CN111505943B - 基于全行程建模的汽轮机流量特性优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于全行程建模的汽轮机流量特性优化方法，以改进的汽轮机高调门流量特性试验为基础，提出了一种实际流量计算方法，应用滤波技术、聚类算法，借助分段线性函数建立汽轮机流量指令、调门开度和实际流量的全行程数学模型，为汽轮机高调门流量特性函数优化、重叠度调整、阀序修改等提供准确的理论依据。本发明的优势在于，能够准确建立出（0‑100）%流量总指令范围内的全行程流量特性模型，在此基础上，实现全部指令范围内的优化。通过反复试验验证及多台机组优化后的运行效果显示，本法发明所出的基于流量总指令全行程建模的汽轮机流量特性函数优化方法，在实际应用中具有良好的效果。

Description

基于全行程建模的汽轮机流量特性优化方法

技术领域：

本发明直接应用于火力发电厂汽轮机DEH(数字电液控制)系统参数优化领域，涉及一种基于全行程建模的汽轮机流量特性优化方法。以改进的汽轮机高调门流量特性试验为基础，提出了一种实际流量计算方法，应用滤波技术、聚类算法，借助分段线性函数建立汽轮机流量指令、调门开度和实际流量的全行程数学模型，为汽轮机高调门流量特性函数优化、重叠度调整、阀序修改等提供准确的理论依据。

背景技术：

汽轮机流量特性是描述阀门开度与蒸汽量之间的对应关系，其在DEH中通特性函数实现。特性函数与实际特性不一致，会直接影响机组一次调频功能的实现及AGC调节品质。近年来，随着涉网调节品质要求的进一步提高，以及机组运行时长的增加，因原给定的函数曲线不能准确描述调节系统特性而导致的机组安全运行问题频发。

由于汽轮机调门开度与流量之间是一个多输入单输出的系统，通过一定条件下的试验，获取流量指令、蒸汽流量、阀门开度等相关参数，建立汽轮机流量特性模型来描述其关系曲线，能够将各参数间的关系进行解耦，并直观的在曲线中分析各参数变化对高调门流量特性曲线的影响，是最直观，最准确的方法。

现有方法无论是通过试验方式、现场试凑法或者是利用历史数据挖掘等方法，均受制于机组实际运行的负荷区间，只能实现60％左右-100％流量指令区间内的流量特性优化，无法实现60％左右-100％流量指令区间内的流量特性优化。

发明内容：

本发明提供了一种基于全行程建模的汽轮机流量特性优化方法。

本发明的具体技术方案如下：

基于全行程建模的汽轮机流量特性优化方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，采用改进的汽轮机高调门流量特性试验来获取流量总位指令D(t)、主蒸汽压力P_T(t)、调节级压力P₁(t)、各调门指令D_i(t)，其中D(t)表示t时刻流量总指令，且D(t)∈[0，100]，D_i(t)表示t时刻第i个高调门的开度指令，D_i(t)∈[0，100]；

步骤2，采用滤波技术、聚类算法，流量计算、数据标幺方法进行数据处理；

步骤3，结合试验计算调门流量分配系数，借助分段线性函数实现汽轮机流量指令、调门开度和实际流量的全行程建模，得到实际流量输出模型；

步骤4：优化上述实际流量输出模型参数，实现汽轮机流量特性函数优化。

进一步地，步骤1中，改进型汽轮机高调门流量特性试验，以4调门为例包括以下测试：

1.1单个调门升程-流量测试以及流量分配系数测试

1)将机组负荷升至90％额定负荷，并将所有汽机高调门全开，记录下当前主蒸汽压力值，标记为节点0；

2)假设4个调门的开启顺序为#1+#2→#3→#4，在DEH画面或者逻辑强制调门开度指令方式，以3％的阶跃量逐渐减小#4调门指令，调门指令由100％减小至0％至该调门全关，标记为节点1；在此过程中其它调门一直维持全开状态；试验过程中控制燃料使机组始终维持1)时的主蒸汽压力值。

3)主汽压力稳定后，再以3％的阶跃量逐渐减小#3调门指令，调门指令由100％减小至0％至该调门全关，标记为节点2；此时，有2个调门在全关位，2个调门在全开位；

4)以3％的阶跃量逐渐增加#3调门指令，调门指令由0％增大至100％至该调门全开，此时，有3个调门在全关位，1个调门在全开位，在此过程中其它调门一直维持全开状态；再以3％的阶跃量逐渐增加#4调门指令，调门指令由0％增大至100％至该调门全开，此时，4个调门全部打开，试验工况恢复至1)时的工况；试验过程中控制燃料使机组始终维持1)时的主蒸汽压力值；

5)在DEH画面或者逻辑强制调门开度指令方式，以3％的阶跃量逐渐减小#2调门指令，调门指令由100％减小至0％至该调门全关，标记为节点3；各参数稳定后再以3％的阶跃量逐渐增大#2调门指令，调门指令由0％增大至100％至该调门全开，在此过程中其它调门一直维持全开状态；试验过程中控制燃料使机组始终维持1)时的主蒸汽压力值。

6)在DEH画面或者逻辑强制调门开度指令方式，以3％的阶跃量逐渐减小#1调门指令，调门指令由100％减小至0％至该调门全关，标记为节点4；各参数稳定后再以3％的阶跃量逐渐增大#1调门指令，调门指令由0％增大至100％至该调门全开，在此过程中其它调门一直维持全开状态。试验过程中控制燃料使机组始终维持1)时的主蒸汽压力值；

7)测试完毕，采集该试验过程的流量总指令、主蒸汽压力、调节级压力、#1调门指令、#2调门指令、#3调门指令、#4调门指令；

1.2顺序阀控制方式下流量特性测试

1)将DEH控制方式由单阀控制方式且为顺序阀控制方式；

2)将机组负荷升至90％额定负荷，并将所有汽机高调门全开，记录下当前主蒸汽压力值；

3)在DEH画面上操作或者手动强制流量总指令，以阶跃量1％减小流量总指令，流量总指令由100％减小至60％，使汽机高调门依次关闭，直至机组负荷降至60％额定负荷；每次目标值变化后需待主汽压力稳定时再进行下一点的测试；

4)试验过程中控制燃料维持主汽压力始终稳定在步骤1)时的主蒸汽压力值；

5)测试完毕，采集该试验过程的流量总指令、主蒸汽压力、调节级压力、各调门指令。

进一步地，步骤2中，

首先进行数据采集，通过DCS历史数据采集试验过程的流量总位指令D(t)、主蒸汽压力P_T(t)、调节级压力P₁(t)、各调门指令D_i(t)，其中D(t)表示t时刻流量总指令，且D(t)∈[0，100]，D_i(t)表示t时刻第i个高调门的开度指令，D_i(t)∈[0，100]；采样周期为3秒；

然后进行数据滤波处理、聚类算法计算、各采样点的理论蒸汽流量Q(t)计算、以及数据的标幺处理，获得包含有调门开度指令(D_i(t))，调节级压力(P₁(t))，主蒸汽压力(P_T(t))，理论蒸汽流量(Q(t))，理论蒸汽流量的标幺值(Q_3i[D(t)])的数据集合表示为{[D_i(t),Q_3i[D_i(t)]}。

进一步地，步骤3)中，汽轮机流量特性全行程建模方法包括：

3.1依据机组汽轮机DEH系统逻辑及参数设置，构建当前流量总指令与各调门开度指令关系函数；

3.2以试验为基础，利用分段线性函数描述试验测得的各个调门开度与实际流量的关系函数；

3.3根据改进的汽轮机高调门流量特性试验，计算各调门流量分配系数；

3.4通过实际流量输出计算，建立了流量总指令-各阀门开度-实际流量及各相关参数间的关系，从而完成了汽轮机流量特性全行程模型的构建；

3.5模型准确性验证，通过单阀控制方式和顺序阀控制方式流量特性试验，拟合实测流量总指令在(60-100)％运行范围内的流量总指令-实际流量输出的函数曲线，验证模型中流量总指令在(60-100)％的曲线与实测曲线的一致性。

进一步地，其中3.1中，选择以下控制方式之一，建立流量总指令与各调门开度指令关系；

在实现汽轮机单阀控制与顺序阀控制上，有单函数和多函数管理两种方式；令D_i(t)表示t时刻第i个高调门的开度指令，D_i(t)∈[0，100]；

1).单函数管理实现单阀控制

令D(t)表示t时刻流量总指令，且D(t)∈[0，100]，为便于公式表达，以下公式中令X＝D(t)；

D_i(t)＝D(t)×F_d(X)|_X＝D(t) (3)

式中，F_d(X)表示单阀控制方式下，高调门的流量指令修正函数，是流量总指令的单值函数，由DEH系统高调门管理函数决定，为已知汽轮机执行参数；

2).单函数管理实现顺序阀控制

D_i(t)＝D(t)×F_si(X)|_X＝D(t) (4)

式中，F_si(X)表示顺序阀控制方式下，第i个高调门的流量-指令修正函数，由DEH系统高调门管理函数决定，为已知汽轮机执行参数；

3).多函数管理实现单阀控制

D_i(t)＝D(t)×F_b(X)|_X＝D(t)×F₄(X)|_X＝D(t)×F_2i(X)|_X＝D(t) (5)

式中，F₄(X)表示单阀控制方式流量分配函数，F_2i(X)表示单阀控制方式下第i个高调门的流量-指令修正函数，由DEH系统高调门管理函数决定，为已知汽轮机执行参数；

4).多函数管理实现顺序阀控制

D_i(t)＝D(t)×F_b(X)|_X＝D(t)×[k_iX+b_i]×F_1i(X)|_X＝D(t)×F_2i(X)|_X＝D(t) (6)

式中，F_b(X)表示背压修正函数；[k_ix+b_i]表示顺序阀函数的比例偏置因子，决定高调门的开启顺序；F_1i(X)表示第i个高调门的重叠度函数，同时也是流量分配函数；F_2i(X)表示第i个高调门的流量-指令修正函数，函数由DEH系统高调门管理函数决定，为已知汽轮机执行参数；

进一步地，其中3.2中，各调门开度与实际流量的关系建立过程如下：

根据步骤2得到的数据集合{[D_i(t),Q_3i[D_i(t)]}，其中D_i(t)表示t时刻第i个高调门的开度指令,D_i(t)∈[0，100]，Q_3i[D_i(t)]表示t时刻流过第i个高调门的实际流量标幺值，Q_3i[D_i(t)]∈[0，100]；利用分段线性函数W表征各个调门开度与实际流的关系函数，令U＝D(t)，W＝Q_3i[D_i(t)]，Q_3i[D_i(t)]∈[0，100]；则该数据集可表示为(U,W)，U为常量集，包含{u₁,u₂,u₃,....u_m}，W为变量集，包含{w₁,w₂,w₃,....w_m}，m为1.1中所述试验过程中每次以3％的阶跃量改变调门指令的段数，则该分段线性函数描述为：

进一步地，其中3.3中，各调门流量分配系数S_i确定过程如下：

根据1.1中所述试验过程中所标注了5个节点：节点0为4个调门全开状态；节点1为#1调门、#2调门、#3调门全开，#4调门全关状态；节点2为#1调门、#2调门全开，#3调门、#4调门全关状态；节点3为#1调门、#3调门、#4调门全开，#2调门全关状态；节点4为#2调门、#3调门、#4调门全开，#1调门全关状态。

通过DCS历史数据获取全部试验过程的的各项参数，并经过步骤2)的数据处理后，记录节点0时的计算后蒸汽流量Q_w0，节点1时的计算后蒸汽流量Q_w1，节点2时的计算后蒸汽流量Q_w2，节点3时的计算后蒸汽流量Q_w3，节点4时的计算后蒸汽流量Q_w4；根据下式计算各调门流量分配系数：

S₁+S₂+S₃+S₄＝1 (12)

其中S_i表示各调门流量分配系数，i为调门编号。

进一步地，其中3.4中，实际流量输出模型：

式中：Q_out(t)表示经过标幺后的t时刻经过汽轮机高调门的实际蒸汽流量；Q_3i[D_i(t)]表示t时刻流过第i个高调门的实际流量标幺值(共有n个高调门)；D_i(t)表示t时刻第i个高调门的开度指令，D_i(t)∈[0，100]；S_i表示，每个调门的流量分配系数。

进一步地，其中3.5中，模型准确性验证过程如下：

根据1.4中所述顺序阀控制方式流量特性试验中，测得了流量总指令在(56-100)％运行区间的实际流量特性；通过DCS历史数据获取各试验过程的各项参数，并经过步骤2处理后的数据，用分段线性函数拟合出该指令范围内的流量总指令-实际流量的函数关系；根据已经建立的流量总指令在(0-100)％全行程模型，将其放入实际流量输出模型中，用以对比模型中流量总指令在(56-100)％的曲线与实测曲线的一致性，以及验证模型的准确性，为流量分配系数、重叠度函数的调整提供依据。

进一步地，步骤4优化过程如下：

1)按要求开展汽轮机流量特性测试试验；

2)提取数据并进行处理，得到各调门升程-流量特性函数、单阀流量特性及顺序阀流量特性；

3)建立流量指令、调门开度和实际流量在全行程内的数学模型，并拟合流量特性曲线；

4)结合机组实际运行特性，确定理想流量特性曲线；

5)将第3)步得到全行程流量特性曲线与理想特性曲线对照，判断流量特性是否满足要求，若不满足，进行下一步；

6)适当调整相应流量特性管理函数；

7)按第6)步得到新的高调门管理函数，重新建模并拟合全行程流量特性曲线；

8)将新的流量特性曲线与第4)步的理想特性曲线对照，判断流量特性是否满足要求，若不满足，重复上述第6)步、第7)步；若满足要求，优化结束。

本发明相比现有技术具有如下优点：

本发明的优势在于，能够建立出(0-100)％指令范围内的流量特性模型，无论是在单阀方式还是在顺序阀方式，均能直观反映各参数变化对(0-100)％负荷全过程的影响，为后续的优化及调整提供准确的参考依据。

附图说明：

图1为汽轮机流量特性全行程模型构建流程；

图2为试验测得4调门流量特性曲线；

图3为单函数管理方式高调门流量特性模型；

图4为多函数管理方式高调门流量特性模型；

图5为模型输出曲线；

图6为顺序阀试验流量特性曲线(也作摘要附图)；

图7为汽轮机流量特性函数优化流程；

图8优化后顺序阀流量特性曲线。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

实施例一：

本发明一种基于全行程建模的汽轮机流量特性优化方法，包括以下步骤：

步骤1：提出一种改进的汽轮机高调门流量特性试验来获取流量总位指令D(t)、主蒸汽压力P_T(t)、调节级压力P₁(t)、各调门指令D_i(t)，其中D(t)表示t时刻流量总指令，且D(t)∈[0，100]，D_i(t)表示t时刻第i个高调门的开度指令，D_i(t)∈[0，100]，试验详见第1节；

步骤2：采用滤波技术、聚类算法，流量计算、数据标幺等方法进行数据处理，详见第2节；

步骤3：提出了一种实际流量计算方法，并结合试验计算调门流量分配系数，借助分段线性函数建立汽轮机流量指令、调门开度和实际流量的全行程数学建模，得到实际流量输出模型，并以曲线关系图作为模型的表现形式，详见第3部分。

步骤4：将模型应用于汽轮机流量特性函数优化过程，为汽轮机高调门流量特性函数优化、重叠度调整、阀序修改等提供准确的数学依据。

1、改进型汽轮机高调门流量特性试验

按照汽轮机厂家配置，通常汽轮机配备4个高调门或者6个高调门。但无论是哪种配置，测试方法均相同，因此以下试验均以4调门为例。

1.1单个调门升程-流量测试以及流量分配系数测试

1)将机组负荷升至90％额定负荷左右，并将所有汽机高调门全开，记录下当前主蒸汽压力值，标记为节点0；。

2)假设4个调门的开启顺序为#1+#2→#3→#4，在DEH画面或者逻辑强制调门开度指令方式，以3％的阶跃量逐渐减小#4调门指令，调门指令由100％减小至0％至该调门全关，标记为节点1；在此过程中其它调门一直维持全开状态；试验过程中控制燃料使机组始终维持1)时的主蒸汽压力值。

3)主汽压力稳定后，再以3％的阶跃量逐渐减小#3调门指令，调门指令由100％减小至0％至该调门全关，标记为节点2；此时，有2个调门在全关位，2个调门在全开位；

4)以3％的阶跃量逐渐增加#3调门指令，调门指令由0％增大至100％至该调门全开，此时，有3个调门在全关位，1个调门在全开位，在此过程中其它调门一直维持全开状态；再以3％的阶跃量逐渐增加#4调门指令，调门指令由0％增大至100％至该调门全开，此时，4个调门全部打开，试验工况恢复至1)时的工况；试验过程中控制燃料使机组始终维持1)时的主蒸汽压力值；

5)在DEH画面或者逻辑强制调门开度指令方式，以3％的阶跃量逐渐减小#2调门指令，调门指令由100％减小至0％至该调门全关，标记为节点3；各参数稳定后再以3％的阶跃量逐渐增大#2调门指令，调门指令由0％增大至100％至该调门全开，在此过程中其它调门一直维持全开状态；试验过程中控制燃料使机组始终维持1)时的主蒸汽压力值。

6)在DEH画面或者逻辑强制调门开度指令方式，以3％的阶跃量逐渐减小#1调门指令，调门指令由100％减小至0％至该调门全关，标记为节点4；各参数稳定后再以3％的阶跃量逐渐增大#1调门指令，调门指令由0％增大至100％至该调门全开，在此过程中其它调门一直维持全开状态。试验过程中控制燃料使机组始终维持1)时的主蒸汽压力值；

7)测试完毕，采集该试验过程的流量总指令、主蒸汽压力、调节级压力、#1调门指令、#2调门指令、#3调门指令、#4调门指令；

1.2顺序阀控制方式下流量特性测试

1)将DEH控制方式由单阀控制方式且为顺序阀控制方式；

2)将机组负荷升至90％额定负荷，并将所有汽机高调门全开，记录下当前主蒸汽压力值；

3)在DEH画面上操作或者手动强制流量总指令，以阶跃量1％减小流量总指令，流量总指令由100％减小至60％，使汽机高调门依次关闭，直至机组负荷降至60％额定负荷；每次目标值变化后需待主汽压力稳定时再进行下一点的测试；

4)试验过程中控制燃料维持主汽压力始终稳定在步骤1)时的主蒸汽压力值；

5)测试完毕，采集该试验过程的流量总指令、主蒸汽压力、调节级压力、各调门指令。

2、数据预处理

2.1数据采集

通过DCS历史数据采集试验过程的流量总位指令D(t)、主蒸汽压力P_T(t)、调节级压力P₁(t)、各调门指令D_i(t)，其中D(t)表示t时刻流量总指令，且D(t)∈[0，100]，D_i(t)表示t时刻第i个高调门的开度指令，D_i(t)∈[0，100]。采样周期为3秒。

2.2数据处理

2.2.1数据滤波

以为试验阶段手动置入的调门开度指令为自变量，在每一个置入指令下，由于采用时间长，试验过程记录的历史数据会很多。数据滤波的作用在于提取各稳定条件下运行数据，并对异常值进行剔除。异常值包括采样过渡过程的值和偏差大于规定精度的值。按DCS采样的先后顺序，参数阶跃改变后的3至5个采样周期为过渡过程；在对采样数据运用低通滤波方式滤波后，按实际参数区间，设置各参数相对偏差精度，删除偏差大于规定精度的值。

2.2.2聚类算法

K-Means聚类算法以欧氏距离为判据，将距离相近的数据归为一类的聚类分析算法。为加快特性函数辨识速度及提高辨识精度，应用K-Means聚类算法时，根据各数据实际工况设定好数据集合数和各数据集初始中心点，具体过程如下：

1)设定各特性函数数据集合数及阈值；

2)设定特定工况数据作为各数据集合的初始中心，将所有数据归在距离最近的集合；

3)所有数据归好集合后，采用均值法重新计算中心点；

4)如果新中心点与原来中心点间的距离小于阈值，则聚类完成，否则重复上述2)、3)，直到满足为止。

2.2.3流量计算

应用弗留格尔公式计算各采样点的理论蒸汽流量Q(t)。如下式：

式中，P₁(t)、P_1r、P_tr、P_T(t)分别为试验调节级压力、额定调节级压力、额定负荷时的主蒸汽压力值、试验主蒸汽压力。

2.2.4数据标幺

数据标幺处理：

式中Q_3i[D(t)]表示t时刻第i个高调门开度指令在D_i(t)处的计算后理论蒸汽流量的标幺值,其中D_i(t)∈[0，100],Q_3i[D(t)]∈[0，100]，Q₁表示阀门全开的流量，Q₀表示阀门关闭的流量。

最终获得一组包括：调门开度指令(D_i(t))-调节级压力(P₁(t))-主蒸汽压力(P_T(t))-理论蒸汽流量(Q(t))-理论蒸汽流量的标幺值(Q_3i[D(t)])。

3.汽轮机流量特性全行程建模方法

要建立汽轮机流量特性全行程模型，需要通过以下步骤(如图1流程所示)：

第一步：依据机组汽轮机DEH系统逻辑及参数设置，构建当前流量总指令与各调门开度指令关系函数(详见3.1节)；

第二步：以试验为基础，利用分段线性函数描述试验测得的各个调门开度与实际流量的关系函数(详见3.2节)；

第三步：根据改进的汽轮机高调门流量特性试验，计算各调门流量分配系数S_i(详见3.3节)；

第四步：通过实际流量输出计算，建立了流量总指令-各阀门开度-实际流量及各相关参数间的关系，从而完成了汽轮机流量特性全行程模型的构建(详见3.4节)。

第五步：模型准确性验证。通过单阀控制方式和顺序阀控制方式流量特性试验，拟合实测流量总指令在(60-100)％运行范围内的流量总指令-实际流量输出的函数曲线，验证模型中流量总指令在(60-100)％的曲线与实测曲线的一致性，(详见3.5节)。

3.1流量总指令与各调门开度指令关系建立

在实现汽轮机单阀控制与顺序阀控制上，有单函数和多函数管理两种方式。令D_i(t)表示t时刻第i个高调门的开度指令，D_i(t)∈[0，100]，由DEH系统高调门管理函数决定。

1).单函数管理实现单阀控制

令D(t)表示t时刻流量总指令，且D(t)∈[0，100]，为便于公式表达，以下公式中令X＝D(t)。

D_i(t)＝D(t)×F_d(X)|_X＝D(t) (3)

式中，F_d(X)表示单阀控制方式下，高调门的流量指令修正函数，是流量总指令的单值函数，由DEH系统高调门管理函数决定。

2).单函数管理实现顺序阀控制

D_i(t)＝D(t)×F_si(X)|_X＝D(t) (4)

式中，F_si(X)表示顺序阀控制方式下，第i个高调门的流量-指令修正函数。

3).多函数管理实现单阀控制

D_i(t)＝D(t)×F_b(X)|_X＝D(t)×F₄(X)|_X＝D(t)×F_2i(X)|_X＝D(t) (5)

式中，F₄(X)表示单阀控制方式流量分配函数，F_2i(X)表示单阀控制方式下第i个高调门的流量-指令修正函数。

4).多函数管理实现顺序阀控制

D_i(t)＝D(t)×F_b(X)|_X＝D(t)×[k_iX+b_i]×F_1i(X)|_X＝D(t)×F_2i(X)|_X＝D(t) (6)

式中，F_b(X)表示背压修正函数；[k_ix+b]表示顺序阀函数的比例偏置因子，决定高调门的开启顺序；F_1i(X)表示第i个高调门的重叠度函数，同时也是流量分配函数；F_2i(X)表示第i个高调门的流量-指令修正函数。

3.2各调门开度与实际流量的关系建立

通过1.1节及1.2节所述试验过程获取数据，采用第2节所述是的数据处理过程对数据进行处理，得到第i个高调门的开度指令-标幺后实测蒸汽量的关系的一组数据集合{[D_i(t),Q_3i[D_i(t)]}，其中D_i(t)表示t时刻第i个高调门的开度指令,D_i(t)∈[0，100]，Q_3i[D_i(t)]表示该时刻其标幺后实测蒸汽量，即：Q_3i[D_i(t)]表示t时刻流过第i个高调门的实际流量标幺值，Q_3i[D_i(t)]∈[0，100]。考虑到该曲线的非线性特性，本申请利用分段线性函数来描述。为便于公式7对分段线性函数的表达，该节中，本申请令U＝D(t)，W＝Q_3i[D_i(t)]，则该数据集可表示为(U,W)，U为常量集，包含{u₁,u₂,u₃,....u_m}，W为变量集，包含{w₁,w₂,w₃,....w_m}，m为1.1节所述试验过程中每次以3％的阶跃量改变调门指令的段数，则该分段线性函数描述为：

其函数曲线如图2所示。

3.3各调门流量分配系数S_i确定

在1.1节所述试验过程中标注了5个节点：节点0为4个调门全开状态；节点1为#1调门、#2调门、#3调门全开，#4调门全关状态；节点2为#1调门、#2调门全开，#3调门、#4调门全关状态；节点3为#1调门、#3调门、#4调门全开，#2调门全关状态；节点4为#2调门、#3调门、#4调门全开，#1调门全关状态。

通过DCS历史数据获取全部试验过程的的各项参数，并经过步骤2所述的数据处理方法进行处理后，记录节点0时的计算后蒸汽流量Q_w0，节点1时的计算后蒸汽流量Q_w1，节点2时的计算后蒸汽流量Q_w2，节点3时的计算后蒸汽流量Q_w3，节点4时的计算后蒸汽流量Q_w4。各调门流量分配系计算过程如下：

S₁+S₂+S₃+S₄＝1 (12)

其中S_i表示各调门流量分配系数，i为调门编号。

3.4实际流量计算及汽轮机流量特性全行程模型建立

实际流量输出模型：

式中：Q_out(t)表示经过标幺后的t时刻经过汽轮机高调门的实际蒸汽流量；Q_3i[D_i(t)]表示t时刻流过第i个高调门的实际流量标幺值(共有n个高调门)；D_i(t)表示t时刻第i个高调门的开度指令，D_i(t)∈[0，100]；S_i表示，每个调门的流量分配系数。

通过以上过程，本申请得到了建立高调门流量特性模型所需要的所有数据，建立了汽轮机流量总指令、汽轮机阀门开度指令、实际流量的开环控制关系，即高调门流量特性模型，如图3、图4。

该模型以流量总指令为输入对象，实际流量为输出对象，汽轮机阀门开度指令为中间控制过程。而流量总指令至汽轮机阀门开度指令的形成过程并不是一个简单的单值函数，而是根据不同的管理方式包含了很多参数及函数关系。图3所示为单函数管理方式下的高调门流量特性模型，图4所示为多函数管理方式下的高调门流量特性模型。其中任何一个参数发生变化，都将引起实际输出流量的变化，各参数含义详见3.1-3.3节。最终模型以曲线关系图作为其表现形式，如图5所示，建立出顺阀方式下(0-100)％指令范围内的全行程流量特性模型。

3.5模型准确性验证

1.4节所述顺序阀控制方式流量特性试验中，本申请测得了流量总指令在(56-100)％运行区间的实际流量特性。通过DCS历史数据获取各试验过程的各项参数，并经过第2章所述的数据处理方法进行处理后，用分段线性函数拟合出了该指令范围内的流量总指令-实际流量的函数关系。由于本申请已经建立了流量总指令在(0-100)％全行程模型，因此本申请将其放入本申请已经建立的模型中(如图6所示为顺序阀控制方式流量特特性曲线)，用以对比模型中流量总指令在(56-100)％的曲线与实测曲线的一致性，以及验证模型的准确性，同时能够为流量分配系数、重叠度函数的调整提供依据。从图6可以看出，本申请建立的汽轮机流量特性全行程模型输出曲线与实际测量得到的曲线完全一致，并且完整精确的推算出了全行程的模型曲线。

4.汽轮机流量特性函数优化

4.1优化方法及步骤

在流量指令、调门开度和实际流量数学模型的基础上，只需适当调整相关流量特性管理函数，即可调整相应区域的流量特性曲线，直到全行程内流量特性曲线达符合理想曲线为止。通常，理想曲线取(0-100)％指令范围内线性，即[(0,0)(100,100)]，也可根据汽轮机实际运行状况，为调整配汽，采用流量曲线分段线性的方式。由于单阀调整方式与顺序阀调整方式类同，故以下优化过程以及图例部分均以顺序阀为例，单阀调整方式参考顺序阀调整方式即可。流量特性管理函数在DEH中采用单函数时，通过分别调整单阀和顺序阀方式的流量-指令修正函数；采用多函数时，可以分别调整单阀和顺序阀方式的流量分配函数，也可以首先在单阀方式下调整流量-指令修正函数再调整顺序阀方式下流量分配函数。

基于流量总指令全行程建模的汽轮机流量特性函数优化，包括以下步骤：

1)按要求开展汽轮机流量特性测试试验；

2)提取数据并进行处理，得到各调门升程-流量特性函数、单阀流量特性及顺序阀流量特性；

3)建立流量指令、调门开度和实际流量在全行程内的数学模型，并拟合流量特性曲线；

4)结合机组实际运行特性，确定理想流量特性曲线；

5)将第3)步得到全行程流量特性曲线与理想特性曲线对照，判断流量特性是否满足要求，若不满足，进行下一步；

6)适当调整相应流量特性管理函数；

7)按第6)步得到新的高调门管理函数，重新建模并拟合全行程流量特性曲线；

8)将新的流量特性曲线与第4)步的理想特性曲线对照，判断流量特性是否满足要求，若不满足，重复上述第6)步、第7)步；若满足要求，优化结束。具体优化步骤流程见下图7。

通过以上过程，对各流量特性管理函数反复调整，最终获得一条与最优理想曲线相一致的最终流量特性曲线(如图8所示)，以及与之相对应的新的一组流量特性管理函数，本申请将其重新置入DEH系统中对应的阀门管理函数中去，即完成了对其流量特性的优化，在机组启动后，各阀门将按照优化后的方式进行动作。

4.2本发明方法的优化效果：

对图6拟合的汽轮机流量特性应用4.1节方法实施优化，优化理想曲线取(0-100)％指令范围内线性，优化后顺序阀特性曲线如下图8。从图8所示的流量特性曲线上看，优化消除了原特性曲线中的多处线性拐点和总流量指令在(82-85)％区域的调节死区(图5、图6所示)，使实际流量在全行程内与流量指令线性对应，并通过(67-98)％行程内流量特性测试试验验证，在顺序阀正常调节范围内，实际流量特性线性良好，为机组AGC和一次调频功能的精确调节打好了基础。

现有方法无论是通过试验方式，或者是利用数据挖掘等方法通过机组运行过程的历史数据进行挖掘，均受制于机组实际运行的负荷区间，只能获取到50％左右-100％区间内的流量特性。无法获取在(0-50)％区间内的流量特性，优化过程也只能限制在该范围内进行。

本发明的优势在于，能够准确建立出(0-100)％流量总指令范围内的全行程流量特性模型，在此基础上，实现全部指令范围内的优化。通过反复试验验证及多台机组优化后的运行效果显示，本法发明所出的基于流量总指令全行程建模的汽轮机流量特性函数优化方法，在实际应用中具有良好的效果。

Claims (9)

1.基于全行程建模的汽轮机流量特性优化方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，采用改进的汽轮机高调门流量特性试验来获取流量总位指令D(t)、主蒸汽压力P_T(t)、调节级压力P₁(t)、各调门指令D_i(t)，其中D(t)∈[0，100]，D_i(t)表示t时刻第i个高调门的开度指令，D_i(t)∈[0，100]；

步骤2，采用滤波技术、聚类算法，流量计算、数据标幺方法进行数据处理；

步骤3，结合试验计算调门流量分配系数，借助分段线性函数实现汽轮机流量指令、调门开度和实际流量的全行程建模，得到实际流量输出模型；

步骤4：优化上述实际流量输出模型参数，实现汽轮机流量特性函数优化；

步骤1中，改进型汽轮机高调门流量特性试验，采用4个调门，包括以下测试：

1.1单个调门升程-流量测试以及流量分配系数测试

1)将机组负荷升至90％额定负荷，并将所有汽机高调门全开，记录下当前主蒸汽压力值，标记为节点0；

2)假设4个调门的开启顺序为#1+#2→#3→#4，在DEH画面或者逻辑强制调门开度指令方式，以3％的阶跃量逐渐减小#4调门指令，调门指令由100％减小至0％至该调门全关，标记为节点1；在此过程中其它调门一直维持全开状态；试验过程中控制燃料使机组始终维持1)时的主蒸汽压力值；

3)主汽压力稳定后，再以3％的阶跃量逐渐减小#3调门指令，调门指令由100％减小至0％至该调门全关，标记为节点2；此时，有2个调门在全关位，2个调门在全开位；

4)以3％的阶跃量逐渐增加#3调门指令，调门指令由0％增大至100％至该调门全开，此时，有3个调门在全开位，1个调门在全关位，在此过程中其它调门一直维持全开状态；再以3％的阶跃量逐渐增加#4调门指令，调门指令由0％增大至100％至该调门全开，此时，4个调门全部打开，试验工况恢复至1)时的工况；试验过程中控制燃料使机组始终维持1)时的主蒸汽压力值；

5)在DEH画面或者逻辑强制调门开度指令方式，以3％的阶跃量逐渐减小#2调门指令，调门指令由100％减小至0％至该调门全关，标记为节点3；各参数稳定后再以3％的阶跃量逐渐增大#2调门指令，调门指令由0％增大至100％至该调门全开，在此过程中其它调门一直维持全开状态；试验过程中控制燃料使机组始终维持1)时的主蒸汽压力值；

6)在DEH画面或者逻辑强制调门开度指令方式，以3％的阶跃量逐渐减小#1调门指令，调门指令由100％减小至0％至该调门全关，标记为节点4；各参数稳定后再以3％的阶跃量逐渐增大#1调门指令，调门指令由0％增大至100％至该调门全开，在此过程中其它调门一直维持全开状态； 试验过程中控制燃料使机组始终维持1)时的主蒸汽压力值；

7)测试完毕，采集该试验过程的流量总指令、主蒸汽压力、调节级压力、#1调门指令、#2调门指令、#3调门指令、#4调门指令；

1.2顺序阀控制方式下流量特性测试

1)将DEH控制方式由单阀控制方式切为顺序阀控制方式；

2)将机组负荷升至90％额定负荷，并将所有汽机高调门全开，记录下当前主蒸汽压力值；

3)在DEH画面上操作或者手动强制流量总指令，以阶跃量1％减小流量总指令，流量总指令由100％减小至60％，使汽机高调门依次关闭，直至机组负荷降至60％额定负荷；每次目标值变化后需待主汽压力稳定时再进行下一点的测试；

4)试验过程中控制燃料维持主汽压力始终稳定在步骤1)时的主蒸汽压力值；

5)测试完毕，采集该试验过程的流量总指令、主蒸汽压力、调节级压力、各调门指令。

2.根据权利要求1所述基于全行程建模的汽轮机流量特性优化方法，步骤2中，

首先进行数据采集，通过DCS历史数据采集试验过程的流量总位指令D(t)、主蒸汽压力P_T(t)、调节级压力P₁(t)、各调门指令D_i(t)，其中D(t)表示流量总指令，且D(t)∈[0，100]，D_i(t)表示t时刻第i个高调门的开度指令，D_i(t)∈[0，100]；采样周期为3秒；

然后进行数据滤波处理、聚类算法计算、各采样点的理论蒸汽流量Q(t)计算、以及数据的标幺处理，获得包含有调门开度指令D_i(t)，调节级压力P₁(t)，主蒸汽压力P_T(t)，理论蒸汽流量Q(t)，理论蒸汽流量的标幺值Q_3i[D(t)]的数据集合表示为[D_i(t),Q_3i[D_i(t)]。

3.根据权利要求2所述基于全行程建模的汽轮机流量特性优化方法，步骤3)中，汽轮机流量特性全行程建模方法包括：

3.1依据机组汽轮机DEH系统逻辑及参数设置，构建当前流量总指令与各调门开度指令关系函数；

3.2以试验为基础，利用分段线性函数描述试验测得的各个调门开度与实际流量的关系函数；

3.3根据改进的汽轮机高调门流量特性试验，计算各调门流量分配系数；

3.4通过实际流量输出计算，建立了流量总指令-各阀门开度-实际流量及各相关参数间的关系，从而完成了汽轮机流量特性全行程模型的构建；

3.5模型准确性验证，通过单阀控制方式和顺序阀控制方式流量特性试验，拟合实测流量总指令在60％-100％运行范围内的流量总指令-实际流量输出的函数曲线，验证模型中流量总指令在60％-100％的曲线与实测曲线的一致性。

4.根据权利要求3所述基于全行程建模的汽轮机流量特性优化方法，其中3.1中，选择以下控制方式之一，建立流量总指令与各调门开度指令关系；

在实现汽轮机单阀控制与顺序阀控制上，有单函数和多函数管理两种方式；令D_i(t)表示t时刻第i个高调门的开度指令，D_i(t)∈[0，100]；

1).单函数管理实现单阀控制

令D(t)表示流量总指令，且D(t)∈[0，100]，为便于公式表达，以下公式中令X＝D(t)；

D_i(t)＝D(t)×F_d(X)|_X＝D(t) (3)

式中，F_d(X)表示单阀控制方式下，高调门的流量指令修正函数，是流量总指令的单值函数，由DEH系统高调门管理函数决定，为已知汽轮机执行参数；

2).单函数管理实现顺序阀控制

D_i(t)＝D(t)×F_si(X)|_X＝D(t) (4)

式中，F_si(X)表示顺序阀控制方式下，第i个高调门的流量-指令修正函数，由DEH系统高调门管理函数决定，为已知汽轮机执行参数；

3).多函数管理实现单阀控制

D_i(t)＝D(t)×F_b(X)|_X＝D(t)×F₄(X)|_X＝D(t)×F_2i(X)|_X＝D(t) (5)

式中，F₄(X)表示单阀控制方式流量分配函数，F_2i(X)表示单阀控制方式下第i个高调门的流量-指令修正函数，为已知汽轮机执行参数；

4).多函数管理实现顺序阀控制

D_i(t)＝D(t)×F_b(X)|_X＝D(t)×[k_iX+b_i]×F_1i(X)|_X＝D(t)×F_2i(X)|_X＝D(t) (6)

式中，F_b(X)表示背压修正函数；[k_ix+b_i]表示顺序阀函数的比例偏置因子，决定高调门的开启顺序；F_1i(X)表示第i个高调门的重叠度函数，同时也是流量分配函数；F_2i(X)表示第i个高调门的流量-指令修正函数，为已知汽轮机执行参数。

5.根据权利要求3所述基于全行程建模的汽轮机流量特性优化方法，其中3.2中，各调门开度与实际流量的关系建立过程如下：

根据步骤2得到的数据集合{[D_i(t),Q_3i[D_i(t)]}，其中D_i(t)表示t时刻第i个高调门的开度指令,D_i(t)∈[0，100]，Q_3i[D_i(t)]表示t时刻流过第i个高调门的实际流量标幺值，Q_3i[D_i(t)]∈[0，100]；利用分段线性函数W表征各个调门开度与实际流量的关系函数，令U＝D(t)，W＝Q_3i[D_i(t)]，Q_3i[D_i(t)]∈[0，100]；则该数据集可表示为(U,W)，U为常量集，包含{u₁,u₂,u₃,....u_m}，W为变量集，包含{w₁,w₂,w₃,....w_m}，m为1.1中所述试验过程中每次以3％的阶跃量改变调门指令的段数，则该分段线性函数描述为：

6.根据权利要求3所述基于全行程建模的汽轮机流量特性优化方法，其中3.3中，各调门流量分配系数S_i确定过程如下：

根据1.1中所述试验过程中所标注了5个节点：节点0为4个调门全开状态；节点1为#1调门、#2调门、#3调门全开，#4调门全关状态；节点2为#1调门、#2调门全开，#3调门、#4调门全关状态；节点3为#1调门、#3调门、#4调门全开，#2调门全关状态；节点4为#2调门、#3调门、#4调门全开，#1调门全关状态；

通过DCS历史数据获取全部试验过程的的各项参数，并经过步骤2)的数据处理后，记录节点0时的计算后蒸汽流量Q_w0，节点1时的计算后蒸汽流量Q_w1，节点2时的计算后蒸汽流量Q_w2，节点3时的计算后蒸汽流量Q_w3，节点4时的计算后蒸汽流量Q_w4；根据下式计算各调门流量分配系数：

S₁+S₂+S₃+S₄＝1 (12)

其中S_i表示各调门流量分配系数，i为调门编号。

7.根据权利要求3所述基于全行程建模的汽轮机流量特性优化方法，其中3.4中，实际流量输出模型：

式中：Q_out(t)表示经过标幺后的t时刻经过汽轮机高调门的实际蒸汽流量；Q_3i[D_i(t)]表示t时刻流过第i个高调门的实际流量标幺值，共有n个高调门；D_i(t)表示t时刻第i个高调门的开度指令，D_i(t)∈[0，100]；S_i表示每个调门的流量分配系数。

8.根据权利要求3所述基于全行程建模的汽轮机流量特性优化方法，其中3.5中，模型准确性验证过程如下：

根据顺序阀控制方式流量特性试验中，测得了流量总指令在56％-100％运行区间的实际流量特性；通过DCS历史数据获取各试验过程的各项参数，并经过步骤2处理后的数据，用分段线性函数拟合出该指令范围内的流量总指令-实际流量的函数关系；根据已经建立的流量总指令在0％-100％全行程模型，将其放入实际流量输出模型中，用以对比模型中流量总指令在56％-100％的曲线与实测曲线的一致性，以及验证模型的准确性，为流量分配系数、重叠度函数的调整提供依据。

9.根据权利要求3-8任一所述基于全行程建模的汽轮机流量特性优化方法，步骤4优化过程如下：

1)按要求开展汽轮机流量特性测试试验；

2)提取数据并进行处理，得到各调门升程-流量特性函数、单阀流量特性及顺序阀流量特性；

3)建立流量指令、调门开度和实际流量在全行程内的数学模型，并拟合流量特性曲线；

4)结合机组实际运行特性，确定理想流量特性曲线；

5)将第3)步得到全行程流量特性曲线与理想特性曲线对照，判断流量特性是否满足要求，若不满足，进行下一步；

6)适当调整相应流量特性管理函数；

7)按第6)步得到新的高调门管理函数，重新建模并拟合全行程流量特性曲线；

8)将新的流量特性曲线与第4)步的理想特性曲线对照，判断流量特性是否满足要求，若不满足，重复上述第6)步、第7)步；若满足要求，优化结束。

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