CN1789672A - 用于涡轮控制阀测试的流量补偿 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使涡轮控制阀(28)操作安全测试冲程期间的蒸汽锅炉压力变化或者涡轮动力变化最小化的方法。本发明的方法使用控制阀(28)的位置作为反馈，并输入补偿算法，从而使周期性操作测试期间由涡轮控制阀(28)关闭和重新开启导致的流量扰动最小化。通过保持经过若干平行涡轮入口控制阀的总质量流量为常数，蒸汽发生器压力被保持为常数，并且在入口控制阀测试期间入口压力调节器不受影响。将经过若干平行涡轮入口控制阀的总质量流量保持为常数也会使入口控制阀测试期间的涡轮动力变化最小化。此外，也不需要对额外的过程参数进行监控。单个平行阀的位置(阀杆上升量)用于对入口阀(28)的位置进行闭环控制，并且足以保持常数流量。

Description

用于涡轮控制阀测试的流量补偿
技术领域
本发明涉及涡轮机，尤其涉及一种用于最大限度地减小在周期性操作测试期间由涡轮控制阀的关闭和重新开启所引起的流量扰动的方法，并且更具体地说，涉及一种使用控制阀位置作为反馈从而最大限度地减小这种流量扰动的方法。
背景技术
涡轮所需要进行的操作程序包括用于涡轮的平行入口流量控制阀的周期性操作测试(关闭和重新开启)。所进行的测试是要确认涡轮安全机制的可操作性。这种测试所存在的一个问题就是在周期性操作测试期间由涡轮控制阀的关闭和重新开启所造成的涡轮蒸汽锅炉压力变化或者涡轮功率变化。在涡轮控制阀操作安全测试期间，蒸汽锅炉压力变化或者涡轮功率力变化必须实现最小化。并且，涡轮入口压力调整或者涡轮功率反馈不可受影响或者进行修正以实现补偿。
一种已有的最小化入口压力偏差的方法是在比例调节器中使用涡轮入口压力。入口压力调节器设计是由蒸汽锅炉设计限定的并且须满足其需要，因此不能进行修改。其他用以补偿在入口控制阀的操作性测试期间出现的流量变化而导致的涡轮功率扰动的方法，包括在比例积分调节器中使用电功率反馈，或者在比例调节器中使用涡轮分级压力反馈。这些方法都不能应用于入口压力问题，因为它们都允许入口压力发生变化。这些方法中的一些也需要监视额外过程参数。
发明内容
本发明提供了一种在涡轮控制阀操作安全测试循环期间最大程度地减小蒸汽锅炉压力变化或者涡轮功率变化的方法。本发明的方法使用控制阀位置作为反馈以最大限度地减小在周期性操作测试期间由涡轮控制阀的关闭和重新开启造成的流量扰动。通过将通过若干平行涡轮入口流量控制阀的总质量流量保持恒定，在入口控制阀测试期间，蒸汽发生器压力得以保持恒定，且入口压力调节器也不会受影响。将通过若干平行涡轮入口控制阀的总质量流量保持恒定最大限度地减小了入口控制阀测试期间涡轮功率的变化。各个平行阀的位置(阀杆升程或者提升高度)已经存在，因为它用于入口控制阀位置的闭合回路控制。对于使用本发明所述的方法保持总流量恒定的目的来说，阀位置是足够的并且会导致性能的改善。也不需要在入口控制阀测试期间为减小流量扰动对现有或者额外过程参数进行监控。
流量被确定为控制阀位置，即阀杆升程，的函数。在阀测试期间由若干平行流量通道之一的关闭带来的流量变化导致系统从N个阀到N-1个阀的控制压力的变化。具有N个阀的系统和具有N-1个阀的系统的每个阀的流量特性在涡轮设计过程中被确定。由此确定的流量特性是基于总流量和各个阀杆升程。对于未进行测试的任何给定的阀，N和N-1条件之间的流量—升程特性方面的差异是已知的。该差异根据由进行测试的阀位置获得的N个阀的总需求，应用于N-1个阀中的每一个的总流量需求。
附图说明
图1是曲线图，示出相应于不同阀门升程量的、使用N个阀进行控制和使用N-1个阀进行控制时系统的总流动特性。该曲线图还示出了作为阀门升程函数的N和N-1条件之间的流量差。
图2是用于控制通过涡轮的各输入控制阀的流量的控制电路的方框图，示出了此电路与用于存在于涡轮中的总共N个阀中的一个阀的流量控制电路的连接。
图3是针对存在于涡轮中的总共N个阀中的一个阀进行控制阀测试补偿的示例性流量控制电路的方框图。
图4是控制阀测试流量补偿的曲线图，示出了为与通过四个阀的质量流量相等而为三个阀门所需的额外流量需求。
图5是使用入口压力调节器且不进行流量补偿功能的控制阀测试的曲线图。
图6是使用入口压力调节器且进行流量补偿功能的控制阀测试的曲线图。
具体实施方式
本发明涉及一种将控制阀位置用作补偿功能的反馈从而最大限度地减小在周期性操作测试期间由涡轮控制阀的关闭和重新开启造成的流量扰动的方法。根据本发明所述的方法，N个平行流量阀的总质量流量作为控制阀位置(阀杆升程)的函数进行计算。阀门测试期间由于N个平行流量阀之一的关闭而造成的流量变化，导致系统从N个阀到N-1个阀控制压力的变化。在设计阶段，具有N个阀的系统和具有N-1个阀的系统的每个阀的流动特性被确定。各流动特性基于总的流量(阀)需求。对于未进行测试的任何给定阀，N和N-1条件之间的流量差异特性是已知的。
图1中的曲线图10示出了N和N-1个涡轮流量控制阀之间的流动特性方面的差异。曲线图10的底部水平轴表示每小时磅质量流量(lbm/hr)。左边的垂直轴表示以英寸表示的阀杆升程(阀门开度)，而右边的垂直轴表示阀门开度相对于阀门所能够提供的最大开度的百分数(位置-％)。曲线图10的顶部水平轴表示蒸汽涡轮从核能源获取蒸汽的功率百分比(percentageof power)(Rx功率-％)。
曲线12示出相应于总共四个涡轮控制阀的总流量量值(lbm/hr)与阀杆升程(英寸)的对应关系。曲线14示出相应于四个涡轮控制阀中的三个的总流量量值与阀杆升程的对应关系，其中所述控制阀中的一个为了测试目的已经关闭。曲线16示出了相应于四个涡轮控制阀的总质量流量和相应于所述控制阀之一已经关闭时的三个涡轮控制阀的总质量流量之间的实际差异。因此，例如，如果四阀门组的控制阀中的每一个具有阀杆升程1”，那么所有四个阀都开启的相应流量将会是大约5.5E+06lbm/hr。相反地，如果四个控制阀之一被关闭，那么在三个阀中的每一个具有阀杆升程1”的情况下，剩余的三个阀将会产生4.0E+06lbm/hr的相应流量。这一差值反应在曲线图16中，其中曲线图16中为1”的阀杆升程对应于大约1.5E+06lbm/hr的流量差异。
曲线18表示对曲线16的“平滑”处理结果，从而提供更加适合的曲线以控制保持开启的三个控制阀的流量变化，以最大程度地减小关闭后又重新开启的第四个阀的流量扰动。因此，例如，如果通过四个阀的流量为8.0E+06lbm/hr，则曲线图10中的曲线12表示每个阀门具有大约为1.4”的阀杆升程。如果阀门之一为了测试而关闭，那么为了补偿通过关闭阀的流量损失，剩余的三个阀就需要每个阀大约0.6”的额外升程以保持8.0E+06lbm/hr的流量。曲线18可在视觉近似的基础上或者通过使用诸如回归分析等数学方法而得到。
图2是方框图20，总体上示出了通过若干平行涡轮入口控制阀中的每一个的质量流量的控制方式。如图2所示，涡轮22包括若干与涡轮运行有关的过程传感器。这些传感器包括负载传感器24、速度传感器26和压力传感器30，压力传感器30连接于控制阀28，所述控制阀28控制处理流体向涡轮22的流动。传感器24、26和30的输出分别作为输入25、27和31提供给用以控制涡轮22运行的负载控制器38、速度控制器36和压力控制器32。压力控制器32、速度控制器36和负载控制器38的相应输出34、35和40结合起来构成涡轮22的过程控制器的流量需求。输出34、35和40馈送入选择器42，并结合起来产生输出44，该输出是过程控制器使用的选定的总流量需求，以控制通过向涡轮22入口提供质量流量的各部控制阀的流量。选择器42的输出44被称为“TCV基准”(“TCV Reference”)，它是一个有效设立各阀产生的总流量需求的信号。在正常运行下，TCV基准信号馈送入测试控制电路48，该电路包括将TCV基准转换为所需阀门位置并产生设立阀门位置需求的输出49的装置。输出49由阀伺服位置回路(valve servoposition loop)47接收，该回路提供阀门28的升程的闭合回路位置控制。
为了在涡轮控制阀操作安全测试期间最大限度地减小蒸汽锅炉压力变化或者涡轮动力变化，本发明使用测试补偿电路50。该补偿电路使用控制阀位置作为反馈并通过调节通过平行控制阀的流量进行补偿，以最大限度地减小测试期间由于涡轮控制阀28的关闭和重新开启而导致的流量扰动。测试补偿电路50在图3中更详细地示出。根据本发明，针对用于控制通过涡轮22的质量流量的多个平行涡轮入口控制阀中的每个阀，测试补偿电路50将连同测试控制电路48和阀伺服位置回路47一起复制。在这方面，如图2所示，选择器42的输出44将作为信号41、43和45分别提供给控制阀2、3和N。
图3是通常用于控制通过平行涡轮入口控制阀的质量流量的测试控制电路48的更加详细的方框图。测试补偿电路50也在图3中详细示出。特别是，图3中的电路50A和50B共同构成图2所示的测试补偿电路50。
参照图3中的方框图50A，信号46-TCV基准被输入测试补偿阵列52和加法电路59中。信号-TCV基准表示为实现通过涡轮22的总质量流量的预期量值对所有平行入口控制阀的质量流量需求。测试补偿阵列52实质上是在所述控制阀中的第四个为进行测试而关闭的情况下、相应于TCV基准所需的质量流量差异为未进行测试的三个输入控制阀提供的“查寻表”(lookup table)。如上所述，给定TCV基准所需的流量补偿来自如图1所示的曲线16和18，所述曲线示出了相应于阀杆升程的不同值三个涡轮控制阀与四个涡轮控制阀总质量流量方面的差异。
图4是有效地表示由测试补偿阵列52执行的功能。补偿阵列—测试补偿阵列52，基于所需的质量流量(“TCV基准”)。其于是使图1所示的曲线18斜置而看起来象与图4曲线图75中的曲线74。曲线图75的底部水平轴表示输入测试补偿阵列52的所需的质量流量(以百分数表示的“TCV基准”)。左边的垂直轴表示从测试补偿阵列52输出的流量补偿(以百分数表示)。
测试补偿阵列52的输出馈送入采样与保持电路54，该电路接收识别为“CVx测试状态”(“CVx Test State”)的信号55。信号-“CVx测试状态”是通过启动测试开关(未示出)产生逻辑“真/假”信号，其表示由图3中所示的电路48控制的特定输入阀(这里是阀#1)是否处于测试模式。如果是“假”(表示阀#1未进行测试)，信号“CVx测试状态”能够使采样与保持电路54将测试补偿阵列52的输出传入乘法器电路56。采样与保持电路54根据TCV基准信号需要的质量流量对三个未进行测试的输入控制阀(包括阀#1)提供流量补偿。
同样输入乘法器电路56的还有第二信号70，被识别为“CVx补偿基准”(“CVx Comp Ref”)，该信号由方框图50B的电路产生。“CVx补偿基准”是三个未进行测试的阀在给定的TCV基准下所需的流量补偿量。
现在参照图50B，输入信号60，被识别为“来自用于CVm的CV伺服调节器的位置”(“Position From CV Servo Regulator For CVm”)，被输入升程流量阵列62。信号“来自用于CVm的CV伺服调节器的位置”是动态信号，表明由图3所示的电路48和阀伺服位置回路(图2中的47)控制的阀(这里是阀#1)的升程位置。升程流量阵列62实质上也是“查寻表”，当控制阀中的第四个被关闭进行测试时，相应于阀#1的阀杆升程提供为三个未进行测试的输入控制阀(包括阀#1)所用的总流量需求值的转换。如上所述，总流量需求值的转换来自图1所示的曲线12，其示出了相应于不同阀杆升程值四个涡轮控制阀的总质量流量。
采样与保持电路64接收识别为“CVm测试选择”(“CVm Test Select”)的信号71，该信号是通过启动测试开关(未示出)产生的逻辑“真/假”信号，并选择由图3所示的测试控制电路所控制的进行测试的特定输入阀(这里是阀#1)。如果“CVm测试选择”是“假”，那么它能够使采样与保持电路64将来自升程流量阵列62的流量需求值传送至除法器电路66。当“CVm测试选择”是“真”时，来自升程流量阵列62的流量需求值就被保持并且传送至除法器电路66。当该测试阀，诸如阀#1，的阀杆升程变化时，升程流量阵列电路62也为除法器电路66提供用于其他三个未进行测试的输入控制阀的变化的流量需求信号。
除法器电路66的分母“B”是来自升程流量阵列62的流量需求值。该值在给定阀的测试关闭期间保持相同。除法器电路66的分子“A”是来自升程流量阵列62的变化流量需求值，其随着被测试阀的关闭和重新开启而变化。除法器电路66的输出是一分数，随着测试阀被关闭，该值起始于1(表示不进行补偿)并且在测试阀关闭时逐渐接近0(表示100％补偿)。
除法器电路66的输出然后输入求和电路68，该电路也接收被识别为“KONE”(“K1”)的输入信号，该信号是取常数值“1”的基准信号。来自除法器电路66的输出(没有补偿时初始值为1)在求和电路68中从构成信号“K One”的固定常数“1”中减去。对于进行测试的给定阀门，该减法产生输出“0”，该输出作为信号“CVx补偿基准”馈送入未进行测试的阀门的乘法器电路56。信号“CVx补偿基准”从0开始，且当测试阀门关闭时，除法器电路66中的分子“A”当测试阀门关闭且然后重新开启时随着测试阀门升程位置的变化值变化而发生改变。由于除法器电路66的输出随着测试阀门的关闭变得越来越小，求和电路68的输出从0增加到1。随着测试阀门重新开启，求和电路68的输出从1减小至0。求和电路68的输出是输出信号70-“CVm补偿基准”，如上所述，其被输入乘法器电路56。
同样如上所述，“CVx补偿基准”是三个未进行测试的阀所需的流量补偿量的指标。因此，举例来说，如果阀#4在进行测试，并且阀#1、#2和#3中的每一个需要从1英寸开启到
Figure A20051010884900101
英寸以补偿阀#4全部关闭所损失的质量流量，那么升程的另外1/2英寸是流量补偿值乘以补偿因子的结果，其在阀#4关闭时，将阀1、2和3的升程从1英寸变化至 英寸。因此，随着阀#4关闭，相应于阀1、2和3中的每一个的流量补偿将乘以“CVx补偿基准”，该“CVx补偿基准”是变化的信号，初始从0开始，并在阀#4完全关闭时增加到1或者100％。
乘法器电路56的输出馈送入选择电路58，该电路还接收第二信号“KZERO”(“K0”)-具有常数值“0”的基准信号，以及来自阀测试控制电路48的、确定基准信号“KZERO”或者乘法器电路56的输出是否馈送入加法电路59的第三信号。在加法电路59中，选择电路58的“0”输出或者选择电路58的阀杆升程补偿信号输出与信号“TCV基准”相加并且馈送入确定阀#1的阀门升程的流量升程阵列73，如测试控制电路48所控制的那样。测试控制电路的逻辑为：选择电路58将仅在自身以外的某一阀进行测试时输出乘法器电路56的值。
为了测试本发明的方法和系统，对有待进行控制的涡轮系统进行数学建模、热力学校准并且进行实时模拟。模型系统包括带有各自控制通过四个喷嘴的流量的四个平行控制阀的源和库(source and sink)。模拟系统连接于上述本发明的控制系统的实施例。控制系统包含如上所述的用于阀测试期间流量补偿的算法。为了进行比较，控制系统设置成包括流量补偿和不使用流量补偿。总体控制计划需要使用比例调节器在所述阀前面进行压力控制。使用本发明的控制阀测试补偿控制将涡轮入口主(节流)蒸气压力的压力偏差减少95％，分别如图5和6中所示。图5中的曲线图80示出了不进行本发明流量补偿的控制阀操作测试的结果，而图6中的曲线图82示出了进行本发明流量补偿的控制阀测试的结果。在两个测试中，阀#3是为测试目的而关闭的阀。阀#3的位置在图5和6中示为曲线84，而当阀#3初始开启、关闭且然后再次开启时，系统的蒸气压力的压力变化如曲线86所示。每个阀#1、#2和#4的位置在图5和6中分别示为曲线81、83和85。
虽然结合实施例已经对本发明进行了描述，但是可以理解的是，本发明并不局限于所公开的实施例，相反，本发明覆盖了所附的权利要求的本质和范围中所包括的各种修改和等价结构。
部件列表
加法电路(9、59、68)
曲线图(10、16、75、80)
曲线(12、14、16、18、74、81、83、85、86)
方框图(20、50B)
涡轮(22)
负载传感器(24)
速度传感器(26)
涡轮控制阀(28)
输入(25、27、31)
压力传感器(30)
压力控制器(32)
输出(34、35、40)
速度控制器(36)
负载控制器(38)
信号(41、43、45)
选择器(42)
输出(44)
阀伺服位置回路(47)
测试控制电路(48)
输出(49)
测试补偿电路(50)
电路(50A、50B)
测试补偿阵列(52)
采样与保持电路(54、64)
信号(55)
乘法器电路(56)
选择电路(58)
加法电路(59)
输入信号(60)
升程流量阵列(Lift Flow Array)(62)
除法器电路(66)
第二信号(70)
信号(71)
流量升程阵列(Flow Lift Array)(73)
曲线图(80)。

Claims (10)

1、一种减小包括N个输入控制阀(28)的涡轮(22)中的、在周期性操作测试期间由所述阀(28)之一的关闭和重新开启造成的流量扰动的方法，该方法包括下述步骤：
确定对应于不同阀杆工作位置的、通过所述N个阀(28)的总质量流量(12)；
确定对应于所述不同阀杆工作位置的、通过所述N个阀(28)中的N-1个阀的总质量流量(14)；
确定对应于所述N个阀(28)的总质量流量和对应于所述N-1个阀(28)的总质量流量之间的差值(16)；
在所述一个测试阀(28)于操作测试期间被关闭和重新开启的情况下，利用对应于所述N个阀(28)的总质量流量与对应所述N-1个阀(28)的总质量流量之间的流量特性的所述差值确定未进行测试的所述N-1个阀(28)中的每一个的初始阀杆升程补偿；
当所述一个测试阀(28)进行操作测试时，对未进行测试的所述N-1个阀(28)中的每一个应用下述阀杆升程补偿：随着所述一个测试阀(28)被关闭，所述阀杆升程补偿逐渐增加，而随着所述一个测试阀(28)被重新开启，所述阀杆升程补偿逐渐减小，
由此，通过所述N-1个阀(28)的总质量流量与通过所述N个阀(28)的总质量流量保持基本相同。
2、根据权利要求1所述的方法，其中，对于未进行测试的所述N-1个阀(28)中的每个阀，所述阀(28)的阀门升程(60)用作反馈以控制应用于所述阀(28)的所述阀杆升程补偿量，从而使所述流量扰动最小化。
3、根据权利要求1所述的方法，其中，所述初始阀杆升程补偿是所述N-1个阀(28)中的每一个的最大阀门升程的百分数。
4、根据权利要求1所述的方法，其中，所述初始阀杆升程补偿使用查寻表(52)进行确定，所述查寻表基于所述N个阀(28)的总质量流量以及所述N-1个阀(28)的初始升程位置提供所述初始阀杆升程补偿的指标。
5、根据权利要求1所述的方法，其中，在“0”与“1”之间变化的因数用于确定所述初始阀杆升程补偿的全部、部分还是没有应用于未进行测试的所述N-1个阀(28)中的每个阀。
6、根据权利要求5所述的方法，其中，当所述因数是“0”时，所述初始阀杆升程补偿没有应用于未进行测试的所述N-1个阀(28)中的每一个。
7、根据权利要求5所述的方法，其中，当所述因数是“1”时，所述初始阀杆升程补偿的全部应用于未进行测试的所述N-1个阀(28)中的每一个。
8、一种减小包括N个输入控制阀(28)的涡轮(22)中的、在周期性操作测试期间由所述阀(28)之一的关闭和重新开启造成的流量扰动的系统，该系统包括：
确定对应于不同阀杆工作位置的、通过所述N个阀(28)的总质量流量的装置；
确定对应于所述不同阀杆工作位置的、通过所述N个阀(28)中的N-1个阀的总质量流量的装置；
确定对应于所述N个阀(28)的总质量流量和对应于所述N-1个阀(28)的总质量流量之间的流量特性的差值的装置；
在所述一个测试阀(28)被关闭并且重新开启而进行测试的情况下，利用对应于所述N个阀(28)的总质量流量与对应于所述N-1个阀(28)的总质量流量之间的流量特性的差值，确定未进行测试的所N-1个述阀(28)中的每一个的初始阀杆升程补偿的装置(50)；
当所述一个测试阀(28)进行操作测试时，对未进行测试的所述N-1个阀(28)中的每个应用(48)下述阀杆升程补偿的装置：随着所述一个测试阀(28)被关闭，所述阀杆升程补偿(56)逐渐增加，随着所述一个测试阀(28)被重新开启，所述阀杆升程补偿逐渐减小，
由此，涌过所述N-1个阀(28)的总质量流量与通过所述N个阀(28)的总质量流量保持基本相同。
9、一种减小包括N个输入控制阀(28)的涡轮(22)中的、在周期性操作测试期间由所述N个阀(28)之一的关闭和重新开启造成的流量扰动的系统，该系统包括：
测试补偿电路(50)，用于相应于所述涡轮(22)所需的质量流量提供所述N个输入控制阀(28)中的未进行操作测试的N-1个输入控制阀中的每一个的初始阀杆升程补偿(56)的指标；
第一采样与保持电路(54)，用于当所述第一采样与保持电路(54)检测到其相应阀(28)未进行测试的指标时，对所述测试补偿电路(52)输出的所述初始阀杆升程补偿进行采样；
乘法器电路(56)，用于在所述测试阀(28)关闭和重新开启时根据一因数确定将要应用于所述相应阀(28)的所述初始阀杆升程补偿的部分，所述因数确定应用所述阀杆升程补偿的全部、部分还是全然不用；
电路(62)，该电路用于根据所述相应阀的初始升程位置提供响应于所述相应阀(28)的初始质量流量补偿；
第二采样与保持电路(64)，用于当所述第二采样与保持电路(64)接收到所述相应阀(28)未进行测试的指标时对所述初始质量流量补偿进行采样；
除法器电路(66)，用于将变化的质量流量补偿信号除以所述初始质量流量补偿信号；以及
求和电路(68)，用于接收所述除法电路(66)的商以得到所述补偿因数，所述补偿因数用于在所述测试阀(28)关闭和重新开启时确定应用于所述相应阀(28)的所述阀杆升程补偿的部分。
由此，通过所述N-1个阀(28)的总质量流量与通过所述N个阀(28)的总质量流量保持基本相同。
10、根据权利要求9所述的系统，其中，所述求和电路(68)接收预定值的固定常数信号，从该值中减去所述除法电路(66)的商来确定所述补偿因数。
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