汽轮机低负荷单阀-顺序阀无扰切换运行的优化控制方法

赵大朋,范双双,孙天中,吴 哲,张 民,刘春晓

(1.吉林电力股份有限公司白城发电公司，吉林 白城 137000；2.东北电力大学，吉林 吉林 132012；3.中油电能热电一公司，黑龙江 大庆 163314)

0 引言

目前，为了提高新能源电力系统对具有不确定性风电、光伏发电的消纳比例，越来越多的大功率汽轮发电机组都参与灵活调峰运行[1]；甚至，还开展高效灵活二次再热机组的研制与应用工作[2]。为了提高机组长期低负荷运行的安全稳定性，不少汽轮机需要由顺序阀控制方式切换至单阀方式；但是，实际切换过程中不可避免的会存在一些影响机组安全经济运行的问题。很早就有大量关于汽轮机阀控方式切换方面的研究，一方面主要关注切换过程中影响机组自身运行安全性的轴系失稳问题[3-4]，涉及理论计算和试验方面研究不平衡汽流力的消除方法；另一方面主要关注阀控方式切换时产生负荷和主汽压的波动问题[5-6]，因为参数波动会给电网的安全可靠运行带来安全隐患[7-9]。同时，对于汽轮机单阀-顺序阀控制方式的无扰切换研究，工程中除了会针对流量特性曲线进行优化之外[10-11]，也有关于切换条件选择方面的研究[12]。此外，机组频繁参与调峰使得调节系统硬件磨损程度加大，不少汽轮机调节阀出现了一些影响调节性能的故障[13-14]，机组在阀控方式切换及变负荷运行时，都会出现参数扰动问题。然而，单纯依靠对配汽规律曲线进行优化设计使其与高调阀实际流量特性相匹配，即便是选择较好的切换条件、设置最佳的切换控制参数，最多也就是将负荷和主汽压力波动减小到一定范围，是无法从根本上消除这种参数波动问题。

综上所述，针对负荷及主汽压力波动的根源进行理论分析，提出一种可以从根本上解决切换过程中参数波动问题的汽轮机单阀-顺序阀的非线性自动无扰切换方法，对进一步改善大功率汽轮机灵活调峰的安全稳定性具有重要意义和价值。

1 现有单阀-顺序阀切换的控制方式及存在问题

目前，电网希望机组能够稳定参与调峰，因此低负荷工况下需要保证单阀-顺序阀配汽方式之间可以进行无扰切换，即切换过程中尽可能减小负荷波动，避免机组负荷波动对电网造成负面影响，从而危及电网的安全稳定性。然而，目前的单阀/多阀切换方式是无法真正实现负荷波动最小，达到无扰切换的目的。以某机组的典型配汽方式为例，如图1所示的是具有四个调节阀的2种配汽规律：单阀配汽(四个阀门动作一致)和顺序阀配汽(#1+#3→#4→#2，先开阀门#1和#3，再开#4，最后开#2)。以A处负荷点为例。机组启动后在此负荷点进行配汽方式的切换，由单阀配汽切换到多阀配汽#1+#3→#4→#2。现有的切换控制方式，切换开始时和切换结束时的蒸汽流量是相等的，即综合流量指令相等。由于阀门的流量特性为非线性的，切换过程中由阀门#2、#4关小所引起的蒸汽流量的减少量始终小于由阀门#1、#3开大所引起的蒸汽流量的增加量，所以这种切换规律必然会产生功率较大的波动。

图1 四个调节阀的两种配汽规律比较示意图

2 单阀-顺序阀的非线性自动无扰切换方法

2.1 无扰切换的理论依据

定义χ为综合流量指令，u为阀门开度，n为阀门个数，则两种配汽方式可表示为：

顺序阀配汽规律为

u1=f1(χ)
u2=f2(χ)
u3=f3(χ)
u4=f4(χ)

(1)

单阀配汽规律为

(2)

假设在负荷点χ0处由单阀切换到顺序阀，从t1时刻开始，t2时刻切换过程结束。

在切换开始，t1时刻时

(3)

以u1为例，在切换结束，t2时刻时有

u1=f1(χ0)

(4)

在切换过程中，t1时刻→t2时刻有

(5)

同理，u2、u3、u4也相同。

(6)

其中，t∈[t1,t2]，i=1,…,4；并且，有以下关系式成立

(7)

如图2所示，在B负荷点处从单阀切换到顺序阀，四个阀门都是随时间做线性动作的。

图2 现有技术B负荷点处配汽切换方式

无扰情况下，切换过程中负荷保持不变，即实际流量保持不变

q(t)=χ0，t∈[t1,t2]

(8)

2.1 无扰切换的实现方法

令第k个阀门在切换过程中随时间进行非线性动作，而其他n-1个阀门依然进行线性动作，使得对∀t′∈(0,t2-t1)存在以下关系

(9)

可转化为以下关系式

(10)

此时，实际流量为

q(t1+t′)=χ0+Δq(t1+t′)=χ0

(11)

第k个阀门用于抵消其他阀门由于开度和流量呈非线性而导致的总流量偏差，则

(12)

如图3所示，A负荷点作为切换点，此时选取#1阀门作非线性动作，其余3个阀门依然作线性动作；图4中，以B负荷点作为切换点，选取#1阀门作非线性动作；图5中，以C负荷点作为切换点，选取#2阀门做非线性动作。

图3 A负荷点处非线性自动无扰切换方式

图4 B负荷点处非线性自动无扰切换方式

图5 C负荷点处非线性自动无扰切换方式

对∀t′∈(t1,t2)，由于其他n-1个阀门依然进行线性动作，因此阀位ui(i=1,2,…,n且i≠k)可以得出，此时进行理论计算或实验，使得

(13)

切换点χ0和非线性切换阀门的选择规则：选取流量变化范围大的阀门作非线性运动。

切换规律优化设计方法：切换时只有第k个阀门是按照非线性规律动作的，而其他的阀门都是按照线性规律动作的；配汽方式的非线性切换规律可以由以下三种方案确定：实验方法确定切换方法、理论计算确定切换方法或实验与理论计算相结合的方法。

根据上述理论，实际中的高负荷、中负荷也可以设计常用的自动非方式线性无扰切换点。

2.3 非线性切换规律的获取方法

非线性切换规律可以通过实验确定：

(1)调节t′时刻下的阀位ui(i=1,2,…,n且i≠k)，然后调节阀位uk，直到使实际流量q(t′)=χ0，此时功率保持不变，即确定非线性规律上的第一个点；

(2)重复以上操作，就可以得到非线性切换规律上的一系列点，进行拟合，就能得到连续的非线性切换规律了。

此步骤不需理论计算，操作简单，精度基本满足实际运行需要。然而，缺点就是实验结果存在的随机性。

非线性切换规律还可利用理论计算实现：

(1)确定t′时刻下的阀位ui(i=1,2,…,n且i≠k)，计算出保持实际流量q(t′)=χ0所需的阀位uk，即确定非线性规律上的第一个点；

(2)重复以上计算，就可以得到非线性切换规律上的一系列点，进行拟合，就能得到连续的非线性切换规律了。

此步骤不需要进行实验，但需要准确的理论计算，而且得保证计算所需数据准确，才能够满足实际运行需要。

此外，上述的实验方法还可以与理论计算相结合：条件允许的电厂，还可以将理论计算与实验相结合，能够更好的辨识出机组高调门的实际流量特性，此步骤使得精度可以满足运行需要，也在一定程度上避免了实验结果的随机性。

3 结论

本文针对大功率汽轮机低负荷工况下单阀-顺序阀切换时出现的参数波动问题进行理论分析与研究，得到的结论如下：

(1)通过理论分析可以看出，高调阀具有非线性控制特性，切换时采用线性等比例开关控制方法会引起蒸汽流量的变化，这是切换过程中负荷及主汽压力产生波动的根源：

(2)现有切换方式产生参数波动是必然的，即便在对实际单阀和顺序阀流量特性控制曲线进行优化、选择合适工况点的条件下，也是无法完全消除切换过程中的参数波动问题；

(3)采用非线性自动无扰切换方法，可以从根本上解决切换过程中的参数波动问题。

本文对进一步改善大功率汽轮机灵活调峰的安全稳定性具有重要意义和价值。