CN114165294A - 一种新型汽轮机阀门控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于汽轮机现有的单阀、顺序阀两种阀控方式下，提出了一种新型汽轮机阀门控制方法—灵巧阀控制。该方案已经某600MW机组仿真验证，可以消除顺序阀控制方式下，机组的本底节流损失，提高机组效率，同时可避免阀门因流量特性不好导致的大幅度高频摆动问题，以及消除阀门开启过程中的空行程现象和阀门全关时的扰动，提高阀门控制的线性度，有助于提高机组负荷响应特性，并可减少对抗燃油系统的扰动，提高执行机构可靠性。该控制方式可实现与顺序阀控制方式的无扰切换。
Description
技术领域
本发明涉及火力发电领域，尤其涉及一种新型汽轮机调节阀控制方案，具体为一种新型汽轮机阀门控制方法。
背景技术
汽轮机阀门控制是火电厂热力循环最关键的环节之一，数十年来，汽轮机只有单阀和顺序阀两种阀门控制模式：单阀模式为汽轮机所有进汽调节阀(一般数量为4个)同步动作，保持相同的开度，汽轮机进汽节流损失较大，如图1所示；顺序阀模式一般为两个调节阀同步开启至一定开度后，第三个调节阀开启，第三个调节阀开启至一定开度后，第四个调节阀开启，各阀门是按照先后顺序开启的，故称之为顺序阀，为保证流量特性的平滑性，因此各阀门之间需要设置一定重叠度，而不能采用一个阀门全开后，再开启下一个阀门的方式，如图2所示。顺序阀较单阀模式，汽轮机进汽节流损失大为减小，但无法彻底消除，始终存在一定程度的节流损失，称之为本底节流损失。一般汽轮机阀门重叠度约6％～8％，重叠度越小，节流损失越小，经济性越好，但流量特性的平滑性不容易满足，有些机组阀门重叠度甚至高达10％～20％，严重影响了机组经济性。
由于汽轮机阀门的控制模式在目前只有单阀和顺序阀两种模式，一般机组均采用这两种模式运行，少数机组采用的复合节流调节方式其实也是单阀和顺序阀的一种混合模式。此外，目前最新超超临界机组采用的全周进汽加补汽阀的调节方式在本质上也是单阀和顺序阀的组合。汽轮机阀门优化工作一直以来都受到电厂高度重视，业内各高校和科研院所也进行了大量的研究和实践，但绝大部分研究工作都是围绕汽轮机阀门重叠度优化和滑压曲线优化展开，未能从根本上解决这一难题。
而且，在顺序阀运行条件下DEH(汽轮机数字电液调节系统，英文DigitalElectronic Hydraulic Control的缩写)中的汽轮机进汽调节阀动作情况不但影响机组的经济性，更直接影响着火电机组的实发功率和主汽压力的运行控制品质，精确合理的汽轮机调节阀位流量曲线和阀门重叠度，是提高机组AGC(自动发电控制，英文AutomaticGeneration Control的缩写)控制品质、一次调频动作质量的关键因素之一。由于调试、安装、就地设备工况点的漂移等原因，运行机组也会发生汽轮机调节阀特性曲线偏离的现象，有时甚至会发生一次调频质量下降和机组AGC控制品质下降的情况。虽然人们目前基于顺序阀模式进行了一系列精细优化工作，但汽轮机的本底节流损失仍未得到完全解决，这也成为困扰着研究人员进一步改善汽轮机效率的一大难题。
发明内容
本发明针对上述技术难题以及对应解决方案中存在的缺陷与不足，提出了一种完全不同阀门控制方案，在保证机组安全和控制精度的前提下，采用先进解耦及寻优控制策略，进行以效率最优且负荷响应好的阀门控制，实现高品质阀门管理功能，彻底消除本底节流损失，以提高机组全负荷范围运行的经济性，并可为汽轮机智慧控制提供一种新的解决方案。而且在机组负荷变动工况、阀门动态重叠时，只有一个阀门在动作(GV1、GV2是同步动作)，充分利用阀门线性度最好流量最有效的行程，且避免如顺序阀调整过程中两个阀门同时动作的情况发生，从而不会发生因阀门流量特性配合不好而引起的阀门摆动及流量、负荷波动。
本发明提出的灵巧阀控制模式并列于单阀、顺序阀模式，具体控制方案如下：
一种新型汽轮机阀门控制方法，阀门开大工况：随着综合阀位指令的持续增大，根据阀门开启顺序，在第N阀动态开启过程中，当综合阀位指令到达该阀门开度保持值时，该阀门已开启至较大开度，开度流量曲线明显变缓，则对该阀门进行开度保持，而直接开启第N+1阀，当达到解除保持条件时，解除当前第N阀的行程保持状态，使之不断开启到其阀门函数对应的开度，第N+1阀也保持到其阀门函数对应的开度；
阀门关小工况：随着综合阀位指令的持续减小，根据阀门关闭顺序，在第N阀动态关闭过程中，当随着综合阀位指令到达该阀门开度保持值时，该阀门已关小至接近关闭的较小开度，对其进行开度保持，而直接关小第N-1阀，当达到解除保持条件时，解除第N阀行程保持状态，使之不断关小到其阀门函数对应的开度，第N-1阀也关小到其阀门函数对应的开度。
上述控制方案到达的效果是，在稳态下实现阀门重叠度为0，而动态下又具有重叠度特性，消除了本底节流损失，并避免了阀门在大开度条件下的频繁大幅度空行程动作和在小开度下长时间运行。
目前机组无论在单阀，还是顺序阀模式下，机组的滑压曲线的设置都是主汽压力与机组负荷的固定函数关系，且机组背压、抽汽等外部条件的变化，以及通流等内部条件的改变，都会造成高效点的偏离，本发明提出以最优综合阀位与调节级压力的函数关系进行当前综合阀位与目标综合阀位(最优综合阀位)的偏差控制，最终实现以机组效率寻优为目标的滑压控制，最优综合阀位与调节级压力的函数关系可以通过热力试验取得，也可以进行在线实时性能计算取得(智慧控制模式)，主汽压力设置值生成具体方案为：
ACE(区域误差控制，Area Control Error的缩写，在AGC基础上，由电网侧投入自动，该方式下电网给定机组的负荷指令变化频繁且剧烈)模式滑压曲线：在现有主汽压力与机组目标负荷为函数的滑压曲线基础上，增加根据设计条件下调节级压力与机组负荷的函数来对滑压曲线中的机组目标负荷进行修正；
AGC(自动发电控制，机组跟踪电网给定的负荷指令，一般情况下机组负荷曲线提前一定时间给出)模式滑压曲线：在ACE模式滑压曲线基础上，增加以最优综合阀位与调节级压力的函数关系进行当前综合阀位与目标综合阀位(最优综合阀位)的偏差控制，综合阀位偏差做为PI控制器的输入量，PI控制器的输出量为目标主汽压力的修正值，最终实现以机组效率寻优为目标的滑压控制，最优综合阀位与调节级压力的函数关系可以通过热力试验取得，也可以进行在线实时性能计算取得，在两阀工况下，最优目标综合阀位为固定值(也可为函数)，在三阀及以上工况，最优目标综合阀位为调节级压力的函数。
灵巧阀与顺序阀的无扰切换：在机组原有的单阀/顺序阀切换的基础上，增加顺序阀和灵巧阀之间的切换方式，当机组负荷稳定且综合阀位处于灵巧阀和顺序阀的阀门函数重合区时(即顺序阀重叠度以外区域)，顺序阀和灵巧阀可以实现瞬时无扰切换，切换完成后根据各自模式对应的滑压曲线运行，机组在灵巧阀模式运行时，当机组发生甩负荷，控制模式切为转速控制模式，负荷指令置0，确保以最快的速度关小(或关闭)阀门，若在甩负荷过程中OPC(103％超速)动作，则触发灵巧阀模式切换为单阀模式。机组启动时采用单阀模式，启动完成后，由单阀切换为顺序阀，然后由顺序阀切换为灵巧阀。
本发明的优点在于：
本发明中采用的控制策略可以实现汽轮机调节阀稳态和动态的解耦控制，通过在一定条件下对阀门行程进行保持，使得调节阀在动态时具有阀门重叠度特性，可有效避免阀门大开度下的空行程问题和全关时的扰动问题；在稳态时解除阀门行程保持，执行重叠度为0的阀门函数，既消除顺序阀控制模式下机组的本底节流损失，又提高阀门控制的线性度，有助于提高机组负荷响应特性，提高机组效率，并可减少抗燃油系统的扰动，提高执行机构可靠性。在AGC模式下，使调节级压力对应最优综合阀位，使机组运行在最优运行工况，提高机组运行经济性，在ACE模式下，执行较AGC模式适度提高主汽压力的运行模式，以提高机组负荷响应特性。该控制策略在绝大多数工况下可实现灵巧阀与顺序阀控制方式的瞬时无扰切换，即使在综合阀位对应顺序阀有重叠度区间，也可以进行互切，控制系统可以消纳这一较小扰动。本发明也适用于带补汽阀的全周进汽机组。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为单阀模式综合阀位与各调节阀行程关系曲线。
图2为顺序阀模式综合阀位与各调节阀行程关系曲线。
图3为DEH顺序阀模式控制逻辑图。
图4为顺序阀(单阀)模式滑压曲线。
图5为灵巧阀模式综合阀位与各调节阀行程关系曲线。
图6为DEH灵巧阀模式控制逻辑图。
图7为DCS(分散控制系统，英文Distributed Control System的缩写，用于机组控制)灵巧阀模式主汽压力设定值逻辑图(滑压曲线)。
符号说明
GV1～4-进汽调节阀，d1～2-综合阀位指令，f1～3(d)-各模式阀门函数(即图1、2、5)，RS1～8-RS触发器，T1～11-切换块，≯1、3-高值限幅块，≮2-低值限幅块，≯≮1～4-高低值限幅块，∑0～5-加法块，Δ1～5-比较块，V≯1～4-限速块，n0-当前机组转速，ps-主汽压力设定值，p0-当前主汽压力，p1-当前汽轮机调节级压力，d(p1)-汽轮机调节级压力p1对应的最优综合阀位函数，Ps-机组目标负荷，P0-当前机组负荷，P(p1)-汽轮机调节级压力p1与设计条件下机组负荷的函数，p(P)-机组负荷与主汽压力设定值的函数。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
某600MW超临界机组单阀和顺序阀的阀门函数如图1、图2所示，综合阀位指令与各调节阀的开度(GV1～4行程的百分数)关系为固定的函数关系，任意一个综合阀位指令对应的4个调节阀的开度都是固定的。其顺序阀阀门函数的重叠度从图2中可以看出，GV3的开启点对应综合阀位为61.42％，而GV1、GV2的全开点对应综合阀位为67.42％，重叠度为6％；GV4的开启点对应综合阀位85.97％，而GV3的全开点对应综合阀位89.97％，重叠度为4％。灵巧阀的阀门函数重叠度为0，即图5中，GV3开启点与GV1、GV2全开点对应的综合阀位都为64.42％，GV4开启点与GV3的全开点都是对应综合阀位的87.97％。
单阀和顺序阀模式是按照主汽压力和机组负荷的函数来滑压运行的，其仍为固定的函数关系，滑压曲线如图4所示，而灵巧阀模式的滑压曲线是动态生成的，如图7所示，顺序阀(单阀)模式控制逻辑如图3所示。
本发明具体控制方案如下：
灵巧阀控制逻辑(如图6所示)，以四个进汽调节阀为例说明：
前两阀切三阀工况：随着综合阀位指令持续增大阀门动态开启过程中，当综合阀位指令到达前两阀保持值时，前两阀门开启至较大开度，开度流量曲线明显变缓，则对前两阀进行开度保持，而直接开启第三阀，这样可以避免前两阀的空行程，提升阀门流量的线性度，避免阀门油动机大幅度动作，当进入稳态工况且综合阀位指令大于某定值时，解除前两阀门行程保持状态，使之不断开启直到其阀门函数对应的开度，第三阀也开启到其阀门函数对应的开度，消除阀门重叠度，从而消除本底节流损失。具体为：当机组升负荷过程中，综合阀位指令d1持续增大，当达到63.16％时，脉冲上升沿使RS1触发器置位，切换块T1和T2输入切换至Y回路，即切换块T1输出63.16％保持不变(通过高值限幅块≯1限幅)，通过阀门函数f1(d)，从而使GV1、GV2对应的阀门行程保持在70％不变；此时，比较块Δ1输出为1.26％，通过高低值限幅块≯≮1、限速块V≯1、切换块T2、加法块∑2加到GV3的指令中，通过阀门函数f2(d)，使GV3开启，以保证总指令和通流能力不受影响，这样就避免了GV1、GV2在行程70％以上大幅度动作而流量变化不明显的空行程问题；当综合阀位指令d1继续增大至66.39％以上，且工况稳定以后(负荷偏差＜3MW，且主汽压力偏差＜0.1MPa)，RS1触发器复位，切换块T1和T2均切为N回路，GV1、GV2对应的阀门函数f1(d)的输入量高值限幅解除，比较块Δ1输出通过加法块∑2加到GV3的指令也按一定速率取消，GV1、GV2行程开大至全开，消除节流，GV3也保持阀门函数f2(d)对应的开度。
三阀切两阀工况：随着综合阀位指令的持续减小在阀门动态关闭过程中，当当随着综合阀位指令到达第三阀关小保持值时，第三阀关小至接近关闭的较小开度，对第三阀进行开度保持，而直接关小前两阀门，避免阀门全关和开启造成的流量扰动，当进入稳态工况且综合阀位指令小于某定值时，解除第三阀行程保持状态，使之不断关小到其阀门函数对应的开度，前两阀也关小到其阀门函数对应的开度，消除阀门重叠度，消除了本底节流损失。具体为：当机组降负荷过程中，综合阀位指令d1持续减小，当达到66.39％时，脉冲下降沿使RS2触发器置位，切换块T3和T4切为Y回路，GV3对应的阀门函数f2(d)的输入量通过低值限幅块≮2、切换块T3保持66.39％不变，则GV3对应的阀门行程保持在3％不变，此时，比较块Δ2输出为-1.97％，通过高低值限幅块≯≮2、限速块V≯2、切换块T4、加法块∑1加到GV1、GV2的指令中，通过阀门函数f1(d)，使GV1、GV2关小，以保证总指令和通流能力不受影响，这样就避免了GV3在全关过程中引起的流量扰动；当综合阀位指令d1继续减小至61.77％以下，且工况稳定以后(负荷偏差＜3MW，且主汽压力偏差＜0.1MPa)，RS2触发器复位，切换块T3和T4均切为N回路，GV3对应的阀门函数f2(d)的输入量低值限幅解除，比较块Δ2输出通过加法块∑1加到GV1、GV2的指令也按一定速率取消，GV3行程关小至全关，避免了调节过程中反复开关引起扰动，GV1、GV2也保持阀门函数f1(d)对应的开度。
三阀切四阀工况：随着综合阀位指令的持续增大，在第三阀动态开启过程中，当随着综合阀位指令到达第三阀开大保持值时，第三阀开启至较大开度，开度流量曲线明显变缓，则对第三阀进行开度保持，而直接开启第四阀，这样可以避免第三阀的空行程，提升阀门流量的线性度，避免阀门油动机大幅度动作，当进入稳态工况时，解除当前第三个阀门行程保持状态，使之不断开启到其阀门函数对应的开度，消除阀门重叠度，从而消除本底节流损失；具体为：当机组升负荷过程中，综合阀位指令d1持续增大，当达到86.14％时，脉冲上升沿触发RS3触发器置位，切换块T5和T6切为Y回路，GV3对应的阀门函数f2(d)的输入量通过高值限幅块≯3保持86.14％不变，则GV3对应的阀门行程保持在46.6％不变，此时，比较块Δ3输出为1.83％，通过高低值限幅块≯≮3、限速块V≯3、加法块∑3加到GV4的指令中，通过阀门函数f3(d)，使GV4开启，以保证总指令和通流能力不受影响，这样就避免了GV3在行程46.6％以上大幅度动作而流量变化不明显的空行程问题，由于GV4开启，改善了阀门流量特性；当工况稳定以后(负荷偏差＜3MW，且主汽压力偏差＜0.1MPa)，RS3触发器复位，切换块T5和T6均切为N回路，GV3对应的阀门函数f2(d)的输入量高值限幅解除，比较块Δ3输出通过加法块∑3加到GV4的指令也按一定速率取消，GV4关闭，使其节流消失，而GV3行程开大至阀门函数f2(d)对应的开度。
一次调频：一次调频加负荷由GV3、GV4单独或共同承担，当综合阀位大于一定值时，GV3保持开度，GV4动作；一次调频减负荷根据综合阀位的指令，由四个调节阀根据阀门函数关系共同承担。
当综合阀位指令d1＞86.14％时，遇到机组转速＜2998rpm，一次调频动作加负荷或AGC负荷－当前负荷＞5MW，RS3触发器也将置位，保持GV3开度不变，而开启GV4，使阀门具有更好的流量特性，保证机组负荷的快速响应。
无论一次调频动作加负荷或减负荷，一次调频阀控(开环)指令d2均通过加法块∑2、∑3给到GV3、GV4的阀门函数输入，而一次调频阀控(开环)指令d2通过切换块T7给到∑1，再给到GV1、GV2的阀门函数输入，当机组转速＜3000rpm，RS4触发器置位，切换块T7切为Y回路，即GV1、GV2不参与一次调频加负荷动作，当机组转速＞3000rpm，RS4触发器复位，切换块T7切为N回路，即GV1、GV2参与一次调频减负荷动作。
滑压曲线逻辑(主汽压力设定值逻辑，如图7所示)：
ACE模式：RS7触发器置位，切换块T10切为Y回路，比较块Δ4两路输入量相同，则输出为0，PI控制器输入为0，此时通过设置将PI控制器输出由当前值经限速快V≯4置0，最终使加法块∑4的输出就等于函数p(P)的输出，即主汽压力设定值为机组负荷的函数p(P)，该函数为现场试验获得(可以与单阀、顺序阀滑压曲线相同，也可以不同，但均为机组负荷和主汽压力的固定函数关系)，函数的输入量为机组目标负荷Ps加上负荷修正(通过加法块∑5)，负荷修正为当前汽轮机调节级压力p1与设计条件下机组负荷的函数P(p1)与当前机组负荷P0通过比较块Δ5求差值，这样可以修正因背压、抽汽等变化引起的机组功率的改变，以使滑压曲线符合标准纯凝工况的状态，加法块∑4的输出量输入切换块T11，若机组发生RB(机组快速减负荷，英文Run Back的缩写)时，RS8触发器置位，切换块T11切为Y回路，即进行压力保持，若RB复位，则RS8触发器复位，切换块T11切为N回路，即输出算法块的输入量，最后再通过压力高限(24.2MPa，机组设计压力)和低限(14.5MPa，由低负荷下汽轮机、锅炉、电网要求变负荷速率等决定，该定值可优选)的高低值限幅块≯≮4输出。
AGC模式：AGC模式是在ACE模式基础上增加了寻优回路，切换块T8是对应两阀工况，切换块T9作用是两阀/三阀工况切换。
机组在两阀工况下阀门开大过程中，当综合阀位指令d1＞64.42％时，RS5触发器置位，切换块T8切为Y回路，综合阀位目标给定值为58.99％(该定值可以优选)，即适当增加节流，使GV3不开启，当工况稳定以后(负荷偏差＜3MW，且主汽压力偏差＜0.1MPa)，RS5触发器复位，切换块T8切为N回路，综合阀位目标给定值为61.77％(该定值可以优选)，在满足GV3不开启的情况下，减小GV1、GV2的节流，节流幅度满足机组负荷指令不变或微小变化时，调节阀的小幅度调节波动范围即可。
在机组负荷变化过程中，当调节级压力p1＜11.6MPa，且负荷偏差＜3MW时，RS6触发器置位，切换块T9切为Y回路，即接收并输出两阀工况切换块T8的输出量，当调节级压力p1＞12.2MPa，且负荷偏差＜3MW时，RS6触发器复位，切换块T9切为N回路，即执行三阀(四阀)工况当前汽轮机调节级压力p1对应的最优综合阀位，函数d(p1)可以通过热力试验取得，也可以进行在线实时性能计算取得，即进行基于汽轮机热耗最小的初压寻优，业内相关研究很多，算法复杂，实质上只需进行调节级功率与给水泵驱动功率差值最大寻优即可，简化后为调节级焓降与给水焓升/驱动效率差值最大寻优，即MAX(Δh调节级－Δh给水/η驱动)。
AGC模式，RS7触发器复位，切换块T10切为N回路，比较块Δ4两路输入量，一路为当前综合阀位指令d1，另一路为切换块T9输出的最优综合阀位，通过PI控制器输出一个控制指令到加法块∑4，修正目标主汽压力ps，直至PI控制器的输入偏差为0。
Claims (3)
1.一种新型汽轮机阀门控制方法，其特征在于：阀门开大工况：随着综合阀位指令的持续增大，根据阀门开启顺序，在第N阀动态开启过程中，当综合阀位指令到达该阀门开度保持值时，则对该阀门进行开度保持，而直接开启第N+1阀，当达到解除保持条件时，解除当前第N阀的行程保持状态，使之不断开启到其阀门函数对应的开度，第N+1阀也保持到其阀门函数对应的开度；
阀门关小工况：随着综合阀位指令的持续减小，根据阀门关闭顺序，在第N阀动态关闭过程中，当随着综合阀位指令到达该阀门开度保持值时，对其进行开度保持，而直接关小第N-1阀，当达到解除保持条件时，解除第N阀行程保持状态，使之不断关小到其阀门函数对应的开度，第N-1阀也关小到其阀门函数对应的开度。
2.根据权利要求1所述的一种新型汽轮机阀门控制方法，其特征在于：阀门开大/关小工况开度保持的条件为：综合阀位指令持续增大/减小过程中达到阀门开度保持值；或综合阀位指令大于开度保持值时，发生一次调频动作加负荷或AGC负荷指令与当前负荷偏差大于某定值，即进行保持开度；阀门开大/关小工况解除保持的条件为：机组进入稳态工况、综合阀位指令大于/小于某定值，视情况满足一个条件或两个条件均满足即可解除保持。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型汽轮机阀门控制方法，其特征在于：针对ACE模式和AGC模式设计不同的滑压曲线，ACE模式滑压曲线：在现有主汽压力与机组目标负荷为函数的滑压曲线基础上，增加根据设计条件下调节级压力与机组负荷的函数来对滑压曲线中的机组目标负荷进行修正；AGC模式滑压曲线：在ACE模式滑压曲线基础上，增加以最优综合阀位与调节级压力的函数关系进行当前综合阀位与最优目标综合阀位的偏差控制，综合阀位偏差做为PI控制器的输入量，PI控制器的输出量为目标主汽压力的修正值，最终实现以机组效率寻优为目标的滑压控制，最优综合阀位与调节级压力的函数关系可以通过热力试验取得，也可以进行在线实时性能计算取得，在两阀工况下，最优目标综合阀位为固定值或函数，在三阀及以上工况，最优目标综合阀位为调节级压力的函数。
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|---|---|---|---|---|
| JPS55164710A (en) * | 1979-06-07 | 1980-12-22 | Nissan Motor Co Ltd | Engine capable of controlling number of operative cylinders |
| JPH0849505A (ja) * | 1994-08-05 | 1996-02-20 | Toshiba Corp | 蒸気弁試験装置 |
| CN106761963A (zh) * | 2016-12-01 | 2017-05-31 | 华电能源股份有限公司哈尔滨第三发电厂 | 一种汽轮机控制运行方法 |
| CN112129537A (zh) * | 2020-09-08 | 2020-12-25 | 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 | 一种定功率模式汽轮机组调门流量特性试验方法 |
| CN112145241A (zh) * | 2020-09-08 | 2020-12-29 | 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 | 一种汽轮机组多步序阀控方式流量特性精细化整定方法 |
-
2021
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPS55164710A (en) * | 1979-06-07 | 1980-12-22 | Nissan Motor Co Ltd | Engine capable of controlling number of operative cylinders |
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