一种基于调门最佳重叠度的汽轮机流量特性优化方法

摘要

本发明公开了一种基于调门最佳重叠度的汽轮机流量特性优化方法，步骤包括：预先针对各调门建立流量特性函数，确定各调门的最大蒸汽流量及最大蒸汽流量对应的最小开度；根据目标流量指令，按照顺序阀方式下调门的开启次序开启汽轮机的调门，且针对每一个已开启的调门，如果当前所有已开启调门的最大蒸汽流量之和不能满足要求，则在实际开度达到最大蒸汽流量对应的最小开度时开启下一调门，直至所有已开启调门的最大蒸汽流量之和满足要求。本发明不需在各调门后安装压力测点、重叠度准确度高、能够避免人为的主观性、弥补了现有作图法、经验估计法获取调门重叠度的不足，能够优化调门流量特性函数，提高汽轮机运行的稳定性和经济性。

说明书

技术领域

本发明涉及汽轮机自动控制技术领域，具体涉及一种基于调门最佳重叠度的汽轮机流量 特性优化方法。

背景技术

调门是汽轮机重要的调节机构。当汽轮机配汽采用顺序阀控制方式时，各调门按照预先 设定的次序依次开启。在前一调门尚未全开时，下一调门便要提前开启，这一提前开启的量 称为调门的重叠度。当汽轮机调门无重叠度或重叠度过小时，节流损失较小，机组的经济性 较高，但会造成机组负荷变化不均，调速系统速度变动率增大等；若重叠度过大，则会导致 节流损失增加，降低机组的经济性。在汽轮机安全稳定运行的基础上，通过设置合理的调门 重叠度，可以改善调节级效率，提高机组的经济性，降低发电成本。汽轮机调门流量特性是 指调门开度与通过调门的蒸汽流量之间的对应关系。通过设置合理的调门重叠度，可以增强 汽轮机流量指令与通过调门的实际蒸汽流量之间的线性度，从而保证汽轮机即具有良好的调 节品质，又具有较好的经济性。目前来说，汽轮机调门重叠度的确定方法主要有作图法或经 验估计法，其设置带有一定的主观性，不能较好地保证调门重叠度的合理程度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述问题，提供一种不需在各调门后安装 压力测点、重叠度准确度高、能够避免人为的主观性、弥补了现有作图法、经验估计法获取 调门重叠度的不足，能够优化调门流量特性函数，提高汽轮机运行的稳定性和经济性的基于 调门最佳重叠度的汽轮机流量特性优化方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于调门最佳重叠度的汽轮机流量特性优化方法，步骤包括：

1)预先在额定压力下、根据预设的顺序阀控制方式开启次序采用无重叠度方式开启或关 闭调门，且针对汽轮机的每一个当前进行开启或关闭的调门，按照指定的变化量逐步变化该 调门的开度，并计算该调门在不同开度下的蒸汽流量，根据不同开度下的蒸汽流量建立该调 门的流量特性函数，确定该调门的最大蒸汽流量及最大蒸汽流量对应的最小开度；

2)根据目标流量指令E，按照预设的顺序阀控制方式开启汽轮机的调门，且每开启一个 调门，如果当前所有已开启调门的最大蒸汽流量之和不能满足目标流量指令E的要求，则在 该调门的实际开度达到最大蒸汽流量对应的最小开度时开启下一个调门，直至当前所有已开 启调门的最大蒸汽流量之和满足目标流量指令E的要求。

优选地，所述步骤1)中计算该调门在不同开度下的蒸汽流量的详细步骤包括：首先获 取所有已开启调门的总流量，然后根据式(1)计算该调门在该开度下的蒸汽流量；

$G_i\left(L_i\right)=G_a-\underset{j=1}{\overset{i-1}{\Sigma }}{G}_{j\max }---\left(1\right)$

式(1)中，G_i(L_i)表示按照预设的调门开启次序的第i个调门在当前开度为L_i时的蒸汽 流量，G_a表示所有已开启调门的总流量，G_jmax为第j个调门的最大蒸汽流量。

优选地，所述获取所有已开启调门的总流量具体是指根据式(2)计算所有已开启调门的 总流量；

$G_a=\frac{P·P_{tr}}{P_r·P_t}\times 100\%---\left(2\right)$

式(2)中，G_a表示所有已开启调门的总流量，P表示第i个调门在L_i开度下检测得到的 汽轮机调节级压力，P_t为第i个调门在L_i开度下检测得到的汽轮机主汽压力，P_r为汽轮机的 额定调节级压力，P_tr为汽轮机的额定主汽压力。

优选地，所述步骤1)中按照指定的变化量逐步变化该调门的开度具体是指：按照指定 的变化量逐步增加该调门的开度直至该调门被完全打开，或者按照指定的变化量逐步减少该 调门的开度直至该调门被完全关闭。

优选地，所述指定的变化量为该调门开度的2％～5％。

优选地，所述步骤1)中建立该调门的流量特性函数的表达式如式(3)所示的K段线性 函数；

$G_i\left(L_i\right)=\frac{G_i^{j+1}-G_i^j}{L_i^{j+1}-L_i^j}[L_i-L_i^j]+G_i^j---\left(3\right)$

式(3)中，G_i(L_i)表示第i个调门在开度为L_i时的蒸汽流量值，表示第i个调门在K 段线性函数中的第j段线性函数起始时所对应的蒸汽流量，1≤j≤K；表示第i个调门与蒸汽 流量相对应的开度，调门的开度满足第i个调门的蒸汽流量取值范围为 [0,G_imax]，G_imax为第i个调门的最大蒸汽流量，且汽轮机所有调门的最大蒸汽流量之和为100％。

优选地，所述步骤2)的详细步骤包括：

2.1)根据目标流量指令E，将预设的顺序阀控制方式下的第一个调门作为当前调门；

2.2)开启当前调门i，检测所有已开启调门的最大蒸汽流量之和，如果所述最大蒸汽流 量之和小于目标流量指令E中的目标流量，则跳转执行步骤2.3)；否则跳转执行步骤2.4)；

2.3)逐步打开当前调门i直至当前调门i被完全打开，且在打开当前调门i的过程中检测 当前调门i的实际开度，在当前调门i的实际开度等于当前调门i最大蒸汽流量对应的最小开 度时，将下一个调门i+1作为新的当前调门，跳转执行步骤2.2)；

2.4)保持当前调门i后面的所有调门关闭，计算当前调门i所需的最终开度，逐步打开 当前调门i并检测当前调门i的实际开度，在当前调门i的实际开度等于最终开度后保持当前 调门i的实际开度并退出。

优选地，所述步骤2.4)中计算当前调门i的最终开度时采用的函数表达式如式(4)所 示；

$L_i=f[E-\underset{j=1}{\overset{i-1}{\Sigma }}{G}_j\left(L_j\right)]---\left(4\right)$

式(4)中，L_i表示当前调门i的最终开度，E表示目标流量指令，也即目标蒸汽总流量， G_j(L_j)表示在当前调门i之前已开启的阀门j在开度为L_j时的蒸汽流量；f表示为当前调门i 的流量特性函数的反函数。

本发明基于调门最佳重叠度的汽轮机流量特性优化方法具有下述优点：本发明根据各个 调门在不同开度下的蒸汽流量建立该调门的流量特性函数，各调门在其开度达到一定程度后 蒸汽流量基本保持不变的特性，确定该调门的最大蒸汽流量及最大蒸汽流量对应的最小开度， 并基于最大蒸汽流量对应的最小开度确认任意两个调门之间的最佳重叠度，即在调门的实际 开度达到最大蒸汽流量对应的最小开度时开启下一个调门，通过设置该最佳重叠度，能够增 强汽轮机流量指令与通过调门的实际蒸汽流量之间的线性度，从而保证汽轮机即具有良好的 调节品质，又具有较好的稳定性和经济性，而且本发明不需在各调门后安装压力测点、重叠 度准确度高、能够避免人为的主观性、弥补了现有作图法、经验估计法获取调门重叠度的不 足，能够优化调门流量特性函数。

附图说明

图1为本发明实施例一方法的基本流程示意图。

图2为本发明实施例一中第2个调门的流量特性函数的曲线。

图3为本发明实施例一中步骤2)的详细流程示意图。

具体实施方式

本实施例中的汽轮机4个调门，预设的顺序阀控制方式为先开启调门1和调门2，然后 再开启调门3，最后开启调门4，下文将以该预设的顺序阀控制方式为例，对本实施例基于调 门最佳重叠度的汽轮机流量特性优化方法进行进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例基于调门最佳重叠度的汽轮机流量特性优化方法的步骤包括：

1)预先在额定压力下、根据预设的顺序阀控制方式开启次序采用无重叠度方式开启或关 闭调门，且针对汽轮机的每一个当前进行开启或关闭的调门，按照指定的变化量逐步变化该 调门的开度，并计算该调门在不同开度下的蒸汽流量，根据不同开度下的蒸汽流量建立该调 门的流量特性函数，确定该调门的最大蒸汽流量及最大蒸汽流量对应的最小开度；

2)根据目标流量指令E，按照预设的顺序阀控制方式开启汽轮机的调门，且每开启一个 调门，如果当前所有已开启调门的最大蒸汽流量之和不能满足目标流量指令E的要求，则在 该调门的实际开度达到最大蒸汽流量对应的最小开度时开启下一个调门，直至当前所有已开 启调门的最大蒸汽流量之和满足目标流量指令E的要求。

本实施例中，步骤1)中按照指定的变化量逐步变化该调门的开度具体是指：按照指定 的变化量逐步增加该调门的开度直至该调门被完全打开。一般而言，指定的变化量取值为该 调门开度2％～5％之间均可。本实施例中，每增加一次调门开度则作为一个工况点，且每个 工况点稳定2分钟左右，且记录工况点的试验数据。本实施例中工况点的试验数据包括：调 节级压力P、主汽压力P_t、机组功率(用于作为目标流量指令E的目标流量)、调门的指令 (用于判断调门的精确度)及反馈(用于表征调门实际的开度)等主要参数。需要说明的是， 如果汽轮机流量特性不好，例如一个600MW的机组，假设目标功率为600MW，但实际发出 的功率却570MW，因此进入汽轮机的蒸汽量少，目标流量指令E和实际流量之间并非对应 的等价关系。本实施例中采用机组功率来记录作为目标流量指令E的目标流量，目的是克服 汽轮机目标功率和实际发出的功率不一致的问题。

汽轮机经过长时间运行和大修后，调门的行程会发生变化，蒸汽通过调门的流量也会发 生变化。本实施例通过步骤1)中的试验并计算调门在不同开度下的蒸汽流量，目的是获取 调门的开度和进入汽轮机的实际蒸汽流量之间的关系，从而对调门的重叠度及调门的流量特 性函数进行优化。本实施例中，步骤1)中计算该调门在不同开度下的蒸汽流量的详细步骤 包括：首先获取所有已开启调门的总流量，然后根据式(1)计算该调门在该开度下的蒸汽流 量；

$G_i\left(L_i\right)=G_a-\underset{j=1}{\overset{i-1}{\Sigma }}{G}_{jmax}---\left(1\right)$

式(1)中，G_i(L_i)表示按照预设的调门开启次序的第i个调门在当前开度为L_i时的蒸汽 流量，G_a表示所有已开启调门的总流量，G_jmax为第j个调门的最大蒸汽流量。

本实施例中，获取所有已开启调门的总流量具体是指根据式(2)计算所有已开启调门的 总流量；

$G_a=\frac{P·P_{tr}}{P_r·P_t}\times 100\%---\left(2\right)$

式(2)中，G_a表示所有已开启调门的总流量，P表示第i个调门在L_i开度下检测得到的 汽轮机调节级压力，P_t为第i个调门在L_i开度下检测得到的汽轮机主汽压力，P_r为汽轮机的 额定调节级压力，P_tr为汽轮机的额定主汽压力。

本实施例中，步骤1)中建立该调门的流量特性函数的表达式如式(3)所示的K段线性 函数；

$G_i\left(L_i\right)=\frac{G_i^{j+1}-G_i^j}{L_i^{j+1}-L_i^j}[L_i-L_i^j]+G_i^j---\left(3\right)$

式(3)中，G_i(L_i)表示第i个调门在开度为L_i时的蒸汽流量值，表示第i个调门在K 段线性函数中的第j段线性函数起始时所对应的蒸汽流量，1≤j≤K；表示第i个调门与蒸汽 流量相对应的开度，调门的开度满足第i个调门的蒸汽流量取值范围为 [0,G_imax]，G_imax为第i个调门的最大蒸汽流量，且汽轮机所有调门的最大蒸汽流量之和为100％。 如果所有调门全开时的总流量G_a为100％，第1个调门全开时总流量G_a为20％，前2个调门 全开时总流量G_a为50％；那么，则第2个调门的最大蒸汽流量G_2max的值为30％，根据第2 个调门在开启或关闭过程中的实际开度(0％～100％)(由调门反馈测得)和对应的蒸汽流量 (0％～30％)，可以建立两者之间的对应关系。需要说明的是，上述K段线性函数仅仅为本实 施例中建立该调门的流量特性函数的具体实例，毫无疑问本领域技术人员还可以根据调门在 不同开度下的蒸汽流量进行数据拟合得到其他类型的流量特性函数，在此不再赘述。

本实施例中，汽轮机的第2个调门的在不同开度下的蒸汽流量的试验数据如表1所示。 汽轮机的第2个调门的流量特性函数曲线如图2所示，其中横坐标为第2个调门的开度，纵 坐标为第2个调门的蒸汽流量，因此根据流量特性函数，能够方便地确定第2个调门的不同 开度所对应的蒸汽流量，从而能够快速找到第2个调门的最大蒸汽流量、最大蒸汽流量对应 的最小开度。

表1：第2个调门在不同开度下的蒸汽流量的试验数据表。

调门开度L_i(％) 蒸汽流量G_i(％) 0％ 0％ 6.13％ 3.08％ 19.15％ 10.25％ 27.58％ 15.36％ 34.48％ 20.13％ 44.43％ 24.58％ 55.16％ 27.69％ 65.12％ 29.78％

75.85％ 30.03％ 84.27％ 30.05％ 94.23％ 30.06％ 100％ 30.06％

参见表1和图2可知，本实施例中，第2个调门的最大蒸汽流量为30％，且第2个调门 最大蒸汽流量对应的最小开度为75％，因此将最大蒸汽流量对应的最小开度75％作为该调门 和下一个调门之间的最佳重叠度。依次类推，可以分别求得第3、4个调门的流量特性函数及 其最大蒸汽流量、最大蒸汽流量对应的最小开度。在计算得到各个调门的最大蒸汽流量对应 的最小开度后，1减去最大蒸汽流量对应的最小开度的差值即为该调门和下一个调门之间的 最佳重叠度；假设调门3最大蒸汽流量对应的最小开度为65％，则调门3和调门4之间的最 佳重叠度为1-65％＝35％。各个调门的重叠度获得后，设置在汽轮机的DCS系统(分布式控 制系统)中，此后相邻调门之间开启的重叠度固定不变。

如图3所示，步骤2)的详细步骤包括：

2.1)根据目标流量指令E，将预设的顺序阀控制方式的第一个调门作为当前调门；本实 施例中，目标流量指令E采用百分比形式表示，假设仍对某600MW机组，目标流量指令E 的范围为[0,100％]，对应的负荷指令范围为[0,600MW]；

2.2)开启当前调门i，检测所有已开启调门的最大蒸汽流量之和，如果所述最大蒸汽流 量之和小于目标流量指令E中的目标流量，则跳转执行步骤2.3)；否则跳转执行步骤2.4)；

2.3)逐步打开当前调门i直至当前调门i被完全打开，且在打开当前调门i的过程中检测 当前调门i的实际开度，在当前调门i的实际开度等于当前调门i达到最大蒸汽流量对应的最 小开度时，将下一个调门i+1作为新的当前调门，跳转执行步骤2.2)；假设调门3最大蒸汽 流量对应的最小开度为65％，则必须等到调门3的实际开度等于65％时，才开启调门4，这 样使得调门3和调门4之间的重叠度达到最佳。

2.4)保持当前调门i后面的所有调门关闭，计算当前调门i所需的最终开度，逐步打开 当前调门i并检测当前调门i的实际开度，在当前调门i的实际开度等于最终开度后保持当前 调门i的实际开度并退出。

本实施例中，步骤2.4)中计算当前调门i的最终开度时采用的函数表达式如式(4)所 示；

$L_i=f[E-\underset{j=1}{\overset{i-1}{\Sigma }}{G}_j\left(L_j\right)]---\left(4\right)$

式(4)中，L_i表示当前调门i的最终开度，E表示目标流量指令，也即目标蒸汽总流量， G_j(L_j)表示在当前调门i之前已开启的阀门j在开度为L_j时的蒸汽流量；f表示为当前调门i 的流量特性函数的反函数(本实施例中即为式(3)的反函数)。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，其主要不同点为：本实施例中步骤1)中按照指定的变 化量逐步变化该调门的开度具体是指按照指定的变化量逐步减少该调门的开度直至该调门被 完全关闭。毫无疑问，该方式和实施例一的方式一样，也可以实现对调门在不同开度工况点 下的蒸汽流量相关数据采集，在此不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡 属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本 发明的保护范围。