适用全工况变负荷运行的八高调门汽轮机顺序阀优化方法与流程

本发明涉及一种汽轮机顺序阀优化设计方法，具体涉及一种适应电厂汽轮机全工况变负荷运行安全性、经济性和调节性能的八高调门汽轮机顺序阀优化设计方法，本发明用于汽轮机运行方式优化。

背景技术：

火电机组在冲车并网并带到一定负荷后，为了减少节流损失，要进行节流调节和喷嘴调节的转换，从而需要实现单阀和顺序阀控制切换，一般称此为阀门管理。单阀是指各高压调节阀门的指令和开度都一样，即同时进汽的方式。顺序阀是指各个高压调节阀的指令和开度都不一样，按照一定的顺序有计划地启闭。因此，在低负荷运行时，只有一个(或两个)阀门有节流损失，其余阀门全开或者全关，故调节效率较高，机组运行经济性较好，是汽轮机机组日常运行时采用的方式。顺序阀规律设计是汽轮机阀门管理系统的一个重要组成部分，其必须综合热力学、气体动力学、转子动力学等相关专业的理论和知识，进行系统的理论和实验研究。然而，由于汽轮机制造过程中存在差异以及现场安装等因素，造成原顺序阀规律曲线与机组实际特性不匹配，造成一系列影响机组安全高效运行的问题。常见的一类问题就是机组变负荷运行时有瓦温高、轴振大等轴系故障问题。严重时还会出现由于瓦温、轴振突增超标而致使出现机组非停，导致机组不得不一直处于单阀运行状态。因此，一般火电机组在投运顺序阀时，最佳的方案就是进行阀门管理系统综合优化。

针对一种八高调门汽轮机机组，机组的阀门配置如图1所示：其高压部分共有8个调节阀，对应于8组喷嘴，其喷嘴数目相同。车采用节流配汽时，高压部分8个调节阀根据控制系统的指令按相同的阀位开启，对应于8组喷嘴同时进汽；采用喷嘴配汽时，进汽顺序为GV1+GV2+GV3+GV4→GV5+GV6→GV7+GV8，属于下缸进汽方式，

如图2所示为低负荷运行时顺序阀开启GV1-GV4时汽流力分布情况，从图中可以看出高压转子上所受到的力除转子自身的重力外，还增加了由于部分进汽引起的横向力Fx＝Fx1+Fx2+Fx3+Fx4，转子在这一合力作用下，轴心位置必然发生变化，从而对轴系产生很大的影响。如图3所示，为四阀点运行时，轴心发生最大偏移时进、出油楔的面积大小分布情况。图4为只受重力作用下进、出油油楔面积分布。从图中可以看出由于横向汽流力和转子自身重力作用，导致轴心发生较大的向左下角偏移，出油油楔面积减小，这部分的油膜厚度降低，从而将导致瓦温和轴温升高。另外，机组变负荷运行时，都是采用两个阀门进行调节：当机组在5阀点负荷运行时，GV5和GV6均处于半开状态，阀门节流损失较大，经济性降低；当机组在7阀点负荷运行时，GV7和GV8均处于半开状态，阀门节流损失也较大，机组经济性也降低。

所以，要从根本上解决上述问题，应该寻求新的配汽方案以消除或降低调节级部分进汽时引起的附加汽流力而导致的轴振大和瓦温高等轴系故障，并且在机组高负荷区段进行变负荷运行时，降低配汽节流损失，从而提升机组运行经济性。

技术实现要素：

本发明为了解决现有运行的八高调门机组存在的顺序阀进汽规律设计不合理导致的问题和故障，进而提出适用全工况变负荷运行的八高调门汽轮机顺序阀优化方法，即对现有的八调门机组采用的下缸进汽的非对角“4+2+2”阀门数目开启规律的顺序阀开启顺序进行优化，提出一种基于对角进汽的“4+1+1+1+1”阀门数目开启规律的顺序阀优化方案。

其中，上述顺序阀进汽规律设计不合理导致的问题和故障具体表现为：

(1)由于顺序阀进汽规律设计不合理，导致顺序阀不能正常投入，机组不得不长时间单阀运行，导致机组变负荷经济性较差；

(2)机组在全工况进行变负荷运行时都是用两个阀同时进行调节，这样导致两个阀门都是部分开启，节流损失较大。

(3)轴振在部分负荷运行区间超过跳机值而导致跳机，对机组安全运行造成较大隐患。

(4)阀门设计规律曲线与实际流量特性不匹配，阀门综合流量特性曲线线性度不佳，影响机组一次调频性能以及AGC性能。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

适用全工况变负荷运行的八高调门汽轮机顺序阀优化方法包括如下步骤：

步骤一：列出基于对角进汽的“4+1+1+1+1”阀门数目开启规律的48种阀门开启顺序；

步骤二：分析步骤一中的48种不同阀门开启顺序的机组经济性和安全性，从中筛选出部分经济性和安全性较优的阀门开启顺序；

步骤三：设计调门开关实验，对步骤二中筛选出的阀门开启顺序进行试验；

步骤四：对比分析在各阀序实验运行时间段中的实验数据轴振和瓦温的均值和方差，选择实验结果中均值和方差较小对应的阀门开启顺序作为最优的顺序阀开启顺序。

本发明与现有技术相比包含的有益效果是：

1、本发明进汽方式的综合优化选择：首先确定采用对角进汽方式的思路，并且采用的是“4+1+1+1+1模式”的阀门数目开启规律，共有48种进汽顺序方案。然后出于机组变负荷运行安全性和经济性的分析，选取部分较优的顺序阀进汽方案，然后设计针对筛选出的部分较优的顺序阀进汽方案进行调门开关实验，最终根据实验结果分析得出最优的顺序阀开启顺序，减少了相对于全部实验的工作量。

2、本发明采用的是对角进汽的方式，机组顺序阀运行方式下变工况时，瓦温和轴振维持在安全水平内，并保持与单阀的运行水平相当，消除了轴振大的安全隐患。能保证顺序阀能安全投入，解决了不得不长时间单阀运行的经济性较差问题。

3、适用于全工况变负荷运行，每次控制一个阀门的开度来实现变负荷运行的调节，能降低节流损失，从而提升机组经济性。

4、能消除使机组变负荷过程中出现的负荷突变问题，改善机组流量特性的线性度，有利于机组的变负荷性能，对电网AGC以及一次调频能力考核都极为有利，满足电网的两个细则要求，间接提高电厂运行效益。

附图说明

图1是机组现有八高调门汽轮机机组阀门配置情况；

图2是低负荷运行时，四阀点配汽不平衡汽流力分布情况；

图3是轴心发生最大偏移时，受配汽不平衡汽流力后进、出油楔的面积大小分布情况；

图4是轴心只受重力作用时进、出油油楔面积分布；

图5是汽流力示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述适用全工况变负荷运行的八高调门汽轮机顺序阀优化方法包括如下步骤：

步骤一：列出基于对角进汽的“4+1+1+1+1”阀门数目开启规律的48种阀门开启顺序；

步骤二：分析步骤一中的48种不同阀门开启顺序的机组经济性和安全性，从中筛选出部分经济性和安全性较优的阀门开启顺序；

步骤三：设计调门开关实验，对步骤二中筛选出的阀门开启顺序进行试验；

步骤四：对比分析在各阀序实验运行时间段中的实验数据轴振和瓦温的均值和方差，选择实验结果中均值和方差较小对应的阀门开启顺序作为最优的顺序阀开启顺序。

本实施方式的步骤一中，机组原顺序阀顺序为#1+#2+#3+#4→#5+#6→#7+#8，属于下缸进汽方式，当机组低负荷运行时，尤其是#1-#4高调门开度接近全开而其他四个高调门全关时，上下缸进汽严重不均、温差大，会产生较大的配汽不平衡汽流力和漏汽量；机组在此种进汽方式下的瓦温轴振水平虽然不超报警值，但是机组四阀点运行时，配汽不平衡汽流力较大，轴承负载会比较大、加剧部件磨损，不利于轴系运行稳定性，这会极大地影响机组的运行稳定性和经济性。具体表现在机组瓦轴振波动量较大，轴系承载过重；此外，机组变负荷调节时都是用两个阀进行调节，节流损失较大，经济性降低。因此提出了基于对角进汽的“4+1+1+1+1”阀门数目开启规律，依照这规律进行阀门开启顺序组合，共有48种阀门开启顺序，如下所示：

(1)GV1+GV5+GV3+GV7→GV2→GV6→GV4→GV8；

(2)GV1+GV5+GV3+GV7→GV2→GV6→GV8→GV4；

(3)GV1+GV5+GV3+GV7→GV6→GV2→GV4→GV8；

(4)GV1+GV5+GV3+GV7→GV6→GV2→GV8→GV4；

(5)GV1+GV5+GV2+GV6→GV3→GV7→GV8→GV4；

(6)GV1+GV5+GV2+GV6→GV3→GV7→GV4→GV8；

(7)GV1+GV5+GV2+GV6→GV7→GV3→GV8→GV4；

(8)GV1+GV5+GV2+GV6→GV7→GV3→GV4→GV8；

(9)GV2+GV6+GV3+GV7→GV1→GV5→GV4→GV8；

(10)GV2+GV6+GV3+GV7→GV1→GV5→GV8→GV4；

(11)GV2+GV6+GV3+GV7→GV5→GV1→GV4→GV8；

(12)GV2+GV6+GV3+GV7→GV5→GV1→GV8→GV4；

(13)GV1+GV5+GV4+GV8→GV2→GV6→GV3→GV7；

(14)GV1+GV5+GV4+GV8→GV2→GV6→GV7→GV3；

(15)GV1+GV5+GV4+GV8→GV6→GV2→GV3→GV7；

(16)GV1+GV5+GV4+GV8→GV6→GV2→GV7→GV3；

(17)GV1+GV5+GV2+GV6→GV4→GV8→GV3→GV7；

(18)GV1+GV5+GV2+GV6→GV4→GV8→GV7→GV3；

(19)GV1+GV5+GV2+GV6→GV8→GV4→GV3→GV7；

(20)GV1+GV5+GV2+GV6→GV8→GV4→GV7→GV3；

(21)GV2+GV6+GV4+GV8→GV1→GV5→GV3→GV7；

(22)GV2+GV6+GV4+GV8→GV1→GV5→GV7→GV3；

(23)GV2+GV6+GV4+GV8→GV5→GV1→GV3→GV7；

(24)GV2+GV6+GV4+GV8→GV5→GV1→GV7→GV3；

(25)GV1+GV5+GV4+GV8→GV3→GV7→GV2→GV6；

(26)GV1+GV5+GV4+GV8→GV3→GV7→GV6→GV2；

(27)GV1+GV5+GV4+GV8→GV7→GV3→GV2→GV6；

(28)GV1+GV5+GV4+GV8→GV7→GV3→GV6→GV2；

(29)GV1+GV5+GV3+GV7→GV4→GV8→GV2→GV6；

(30)GV1+GV5+GV3+GV7→GV4→GV8→GV6→GV2；

(31)GV1+GV5+GV3+GV7→GV8→GV4→GV2→GV6；

(32)GV1+GV5+GV3+GV7→GV8→GV4→GV6→GV2；

(33)GV3+GV7+GV4+GV8→GV1→GV5→GV2→GV6；

(34)GV3+GV7+GV4+GV8→GV1→GV5→GV6→GV2；

(35)GV3+GV7+GV4+GV8→GV5→GV1→GV2→GV6；

(36)GV3+GV7+GV4+GV8→GV5→GV1→GV6→GV2；

(37)GV4+GV8+GV2+GV6→GV3→GV7→GV1→GV5；

(38)GV4+GV8+GV2+GV6→GV3→GV7→GV5→GV1；

(39)GV4+GV8+GV2+GV6→GV7→GV3→GV1→GV5；

(40)GV4+GV8+GV2+GV6→GV7→GV3→GV5→GV1；

(41)GV2+GV6+GV3+GV7→GV4→GV8→GV1→GV5；

(42)GV2+GV6+GV3+GV7→GV4→GV8→GV5→GV1；

(43)GV2+GV6+GV3+GV7→GV8→GV4→GV1→GV5；

(44)GV2+GV6+GV3+GV7→GV8→GV4→GV5→GV1；

(45)GV3+GV7+GV4+GV8→GV2→GV6→GV1→GV5；

(46)GV3+GV7+GV4+GV8→GV2→GV6→GV5→GV1；

(47)GV3+GV7+GV4+GV8→GV6→GV2→GV1→GV5；

(48)GV3+GV7+GV4+GV8→GV6→GV2→GV5→GV1。

具体实施方式二：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式步骤二中对48种满足基于对角进汽的“4+1+1+1+1”的阀门数目开启规律的顺序阀开启顺序作进一步安全性和经济性分析，利用汽流力计算分析可从这48种中筛选出8种较优的顺序阀开启顺序；这8种顺序阀开启顺序如下所示：

①、GV1+GV5+GV2+GV6→GV3→GV7→GV4→GV8；

②、GV1+GV5+GV2+GV6→GV4→GV8→GV3→GV7；

③、GV2+GV6+GV3+GV7→GV5→GV1→GV4→GV8；

④、GV2+GV6+GV3+GV7→GV4→GV8→GV5→GV1；

⑤、GV1+GV5+GV4+GV8→GV6→GV2→GV3→GV7；

⑥、GV1+GV5+GV4+GV8→GV3→GV7→GV6→GV2；

⑦、GV3+GV7+GV4+GV8→GV5→GV1→GV6→GV2；

⑧、GV3+GV7+GV4+GV8→GV6→GV2→GV5→GV1。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

本实施方式中对步骤一中的48种不同阀门开启顺序的机组经济性和安全性分析如下：

1、48种进汽顺序均采用对角进汽的方式，因此能大大减小部分负荷运行时横向汽流力。

2、48种进汽顺序在变负荷运行时均采用一个高调门单独调节，相当于增加了阀点数目，减小了部分负荷运行时的节流损失，提升了机组变负荷运行时经济性。

3、第(1)-第(4)、第(21)-第(24)、第(29)-第(32)、第(37)-第(40)种顺序阀开启顺序，这16种开启顺序由于前四个高调门间隔双对角开启，将导致蒸汽冲刷频率增大，加剧调节级叶片所受热应力疲劳，不利于机组安全性运行。

4、第(5)、第(7)-第(10)、第(12)-第(14)、第(16)、第(18)-第(20)、第(25)、第(27)-第(28)、第(33)-第(35)、第(41)、第(43)-第(47)种顺序阀开启顺序，这24种开启顺序在考虑平衡转子自重时效果相较于第(6)、(11)、(15)、(17)、(26)、(36)、(42)、(48)种顺序阀开启顺序更差。

汽轮机是靠高速的气流通过动叶片时所产生的汽流力来推动转子做功的，作用在叶片上的汽流力可以分解为圆周向分力p_u和轴向分力p_a。在调节级中由于存在多股汽流，故适宜对汽流进行分股计算。

每股汽流的圆周向分力可以由动量方程式或级的轮周功率来确定：

p_u＝G(c_1u-c_2u)

式中p_u——圆周向汽流力(N)；

G——通过该喷嘴组的流量(Kg/s)；

c_1u、c_2u——叶片进、出口汽流周向分速度(m/s)；

h_s^*——级的滞止等熵焓降(J/kg)；

η_u——级的轮周效率；

u——平均圆周速度(m/s)。

圆周向汽流力除了产生使转子转动的扭矩外，还会产生剩余的力，如图5所示。这部分力可以由圆周向力沿X和Y积分得到：

式中——分别为该喷嘴弧段的起始、终止角(弧度)。

轴向分力可由气体轴向分量动量变化和叶片前后的静压差确定：

p_a＝G(c_1a-c_2a)+(p₁-p₂)tl

式中c_1a、c_2a——分别为叶片进、出口的轴向分速(m/s)；

p₁、p₂——叶片前后气体静压力(N/m²)；

t——叶片节距(m)；

l——叶片高度(m)；

G——通过该喷嘴组的流量(Kg/s)。

通过以上对48种满足基于对角进汽的“4+1+1+1+1”阀门数目开启规律的顺序阀开启顺序进行安全性和经济性的分析，筛选出的8种满足安全性与经济性的顺序阀阀门开顺序，即第(6)、(11)、(15)、(17)、(26)、(36)、(42)、(48)种阀门开启顺序：

将这8种顺序阀开启顺序重新进行排序如下所示：

①、GV1+GV5+GV2+GV6→GV3→GV7→GV4→GV8；

②、GV1+GV5+GV2+GV6→GV4→GV8→GV3→GV7；

③、GV2+GV6+GV3+GV7→GV5→GV1→GV4→GV8；

④、GV2+GV6+GV3+GV7→GV4→GV8→GV5→GV1；

⑤、GV1+GV5+GV4+GV8→GV6→GV2→GV3→GV7；

⑥、GV1+GV5+GV4+GV8→GV3→GV7→GV6→GV2；

⑦、GV3+GV7+GV4+GV8→GV5→GV1→GV6→GV2；

⑧、GV3+GV7+GV4+GV8→GV6→GV2→GV5→GV1。

具体实施方式三：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式步骤三中的调门开关实验的设计，针对步骤二中筛选出来的8种较优的顺序阀开启顺序，只需设计四组调门开关实验；

测试以上8种中第①和第②种顺序阀效果的调门开关试验的操作步骤为：在GV1至GV8八个高调门全部开启的状态下，逐步关小GV8的开度至完全关闭；逐步关小GV4的开度至完全关闭；逐步关小GV7的开度至完全关闭；逐步关小GV3的开度至完全关闭；逐步开启GV4的开度至全开；逐步开启GV8的开度至全开；逐步开启GV3的开度至全开；逐步开启GV7的开度至全开；最终实现GV1至GV8全部完全开启，本组实验结束；

同理可进行其余三组调门开关实验，即测试其余6种顺序阀开启顺序。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式二相同。

本实施方式中采集机组运行数据进行最优规律选取和设计。

其中采集的数据包括：GV1-GV8开度、功率、综合流量指令、主汽/调节级后/高压缸排汽压力、主汽/调节级后/高压缸排汽温度、瓦温、轴振、抗燃油油压、背压。

具体实施方式四：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式步骤三中比较某一相同时间段轴振和瓦温的均值和方差，并按从小到大依次排序，筛选出均值和方差最小所对应的阀门开启顺序，即为最优的顺序阀开启顺序。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式三相同。