CN104214415B - 一种汽轮机高压缸进汽调节阀开度信号软测量方法 - Google Patents

Abstract

一种汽轮机高压缸进汽调节阀开度信号软测量方法，所述方法实时测量汽轮机一级压力p ₁和汽轮机前蒸汽压力p _t，并利用下式计算汽轮机高压缸进汽调节阀开度O _V：，其中，K _v为汽轮机流量‑差压系数，通过标定获得。本发明对除高压缸进汽调节阀之外的包括主汽阀、蒸汽管道、汽轮机调节级等节流件或阻力件引起的压力损失进行补偿，使得进汽调节阀开度更接近于其真实开度，大大提高了进汽调节阀开度的控制精度，从而有效改善了应用高压缸进汽调节阀开度的协调控制系统在高负荷下的控制效果。此外，本方法还具有计算简单，实施方便等优点。

Description

一种汽轮机高压缸进汽调节阀开度信号软测量方法

技术领域

本发明涉及一种汽轮机高压缸进汽调节阀开度信号的测量，属于发电技术领域。

背景技术

对于大型火电机组，高压缸进汽调节阀是调节汽轮机进汽流量，进而调节机组发电负荷的关键设备。300MW级以上汽轮机安装4只高压缸进汽调节阀，可以按照4只阀门同步开启（单阀）或4只阀门依次开启（顺阀）方式工作。由于4只调节阀机械开度与进入汽轮机蒸汽流量之间存在着复杂的非线性关系，所以在汽轮机DEH（数字电液）系统中，通常采用汽轮机厂家给出的4只调节阀机械开度与阀门流通面积来综合计算高压缸进汽调节阀的等效开度，简称汽轮机高压缸进汽阀开度，用于指示设备的工作状态。但其计算过程非常复杂，在控制中只用于代表执行机构的位置反馈。

在火电机组锅炉汽轮机协调控制系统中，由于被控对象具有多变量强耦合、大惯性、大迟延、非线性等特性，现场协调控制系统的设计和调试都比较困难，许多机组发电负荷、蒸汽压力的控制指标都不能达到国家及行业规范要求。而被控对象存在的主要非线性来自于汽轮机高压缸进汽调节阀的乘积非线性，即进入汽轮机的蒸汽流量近似正比于汽轮机高调门开度与汽轮机前蒸汽压力的乘积。这一特性导致在不同负荷下被控对象的增益和惯性出现变化。这使得协调控制系统负荷指令前馈环节以及PID（比例积分微分）控制器参数非常难以整定，经常需要牺牲其控制品质来保证50%-100%负荷范围内的全局稳定性。

在协调控制系统中，对此非线性进行补偿需要采用不同技术原理且简洁有效的方式计算汽轮机高压缸进汽调节阀开度。在火电机组自动控制系统中，广泛采用汽轮机一级压力除以汽轮机前蒸汽压力来代表汽轮机高压缸进汽调节阀开度。以DEB（直接能量平衡）协调控制方案为例，其锅炉侧PID控制器采用能量信号的偏差作为输入，如式1。

（1）

其中：ΔE为锅炉侧控制器偏差输入，MPa；p₁为汽轮机一级压力，MPa；p_t为汽轮机前蒸汽压力实际值，MPa；p_sp为汽轮机前蒸汽压力设定值，MPa；C_b为计算锅炉蓄热系数，s；p_d为锅炉汽包蒸汽压力实际值，MPa。

DEB方案中，p₁/p_t代表汽轮机高压缸进汽调节阀开度，其与压力设定值p_sp的乘积代表汽轮机的能量需求；而p₁+C_bdp_d/dt为锅炉实际提供能量，锅炉侧控制器的主要作用即维持锅炉提供的能量与汽轮机需求能量之间的平衡，当两者平衡后，汽轮机前蒸汽压力实际值恰好等于设定值。

但在实际应用中，这一处理方法存在较大误差。其原因是，实际机组中，测量p_t的位置在蒸汽进入汽轮机前的主蒸汽管道上，而测量p₁的位置在汽轮机第一作功级，中间相隔汽轮机主汽阀、汽轮机高压缸进汽调节阀、汽轮机调速级以及蒸汽管道等众多节流件或阻力件。这意味着除汽轮机高压缸进汽调节阀外，其它阻力件也会造成压力损失。这样，即使汽轮机高压缸进汽调节阀开度达到100%时，p₁也不是等于p_t，而是小于p_t一个数值。这样，采用p₁/p_t计算得到的汽轮机高压缸进汽调节阀开度总是小于汽轮机高压缸进汽调节阀的实际开度，并且实际开度越大时误差越大。进而导致DEB控制系统高负荷下控制品质变差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种构造简单、误差小、易于实施的一种汽轮机高压缸进汽调节阀开度信号软测量方法，它能够改善DEB控制系统在高负荷下的控制品质。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种汽轮机高压缸进汽调节阀开度信号软测量方法，所述方法实时测量汽轮机一级压力（MPa）和汽轮机前蒸汽压力（MPa），并利用下式计算汽轮机高压缸进汽调节阀开度（无量纲）：

，

其中，K_v为汽轮机流量-差压系数，1/MPa，通过标定获得。

上述汽轮机高压缸进汽调节阀开度信号软测量方法，所述汽轮机流量-差压系数的标定方法为：在机组90%-100%额定发电负荷下，待机组进入稳定工况后，将机组协调控制系统切为手动方式，然后手动将汽轮机高压缸进汽调节门开度设置为100%，等待汽轮机前蒸汽压力和汽轮机一级压力均稳定后，分别记录汽轮机前蒸汽压力和汽轮机一级压力，按照下式计算汽轮机流量-差压系数K_v：

其中：p_tE为汽轮机高压缸进汽调节门开至100%时记录的汽轮机前蒸汽压力，MPa；p_1E为汽轮机高压缸进汽调节门开至100%时记录的汽轮机一级压力，MPa。

本发明对除高压缸进汽调节阀之外的包括主汽阀、蒸汽管道、汽轮机调节级等节流件或阻力件引起的压力损失进行补偿，使得进汽调节阀开度更接近于其真实开度，从而有效改善了应用高压缸进汽调节阀开度的协调控制系统在高负荷下的控制效果。此外，本方法还具有构造简单，实施方便等优点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1是实现汽轮机高压缸进汽调节阀开度软测量的组态逻辑。

图中和文中各符号清单为：D表示除数，N表示被除数，为汽轮机流量-差压系数，1/MPa；ΔE为锅炉侧控制器偏差输入，MPa；p₁为汽轮机一级压力，MPa；p_t为汽轮机前蒸汽压力实际值，MPa；p_sp为汽轮机前蒸汽压力设定值，MPa；C_b为计算锅炉蓄热系数，s；p_d为锅炉汽包蒸汽压力实际值，MPa，为汽轮机高压缸进汽调节阀开度，无量纲；p_tE为汽轮机高压缸进汽调节门开至100%时记录的汽轮机前蒸汽压力，MPa；p_1E为汽轮机高压缸进汽调节门开至100%时记录的汽轮机一级压力，MPa。

具体实施方式

本发明的汽轮机前蒸汽压力与汽轮机高压缸进汽调节阀前蒸汽压力存在以下关系：

（2）

其中：p_vi为汽轮机高压缸进汽调节阀前蒸汽压力，MPa；Δp₁为汽轮机前蒸汽压力与汽轮机高压缸进汽调节阀前蒸汽压力的差压，MPa。

汽轮机高压缸进汽调节阀后蒸汽压力与汽轮机一级压力存在以下关系：

（3）

其中：p_vo为汽轮机高压缸进汽调节阀后蒸汽压力，MPa；Δp₂为汽轮机高压缸进汽调节阀后蒸汽压力与汽轮机一级压力的差压，MPa。

根据伯努利方程，流体流动过程中各种节流件、阻力件导致差压与流量的关系可以描述为：

（4）

其中：Δp为差压，MPa；ξ为阻力系数，；q_v为蒸汽体积流量，m³/s。

根据汽轮机弗留格尔公式，进入汽轮机蒸汽体积流量与汽轮机一级压力成近似正比关系，有：

（5）

其中：k为汽轮机调节级流量系数，。

将式5代入到式4可以得到：

（6）

其中：K为流量-压力系数系数，1/MPa。

依据式6，对于汽轮机前蒸汽压力与汽轮机高压缸进汽调节阀前蒸汽压力的差压，有：

（7）

其中：K₁为汽轮机高调门前流量-压力系数系数，1/MPa。

依据式6，对于汽轮机高压缸进汽调节阀后与汽轮机一级压力的差压，有：

（8）

其中：K₂为汽轮机高调门后流量-压力系数系数，1/MPa。

对于汽轮机高压缸进汽调节阀开度，有：

（9）

其中：O_v为汽轮机高压缸进汽调节阀开度，无量纲。

将式2、3再代入到式9，有：

（10）

由于远远小于p₁和，可以将式10近似为：

（11）

再将式2、3再代入到式11，有：

（12）

令：

（13）

其中：K_v为汽轮机流量-差压系数，1/MPa。

得到汽轮机高压缸进汽调节阀开度的工程计算公式：

（14）

现场使用式14计算汽轮机高压缸进汽调节阀开度时，需要标定汽轮机流量-差压系数K_v。K_v标定方法为：在机组额定负荷附近，将汽轮机高压缸进汽调节门开至100%，待汽轮机前蒸汽压力、汽轮机一级压力均稳定后，记录数据，按照式15计算汽轮机流量-差压系数K_v。

（15）

其中：p_tE为汽轮机高压缸进汽调节门开至100%时记录的汽轮机前蒸汽压力，MPa；p_1E为汽轮机高压缸进汽调节门开至100%时记录的汽轮机一级压力，MPa；。

操作步骤

（1）汽轮机流量-差压系数标定

通过实验标定汽轮机流量-差压系数。实验前需要确认汽轮机前蒸汽压力和汽轮机一级压力测量信号无故障。实验过程为：在机组90%-100%额定发电负荷附近，待机组进入稳定工况后，将机组机炉协调控制系统切为手动方式。然后手动将汽轮机高压缸进汽调节门开度设置为100%，等待汽轮机前蒸汽压力和汽轮机一级压力均稳定后，分别记录汽轮机前蒸汽压力和汽轮机一级压力。按照式15计算汽轮机流量-差压系数。

（2）现场组态

通过组态或编程方式实现汽轮机高压缸进汽调节阀开度计算。组态逻辑如图1所示，图1中，除法计算块前D表示除数，N表示被除数。

应用实例

对于DEB协调控制系统，应用本发明时，锅炉侧PID控制器能量偏差信号输入为：

（16）

在稳态情况下，PID控制器前输入偏差为零，汽包压力p_d微分项为也为零，这意味着控制满足汽轮机前蒸汽压力p_t等于汽轮机前蒸汽压力设定值p_sp之无差控制条件。

发明优点

（1）计算准确度高。本方法能够准确复现汽轮机高压缸进汽调节阀的实际开度，在汽轮机高压缸进汽调节阀全开度变化范围内，同汽轮机厂家计算开度相对误差小于±1%。这一准确度能够保证本方法用于设备状态监测和过程参数控制。

（2）控制效果好。相对于传统处理方法，本方法能够有效改善DEB等应用高压缸进汽调节阀开度的协调控制系统高负荷下的控制性能。

（3）计算公式简单，实施方便。本方法计算公式简单，可以通过组态或编程方式实现。同时本方法不需要增加额外测量信号，只有一个系数需要标定，而且标定过程非常简单。现场实施方便。

Claims (1)

1.一种汽轮机高压缸进汽调节阀开度信号软测量方法，其特征是，所述方法实时测量汽轮机一级压力p₁，单位MPa；和汽轮机前蒸汽压力p_t，单位MPa，并利用下式计算汽轮机高压缸进汽调节阀开度O_v：

$O_v=\frac{p_1}{p_t-K_v{p}_1^2}$

其中，K_v为汽轮机流量-差压系数，单位为1/MPa，通过标定获得；

所述汽轮机流量-差压系数K_v的标定方法为：在机组90％-100％额定发电负荷下，待机组进入稳定工况后，将机组机炉协调控制系统切为手动方式，然后手动将汽轮机高压缸进汽调节门开度设置为100％，等待汽轮机前蒸汽压力和汽轮机一级压力均稳定后，分别记录汽轮机前蒸汽压力和汽轮机一级压力，按照下式计算汽轮机流量-差压系数K_v：

$K_v=\frac{p_{tE}-p_{1E}}{p_{1E}^2},$

其中：p_tE为汽轮机高压缸进汽调节门开至100％时记录的汽轮机前蒸汽压力，单位为MPa；p_1E为汽轮机高压缸进汽调节门开至100％时记录的汽轮机一级压力，单位为MPa。