1 問題描述

    2012年8月10日，某火電廠汽輪機（N135-13.2/535/535-2型，東方汽輪機廠生產，DEH數字電調控制系統為ovation）在帶負荷情況下做閥門切換（單閥切至順閥）過程中，當進行到500s左右時，高調門CV1與CV22由80%突升至100%，幾秒鐘后回落至80%，高調門CV3與CV4則沒有明顯變化。當時機組運行于TF模式下（汽機跟隨）。

    在排除了EH油系統、LVDT、信號干擾等方面問題后，經過分析認為是流量指令波動引起的，爐膛燃燒的變化引起主蒸汽流量變化，為了維持穩定主汽壓力，汽機主控輸出的流量指令變化比較大，從而導致調門波動。

    為了驗證這一猜測，對閥門切換過程進行建模，模擬了在流量指令變動情況下高調門的動作行為。

    2　數學建模

    汽輪機通常有四個高壓調門（以CV1、CV2、CV3和CV4為例），每個高壓調門有一個獨立的伺服控制回路，閥門的開啟由DEH邏輯進行管理，使閥門開啟按預先設定的順序進行。根據開啟順序不同，高壓調門有兩種工作模式：單閥模式和順閥模式。在單閥模式下，根據流量指令，CV1-4以相同的幅度開啟和關閉，就像是一個閥門在動作，此模式有利于閥門受熱均勻，減小熱應力。在順閥模式下，根據流量指令，CV1與CV2以相同幅度先開啟，待CV1與CV2開啟接近100%后，CV3再開啟，待CV3開啟接近100%后，CV4再開啟，各閥門之間有一定重疊度；關閉的過程與開啟過程相反，CV4先于CV3關閉，CV3先于CV1和CV2關閉。順閥模式有利于減少節流損失，提高機組熱效率，新機組一般在投產半年后由單閥模式切換為順閥模式運行。

    無論汽輪機是工作在單閥模式還是順閥模式下，CV1-4的開度均由流量指令DEHREF和單閥系數K決定，以CV1為例，其原理如圖1所示。

    其中，0≤K≤1，F（x）為單閥函數，CV1-4對應的單閥函數均相同，F1（x）為CV1的順閥函數，以此類推，F2（x）為CV2的順閥函數，F3（x）為CV3的順閥函數，F4（x）為CV4的順閥函數。由前面介紹可知，順閥模式下CV1與CV2以相同幅度開啟或關閉，因此F1（x）與F2（x）相同。    

圖1 CV1指令生成原理圖

    汽輪機由單閥模式切換到順閥模式的過程就是K值由1逐漸減小到0的過程，其時間通常為600s，因此k值每秒變化0.00167。順閥模式到單閥模式的切換是單閥模式到順閥模式切換的逆過程。

    單閥函數F（x）與順閥函數f1～f4（x）由汽輪機生產廠家根據試驗結果預先設置，不同的汽輪機這些函數不同。本文所提到的汽輪機的閥門函數如表1所示：

表1 CV1-4的閥門函數

    根據閥門函數與汽輪機單閥模式與順閥模式之間的切換原理，建立計算模型。由于順閥模式到單閥模式的切換是單閥模式到順閥模式切換的逆過程，所以僅模擬單閥模式切換到順閥模式的過程。在實際生產過程中，當工況穩定時，汽輪機的流量指令是很平穩的，僅在工況變動時變化比較大，為了研究流量指令對汽輪機高調門的波動影響，人為地在流量指令上加上1Hz的隨機噪聲干擾，其幅值在0～5%之間可調。

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    3 模擬結果與分析

    由圖1可以知道，影響CV1-4波動的因素有兩個：一是流量指令DEHREF，二是單閥系數K。    

    在單閥模式向順閥模式切換過程中，由K值的變化將其分為三個階段：切換開始（K＝1）、切換中（0＜K＜1）和切換結束（K＝0），下面分別予以分析。

    3.1 單閥模式向順閥模式切換開始階段

    此時K＝1，汽輪機處于單閥模式。設置流量指令在5%～100%范圍內遞增；設置流量指令的隨機噪聲幅值為3%，頻率為1Hz。計算出CV1-4在不同流量指令下開度如圖2所示。

圖2 K＝1時CV1-4在不同流量指令下的開度

    此時CV1-4在整個過程中的開度不穩定分析如圖3所示。    

圖3 K＝1時CV1-4開度不穩定分析

    圖2和圖3表明，當K＝1即單閥模式下，CV1-4對流量指令波動的敏感區重疊，敏感區范圍為97%＜DEHREF＜100%，比較靠后。

    因此，在單閥模式下，當流量指令97%＜DEHREF＜100%時，其波動會引起汽輪機高調門的急劇波動。

    3.2 單閥模式向順閥模式切換結束階段

    此時K＝0，汽輪機處于順閥模式。設置流量指令范圍5%～100%遞增；設置流量指令隨機噪聲幅值為3%，頻率為1Hz。計算出CV1-4在不同流量指令下開度如圖4所示。

圖4 K＝0時CV1-4在不同流量指令下的開度

    此時CV1-4在整個過程中的開度不穩定分析如圖5所示。    

圖5 K＝0時CV1-4開度不穩定分析

    圖4和圖5表明，當K＝0即順閥模式下，CV1、CV2、CV3和CV4對流量指令波動的敏感區分開了。CV1與CV2的敏感區為75%＜DEHREF＜83%，CV3的敏感區為92%＜DEHREF＜97%，CV4的敏感區為97%＜DEHREF＜100%。

    因此，在順閥模式下，當流量指令上升時，若其存在波動，對應的CV1與CV2先于CV3波動，CV3先于CV4波動。反之相反。

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    3.3 單閥模式向順閥模式切換中間階段

    此時0＜K＜1，汽輪機處于模式轉換中間階段。此階段有無數種狀態，以K＝0.5為例進行分析。設置流量指令范圍5%～100%遞增；設置隨機噪聲幅值為3%，頻率為1Hz。計算出CV1-4在不同流量指令下開度如圖6所示。

圖6 K＝0.5時CV1-4在不同流量指令下的開度

    此時CV1-4在整個過程中的開度不穩定分析如圖7所示。

圖7 K＝0.5時CV1-4開度不穩定分析

    圖6和圖7表明，在單順閥切換的中間階段，CV1與CV2出現兩段敏感區，分別為75%＜DEHREF＜83%和97%＜DEHREF＜100%；CV3出現的兩段敏感區92%＜DEHREF＜97%和97%＜DEHREF＜100%連在一起，形成一個敏感區；CV4的兩個敏感區均為97%＜DEHREF＜100%，重疊在一起。

    對比CV指令原理圖圖1可知，在模式切換的中間階段流量指令對調門的影響是單閥模式和順閥模式的疊加值，其比例分別為K和1-K。

    4 結論

    由以上分析可以得出以下結論：

    單閥模式下，CV1-4對流量指令波動的敏感區重疊在一起，其范圍比較靠后。

    順閥模式下，CV1-4對流量指令波動的敏感區拉開且CV1-3對流量指令波動的敏感區提前，當流量指令上升時，若其存在波動，對應的CV1與CV2先于CV3波動，CV3先于CV4波動。反之相反。

    模式轉換中間階段，CV1-4對流量指令波動敏感區是單閥和順閥方式下的疊加值，其比例分別為單閥系數K和1-K。

    在進行汽輪機閥門切換時，應通過穩燃等方式確保流量指令平穩變化，或避開上述敏感區。