DCS 系統(tǒng)調(diào)門流量特性診斷數(shù)學模型及評估方法

陳 文，孫 濤，吳宏亮，周 帆，蔡 文

（1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學研究院，江西南昌 330096；2.國家電投集團江西電力有限公司，江西南昌 330096；3.國家電投集團江西電力有限公司新昌發(fā)電分公司，江西南昌 330117；4.南京英納維特自動化科技有限公司，江蘇南京 210000）

0 引言

現(xiàn)代汽輪機組廣泛采用數(shù)字電液控制系統(tǒng)（Digital Electro-Hydraulic Control System，DEH）進行閥門管理[1]。運行中，汽輪機通過依次（或同步）開啟若干個調(diào)門來增加汽輪機的進汽流量。通常將流量指令（FDEM）或總閥位指令與汽輪機實際進汽流量的數(shù)值對應關系視為汽輪機組流量特性[2]。汽輪機流量特性試驗是現(xiàn)場精確整定汽輪機配汽函數(shù)的有效手段。線性優(yōu)良的汽輪機組流量特性是開展汽輪機組調(diào)速系統(tǒng)建模、機網(wǎng)協(xié)調(diào)響應以及主參數(shù)尋優(yōu)等工作的基礎[3]。

現(xiàn)場經(jīng)驗表明，由于進汽閥或本體設備特性變化，DEH 配汽函數(shù)無法及時匹配進汽閥（組）的非線性特征，導致進汽流量控制精度下降[4]。然而，在日常運行過程中調(diào)門流量特性是否線性，運行人員既沒有監(jiān)測手段，也沒有分析工具，往往只有等到機組出現(xiàn)明顯的控制惡化，如一次調(diào)頻、AGC 性能下降或是機組功率異常振蕩，才可能引起運行人員的懷疑或警覺[5-6]。為此，文中依據(jù)汽輪機原理提出一種單一數(shù)值形式的汽輪機組調(diào)門流量特性診斷數(shù)學模型及評估方法，直接利用DCS（Distributed Control System）系統(tǒng)歷史趨勢圖，實現(xiàn)汽輪機組調(diào)門流量線性度的科學評估和實時預警。

1 理論淺析

運行中，通過汽輪機的實際流量G不僅和主汽壓力P0有關，而且，和總閥位指令φ有關；并且與二者成正比[7]。數(shù)值上可表征為：

式中：G為實際流量百分比，%；P0為主汽壓力，MPa；φ為總閥位指令，%。

汽輪機組調(diào)門流量特性離不開主蒸汽流量的數(shù)值表征。在汽輪機配汽計算過程中，實際流量G是以VWO工況的數(shù)值為基準值而得到的百分比形式的無量綱標幺值。式（2）、式（3）以及式（4）均為常見的實際流量G的計算公式[8-10]。

式中：P10為試驗工況總閥位指令100%下的調(diào)節(jié)級壓力，MPa；P20為試驗工況總閥位指令100%下的高壓缸排汽壓力，MPa；v10為試驗工況總閥位指令100%下的調(diào)節(jié)級比容，m3·kg-1；P11為試驗工況任一總閥位指令下的調(diào)節(jié)級壓力，MPa；P21為試驗工況任一總閥位指令下的高壓缸排汽壓力，MPa；v11為試驗工況任一總閥位指令下的調(diào)節(jié)級比容，m3·kg-1。

倘若實際流量G以式（2）計算，聯(lián)立式（1）和式（2）可推導為：

式中：ε=P11/P0為調(diào)節(jié)級壓比（即調(diào)節(jié)級壓力與主汽壓力的比值）；k為比例常數(shù)。

式（5）右側(cè)中試驗工況總閥位指令100%下的調(diào)節(jié)級壓力P10為定值，k為常數(shù)；故而，左側(cè)總閥位指令與調(diào)節(jié)級壓比的比值為定值。如圖1 所示，在二維坐標中，式（5）表現(xiàn)為通過坐標原點的一條直線。文中將總閥位指令與調(diào)節(jié)級壓比的比值（即該直線的斜率）命名為流量特性因子。

圖1 總閥位指令與調(diào)節(jié)級壓比

2 數(shù)學模型

案例機組為某噴嘴配汽汽輪機組，配置四個高壓調(diào)門；日常運行中，該機組采用順序閥閥控方式。試驗人員首先通過汽輪機組調(diào)門流量特性試驗[2、6]，依據(jù)式（4）完成了該機組DEH 系統(tǒng)配汽函數(shù)的整定工作。經(jīng)試驗驗證，整定后的調(diào)門流量特性如圖2所示。

圖2 調(diào)門流量特性整定后效果

根據(jù)前期的汽輪機組調(diào)門流量特性試驗數(shù)據(jù)，依據(jù)式（6）和式（7），分別求得試驗工況下的流量特性因子X1和X2（如圖3所示）。

圖3 流量特性因子X2和Y2

式中：X1為試驗工況下以式（2）為表征的流量特性因子；X2為試驗工況下以式（4）為表征的流量特性因子；p00為試驗工況總閥位指令100%下的主汽壓力，MPa；其他參數(shù)如前所述。p01為試驗工況任一總閥位指令下的主汽壓力，MPa；其他參數(shù)如前所述。

由式（6）可知，試驗工況下的流量特性因子X1為一常數(shù)，由于式（7）考慮調(diào)節(jié)級比容和高壓缸排汽壓力的影響，試驗工況下的流量特性因子X2和X1存在一定的偏差。

相比式（2）、式（3）或式（4）更為吻合汽輪機變工況計算結果，具備較高的精度，在汽輪機組調(diào)門流量特性試驗中得到廣泛應用。故而，為實現(xiàn)式（5）的應用，需依據(jù)式（8）求取試驗工況任一總閥位指令下的總閥位指令修正系數(shù)μ(φ)（如圖4所示）。

圖4 總閥位指令修正系數(shù)μ(φ)

式中：μ(φ)為試驗工況下的總閥位指令修正系數(shù)。

運行中，依據(jù)式（9）和式（10）分別計算機組在運行工況下的基準流量特性因子X0和未修正流量特性因子X。

式中：X0為運行工況總閥位指令100%下的基準流量特性因子為運行工況總閥位指令100%下的調(diào)節(jié)級壓比；X為運行工況總閥位指令φ下的未修正流量特性因子；εt為運行工況總閥位指令φ下的調(diào)節(jié)級壓比。

依據(jù)式（11），計算運行工況下的機組實時流量特性因子XT。

在運行工況下，當XT-X0＜5%時，調(diào)門流量特性線性度視為正常。當XT-X0≥5%時，調(diào)門流量特性線性度視為異常，并提示“對配汽函數(shù)重新進行整定”。

3 實施效果

前期，試驗人員首先完成汽輪機組調(diào)門流量特性試驗；然后，在DCS 系統(tǒng)邏輯組態(tài)中編譯并植入以上數(shù)學模型。由于DCS 系統(tǒng)歷史趨勢圖僅支持隨時間而變化的折線圖形式，故而，通過以上邏輯組態(tài)計算并輸出實時流量特性因子與基準流量特性因子的偏差值XT-X0。最后，將偏差值XT-X0添加至DCS系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫，在DCS 系統(tǒng)歷史趨勢中即可呈現(xiàn)隨時間而變化的折線趨勢圖。隨后，在接下來一年中，利用DCS 系統(tǒng)歷史趨勢圖來觀測調(diào)門流量特性線性度的變化情況。該機組在配汽函數(shù)整定過后五個月時，調(diào)門流量特性如圖5 所示。

此時，該機組的流量特性因子的XT-X0的最大值低于4%（見圖6）；此種情形下，可認為調(diào)門流量特性線性度正常。

圖6 五個月后偏差值XT-X0測試效果

該機組在配汽函數(shù)整定過后十一個月時，調(diào)門流量特性如圖7 所示。在總閥位指令65%～83%區(qū)域出現(xiàn)較為明顯的線性失真現(xiàn)象。

圖7 十一個月后調(diào)門流量特性測試效果

此時，該機組的流量特性因子的偏差值XT-X0的最大值超過10%（見圖8）；此種情形下，可認為調(diào)門流量特性線性度異常，并在DCS 系統(tǒng)歷史趨勢圖中標紅，予以警示。

4 結語

為適應DCS 系統(tǒng)歷史趨勢圖僅支持隨時間而變化的折線圖顯示的特點，文中依據(jù)汽輪機原理和現(xiàn)場調(diào)門流量特性試驗數(shù)據(jù)，建立了一套單一數(shù)值形式的汽輪機組調(diào)門流量特性診斷數(shù)學模型，產(chǎn)生并輸出實時流量特性因子與基準流量特性因子的偏差值XT-X0，并將其添加至DCS 系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫。在無需增添任何硬件設備或監(jiān)測系統(tǒng)的情況下，即可在原有DCS 系統(tǒng)歷史趨勢中呈現(xiàn)調(diào)門流量特性的變化情況，以幫助運行人員在日常運行過程中及早發(fā)現(xiàn)異常缺陷。