó)STEAG電站能源公司Ebsilon Professional電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件,開(kāi)展汽輪機(jī)順序閥配汽函數(shù)整定的仿真研究。建模過(guò)程中,調(diào)門模型根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 534-22確定調(diào)門流量系數(shù)和開(kāi)度;噴嘴組模型則根據(jù)制造廠提供的調(diào)節(jié)級(jí)通用特性數(shù)據(jù)進(jìn)行變工況計(jì)算。將單個(gè)調(diào)門和單個(gè)噴嘴組串聯(lián)后再相互并聯(lián),即可構(gòu)建成汽輪機(jī)組的配汽端模型(見(jiàn)圖2)。

        圖2 配汽端模型結(jié)構(gòu)示意圖

        仿真機(jī)組在四閥全開(kāi)工況(valve wide open,VWO)下的主汽壓力/主汽溫度/熱再溫度/調(diào)節(jié)級(jí)壓力/背壓等參數(shù)依次為24.2 MPa/566℃/566℃/19.08 MPa/5.5 kPa。為便于設(shè)定,Design工況下的進(jìn)汽流量設(shè)為2 000 t/h,并以2 t/h間隔新建各off-design工況,依次計(jì)算得到各工況下的調(diào)門開(kāi)度。以Design工況(即VWO工況)下的進(jìn)汽流量為標(biāo)幺值,得到off-design工況下的進(jìn)汽流量的相對(duì)百分比,稱為基準(zhǔn)進(jìn)汽流量百分比(下文簡(jiǎn)稱基準(zhǔn)流量)。將基準(zhǔn)流量視為FDEM指令并以其為橫坐標(biāo),各調(diào)門開(kāi)度為縱坐標(biāo),便可得到仿真機(jī)組的實(shí)際配汽曲線(見(jiàn)圖3)。

        圖3 實(shí)際配汽曲線

        順序配汽法是依照既定閥序特性配汽機(jī)理,提取順序閥流量特性試驗(yàn)(零重疊度)過(guò)程中各閥依次全行程關(guān)閉時(shí)記錄的相關(guān)參數(shù)計(jì)算得到函數(shù)F(X4)[4]。下文依照此法,遵循既定閥序數(shù)值映射的配汽原則,對(duì)off-design工況仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,得出整定配汽曲線,并與實(shí)際配汽曲線進(jìn)行比較。

        2.2 中間函數(shù)的獲取

        以Design工況為基準(zhǔn)工況,提取各off-design工況下的相關(guān)熱力參數(shù),依據(jù)式(1)得到變工況下進(jìn)汽流量的相對(duì)值[3],稱為實(shí)際進(jìn)汽流量百分比(下文簡(jiǎn)稱實(shí)際流量)。

        式中:G為實(shí)際流量;G1、G10分別為汽輪機(jī)變工況和VWO工況下的進(jìn)汽流量;p1、p10為汽輪機(jī)變工況和VWO工況下的調(diào)節(jié)級(jí)壓力;p2、p20為汽輪機(jī)變工況和VWO工況下的高壓缸排汽壓力;v1、v10為汽輪機(jī)變工況和VWO工況下的調(diào)節(jié)級(jí)比容。

        由于Ebsilon軟件中的汽輪機(jī)模塊遵循Stodola公式,故而,以式(1)表征的實(shí)際流量與基準(zhǔn)流量基本一致(見(jiàn)圖4)。

        圖4 實(shí)際流量與基準(zhǔn)流量

        2.2.1 背壓修正函數(shù)F(X1)

        將各off-design工況主汽參數(shù)、調(diào)節(jié)級(jí)參數(shù)等代入式(2),計(jì)算出與實(shí)際流量相對(duì)應(yīng)的臨界流量,即為順序閥背壓修正函數(shù)F(X1)曲線[3](見(jiàn)圖5)。

        圖5 背壓修正函數(shù)

        式中:G、Gcr分別為實(shí)際流量和臨界流量;β為流量比;εn為級(jí)壓比,;Po為主汽壓力;εcr9為級(jí)臨界壓比。

        2.2.2 KX+B流量分配函數(shù)

        將既定閥序下單個(gè)調(diào)門全關(guān)和全開(kāi)時(shí)的臨界流量以及調(diào)門開(kāi)度進(jìn)行線性折算,即可獲得單個(gè)調(diào)門的KX+B流量分配函數(shù),詳見(jiàn)表1。

        表1 流量分配函數(shù)

        2.2.3 重疊度函數(shù)F(X2)

        文中著重探討順序閥無(wú)重疊度配汽函數(shù)的整定,關(guān)于重疊度函數(shù)的設(shè)定具體見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

        2.2.4 調(diào)門流量開(kāi)度函數(shù)F(X4)

        提取各off-design工況下的相關(guān)熱力參數(shù),整理出單個(gè)調(diào)門全關(guān)和全開(kāi)時(shí)的臨界流量;并以兩者差值為標(biāo)幺值,逐一計(jì)算,可得到該調(diào)門開(kāi)度從0至100%過(guò)程中的相對(duì)臨界流量,即調(diào)門流量開(kāi)度函數(shù)F(X4)[4],見(jiàn)圖6。

        圖6 調(diào)門流量開(kāi)度函數(shù)

        2.3 整定配汽曲線

        在圖1配汽函數(shù)相應(yīng)位置代入以上計(jì)算得到的F(X1)、K/B及F(X4)等中間函數(shù),即可得到順序閥方式(無(wú)重疊度)下FDEM指令與各調(diào)門的開(kāi)度,即整定配汽曲線(見(jiàn)圖7)。

        圖7 “順序配汽”整定配汽曲線

        由圖7可知,依照文獻(xiàn)[4]所給出的“順序配汽”法,所得整定配汽曲線與實(shí)際配汽曲線基本一致。

        2.4 其他問(wèn)題

        2.4.1 末序配汽法

        在一部分試驗(yàn)過(guò)程中,在其他調(diào)門處于全開(kāi)狀態(tài)下,采用“末序配汽”法獲取調(diào)門的流量開(kāi)度函數(shù)F(X4)[4]。由于仿真機(jī)組,各調(diào)門對(duì)應(yīng)噴嘴數(shù)均相同且未考慮調(diào)門的個(gè)體差異,因此,根據(jù)“末序配汽”法計(jì)算得出的CV1/2和CV3的F(X4)函數(shù)均與圖6中的CV4相同。顯然,末序配汽未考慮閥門開(kāi)啟順序?qū)τ谡{(diào)門流量特性的影響。由圖8可知,在“末序配汽”整定配汽曲線中僅CV4與實(shí)際配汽曲線一致,而CV3和CV1/2等越是偏離末序位置者,與實(shí)際配汽曲線的差異越大。

        圖8 “末序配汽”整定配汽曲線

        2.4.2 級(jí)臨界壓比的取值

        在間接法配汽過(guò)程中,每一中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)都與臨界流量有關(guān)。仿真顯示,級(jí)臨界壓比在合理范圍內(nèi)(如0.51~0.55)取值不影響配汽曲線的整定效果,但須保證各中間函數(shù)所取級(jí)臨界壓比前后一致。

        3 結(jié)語(yǔ)

        配汽函數(shù)能否正確反映高壓調(diào)門(組)的非線性特征直接決定了汽輪機(jī)組流量特性的線性度。針對(duì)間接法配汽組態(tài)的結(jié)構(gòu)特征,遵循既定閥序數(shù)值映射的配汽原則,可準(zhǔn)確反映并還原出高壓調(diào)門(組)的非線性特征,對(duì)于提升該類型機(jī)組的配汽函數(shù)整定質(zhì)量具有積極意義。

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