汽轮机阀门流量特性对电力系统的影响及其控制策略

朱建华

摘要：汽轮机阀门流量的特性在很大的程度上决定着电力系统的稳定性，对已有的相关文献进行查阅和分析，将本文中主要对汽轮机阀门的流量特性进行分析，并提出阀门流量特性的优化方法和汽轮机的改进控制策略。

关键词：汽轮机；阀门调节；流量特性；优化控制

引言

由于DEH系统具有擅长管理和可控制各种规格的汽轮机阀门的优势，大多数的电厂都通过DEH系统控制汽轮机，通过系统指令将流量转变为汽轮机阀门的开度，故阀门流量和开度之间存在着一定的关系，即阀门流量特性曲线。如果汽轮机在运行中阀门的实际流量与原流量特性曲线存在偏差，则会导致汽轮机的控制出现偏差，从而影响整个汽轮机机组的安全和负荷能力，最终可能导致机组系统出现剧烈震颤，并严重损害正在高速高负荷运行的机组。但在实际情况中，各个电厂汽轮机机组的制作与安装工艺不同、阀门的磨损程度不一、阀门的理论设计行程与实际行程存在差异，这种种原因均会使阀门流量与原流量特性曲线出现偏差。故需要对汽轮机阀门进行研究，对其流量特性曲线进行调整，以维持汽轮机机组的运行的稳定性，避免潜在的危害，以促进电厂随时代的发展而发展壮大。

1、轮机阀门流量特性的分析

汽轮机通流部分的设计是以经济功率为依据的，从汽轮机功率公式：

可以看出，调节进入汽轮机的蒸汽量D0可以调节出力，同时也可以调节蒸汽所做的功Δhtmac，二不同的配汽方式可以改变D0和Δhtmac的。在机组以顺阀的运行时，所采用的是喷嘴配汽的方式，汽轮机的第一级为调节级，调节级可分几个喷嘴组，当蒸汽通过全开的主汽门后，便可通过依次开启调节汽门通向调节级。正常情况下，一个调节汽门控制一个喷嘴组，而一个喷嘴组为3～6组。当负荷很小时，只开启一个调节汽门，即只有第一喷嘴组进汽，部分进汽度很小；当负荷增大使第一调节汽门接近全开时，第二调节汽门开启，第二喷嘴组才可以进汽且部分进汽度增大，依次类推。故只有部分开启的调节汽门中蒸汽节流较大，而全开的汽门中蒸汽流已减到最小，所以只有部分负荷时，机组的经济性较好，这就是喷嘴配汽的主要特点。由于各喷嘴组间存在间壁，所以即使全部的调节汽门全开，调节级仍然只是部分进汽，即在最大功率下调节级有部分进汽损失[1]。

二、阀门流量特性的优化方法

显而易见，汽轮机阀门本身是具有流量特征的，这是一个不可能随意发生变化的客观事实。所以，想要对阀门流量进行优化，最直接的方法就是对其实际工作的流量特性曲线进行优化，但由不同的汽轮机机组存在差异，优化的方式也不尽相同，因此对阀门进行优化存在着一定的复杂性和难操作性。对此，电厂工作人员只能根据阀门的实际流量曲线进行判断和识别，对实际流量特性曲线进行科学分析，从而优化阀门流量，维持电力系统的稳定性。具体操作为：在对阀门流量曲线进行优化前，对前人的工作进行总结，并对各个电力系统的不同阀门在运行时进行实际流量的测定并绘制其流量特征曲线，以此为基础来管理和优化阀门的实际工作流量曲线，然后再通过DEH系统对汽轮机的阀门下达专业的阀门流量指令和阀门开度指令。在此操作下，我们便可以按照自身电厂不同的汽轮机阀门进行合理的管理并优化实际流量曲线，从而加强对汽轮机蒸汽流量的控制，维持电力系统的稳定，促进各电厂的发展。此外，对汽轮机阀门的流量曲线优化还需要以各阀门曲线如单、顺阀的关系为基础。目前，汽轮机机组各阀门曲线主要存在着单、顺阀按比例设置，在已知的的理论研究中，对阀门曲线的管理主要有两种方式，第一种为单、顺阀采用合理比例和偏置修正模式；第二种为单、顺阀不同阀门之间采用不同的管理曲线。

而事实上，从已有的研究做的测试所得的阀门开度与蒸汽流量之间的关系曲线可知，两者之间呈现的是非线性关系。调节汽轮机调节系统的重要方法就是调节汽轮机阀门的流量曲线，根据阀门曲线的调节，将流量指令改变为对应的阀位指令。因此，在已建立的汽轮机模型中，阀门的流量特性本质上是与等效阀位和蒸汽流量间的关系相对应的，而在此情况下，通常忽略系统所受到的阀门流量特征的影响，故给汽轮机和其调速系统建立数学模型就必须要考虑汽轮机阀门特性曲线的调整是否会造成影响[2]。

三、汽轮机的改进控制策略

要对汽轮机控制上所存在的问题进行改进，需要以大量的事实为依据，因此对机组进行多次的仿真实验和和实际实验，得出以下结论：当机组功率发生持续性波动时，为了快速平息该持续性波动，需要将汽轮机机组的负荷机动自动控制切换为手动控制，但由于控制模式的切换需要运行人员进行人工切换，故在某种程度上增加了不确定的人为主观因素。在2008年，南方电网曾发生过一起因机组低频振荡所引起的事故，当时发生的事故的是红河电厂的2号机组，其当时的功率持续波动时间已超过了6分钟，然而在这六分钟内，2号机组的运行人员并未发现也没有采用预定的干预措施，最终给电厂造成了无法挽回的损失。由此事故可知，在对汽轮机机组控制策略上进行改进的同时，必须加强对工作人员的意识，极力避免人为主观因素对汽轮机控制策略的影响。

如果从汽轮机的控制策略角度出发，我们可以认为汽轮机功率的波动是由于控制器的过度调节所导致的，所以在对汽轮机所配备的控制系统进行比例-积分-微分控制環节后，应该增加对汽轮机速率限制的环节，通过限制速度的方法来避免由于过度调节导致的震动性波动。在此改进过后，便能够实现在阀门流量特性不佳的情况下，对汽轮机的控制策略可以减小控制器的过度调节，从而进一步抑制汽轮机机组的功率波动。只有在改进机组控制策略和原始机组控制策略都处于正常运作的情况下，改进的机组控制策略才能不影响控制系统的调节品质；只有在汽轮机阀门流量与实际流量特性曲线互不相符时，汽轮机的安全性和变负荷能力才会受到影响。在对控制策略改进后，汽轮机负荷与蒸汽流量曲线的连续性和线性程度均得到了改善，从而进一步提高了汽轮机机组的自动化水平和生产效率[3]。

四、结束语

通过对汽轮机阀门流量自身特性对电力系统的影响的研究发现，当汽轮机阀门流量特性发挥发挥不佳时，汽轮机机组在一定的范围内会发生功率的波动，当波动的频率与电力系统的频率发生振时，有可能导致电网低频和震荡。通过对汽轮机机组系统控制策略进行改进，可以有效抑制机组功率波动。

参考文献：

[1.] 焦敬东.汽轮机阀门流量特性对电力系统的影响及其控制分析[J].科技创新导报，2012（27）：76.

[2.] 盛锴，刘复平，刘武林，寻新，王伯春，李劲柏. 汽轮机阀门流量特性对电力系统的影响及其控制策略[J].电力系统自动化，2012，36（7）：104-109.

[3.] 徐厚达. 汽轮机阀门流量特性对电力系统的影响及其控制策略[J].信息化建设，2015（12）：273.