基于歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的汽輪機(jī)流量特性辨識(shí)與優(yōu)化

王 悅，劉菊菲，趙世通，趙太磊

（1.國家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古白音華煤電有限公司坑口發(fā)電分公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒；2.國家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古 通遼）

前言

目前大型電廠的汽輪機(jī)主要應(yīng)用DEH 數(shù)字電液控制系統(tǒng)，在DEH 中配有閥門流量特性的管理函數(shù)[1]。當(dāng)由于設(shè)備通流改造、DEH 改造、設(shè)備磨損或運(yùn)行老化等原因，汽輪機(jī)DEH 系統(tǒng)的配汽函數(shù)則不能如實(shí)的反映調(diào)門組的非線性特征，將會(huì)導(dǎo)致流量指令與最終的實(shí)際進(jìn)汽流量線性度不好，導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)負(fù)荷突變或者負(fù)荷調(diào)節(jié)不及時(shí)，引起機(jī)組震蕩，而影響機(jī)組穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、電廠的AGC 考核和一次調(diào)頻能力[2，3]。而目前對(duì)于調(diào)門流量特性的優(yōu)化調(diào)整，主要是依靠試驗(yàn)優(yōu)化人員在現(xiàn)場(chǎng)向電網(wǎng)申請(qǐng)調(diào)度，經(jīng)過閥門流量特性試驗(yàn)來進(jìn)行背壓修正、計(jì)算修改流量分配函數(shù)、重疊度函數(shù)，以保持汽輪機(jī)流量特性較高的線性度。

1 調(diào)門流量特性

調(diào)門的流量特性是其自身升程與通過其介質(zhì)流量的關(guān)系，在恒壓降的情況下是固有特性，在兩端壓力變化時(shí)是工作特性，根據(jù)文獻(xiàn)[4]的驗(yàn)證，二者在應(yīng)用上是相通的。調(diào)門的固有特性根據(jù)自身閥芯結(jié)構(gòu)可分為直線特性、等百分比特性、拋物線特性、快開流量特性。由于機(jī)組的運(yùn)行特性的要求，汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥普遍選用快開特性閥門。汽輪機(jī)組調(diào)門流量特性區(qū)別于閥門自身的流量特性，考慮了閥門和噴嘴組整體，一個(gè)閥門和對(duì)應(yīng)的噴嘴構(gòu)成一個(gè)完整的配汽單元，按照不同電廠汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)，四個(gè)或者六個(gè)配汽單元并聯(lián)為一個(gè)完整的調(diào)門組，以四個(gè)閥門為例的蒸汽通路示意圖見圖1。

圖1 四閥門蒸汽通路示意圖

機(jī)組正常運(yùn)行過程中，在順序閥方式下，閥門一般處于兩閥全開，三閥部分開啟，相比較單閥方式下閥門部分開啟運(yùn)行而言，節(jié)流損失更小，所以機(jī)組采用順序閥方式運(yùn)行居多。基于目前廣泛應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)閥門流量特性試驗(yàn)對(duì)汽輪機(jī)組流量特性進(jìn)行線性校正，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響機(jī)組正常運(yùn)行，所以本文選擇采用機(jī)組順序閥方式下運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)汽輪機(jī)組高壓調(diào)門順序閥運(yùn)行方式下的流量特性進(jìn)行辨識(shí)和相應(yīng)的優(yōu)化整定。

2 300 MW 機(jī)組流量特性辨識(shí)

本文選擇一300 MW 等級(jí)亞臨界、型號(hào)為N300—16.7/538/538，配置4 個(gè)高壓調(diào)氣閥、且閥后無測(cè)點(diǎn)的機(jī)組，在機(jī)組順序閥運(yùn)行時(shí)，閥門的開啟順序?yàn)镚V1/GV2→GV3→GV4，采集機(jī)組在正常運(yùn)行過程中的DEH 數(shù)據(jù)，共有5 760 個(gè)樣本點(diǎn)，采樣時(shí)間間隔為10 秒。

2.1 相對(duì)容積流量

對(duì)于主蒸汽流量的計(jì)算，根據(jù)文獻(xiàn)[5]提出的一種改進(jìn)的公式如式（2）得到，采用高排溫度來代替調(diào)節(jié)級(jí)溫度，

其中，G 表示實(shí)際蒸汽流量，p1表示調(diào)節(jié)級(jí)前壓力，p2表示調(diào)節(jié)級(jí)后壓力，G0,T10,p10,p20,p d0,vd0表示額定值，用高壓缸排氣壓力pd與比容vd的乘積來代替調(diào)節(jié)級(jí)溫度T1，可以彌補(bǔ)在選擇調(diào)節(jié)級(jí)后溫度測(cè)點(diǎn)時(shí)不準(zhǔn)的弊端。G/G0是相對(duì)容積流量，可以用來表征流量變化。本文選用G/G0×100%來分析閥門流量特性。

2.2 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)中主要參數(shù)信息如表1 所示，參數(shù)覆蓋范圍較廣，用來做調(diào)門組流量特性分析和優(yōu)化具有普遍性和代表性。

表1 機(jī)組部分采樣數(shù)據(jù)范圍

通過對(duì)數(shù)據(jù)的初步篩查，數(shù)據(jù)并無異常值和缺失值，接下來對(duì)穩(wěn)定工況進(jìn)行篩選。目前對(duì)于穩(wěn)定工況數(shù)據(jù)的選擇要求不唯一，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，本文采用式（3）進(jìn)行計(jì)算[6]，保持主要參數(shù)在某一時(shí)間范圍內(nèi)變化較小。

其中，Si表示進(jìn)行穩(wěn)定數(shù)據(jù)篩選的變量，在本文中S1為機(jī)組負(fù)荷，S2為機(jī)組閥位指令，S3表示機(jī)組主蒸汽壓力；Si，max、Si，min表示變量在樣本數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，δ為一常數(shù)，一般在0.05%-0.25%之間。

對(duì)采樣數(shù)據(jù)依次按照機(jī)組負(fù)荷、綜合閥位指令和主蒸汽壓力進(jìn)行了穩(wěn)定工況數(shù)據(jù)的篩選，數(shù)據(jù)量從5 760 組變?yōu)? 865 組。經(jīng)過穩(wěn)定工況篩選之后的機(jī)組閥位指令與調(diào)節(jié)級(jí)壓力與原始數(shù)據(jù)對(duì)比如圖2～圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)仍保有原始趨勢(shì)，但是減少了劇烈抖動(dòng)。

圖2 原始機(jī)組閥位指令

圖3 穩(wěn)定工況下機(jī)組閥位指令

圖4 原始機(jī)組調(diào)節(jié)級(jí)壓力

圖5 穩(wěn)定工況下調(diào)節(jié)級(jí)壓力

2.3 聚類處理

本文選擇K-Means++聚類算法對(duì)篩選后數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，K-Means++是K-Means 算法的升級(jí)，其不同之處在于聚類初始點(diǎn)的選擇上更合理，隨機(jī)選擇第一個(gè)中心點(diǎn)后，離此中心點(diǎn)越遠(yuǎn)的點(diǎn)越可能成為下一個(gè)聚類中心。

根據(jù)篩選后的穩(wěn)定數(shù)據(jù)辨識(shí)得到機(jī)組流量特性曲線，即綜合閥位指令與機(jī)組相對(duì)容積流量之間的關(guān)系曲線，如圖6，散點(diǎn)圖為實(shí)際特性曲線，直線為理想綜合閥位指令與相對(duì)容積流量的關(guān)系曲線，也可以叫做標(biāo)準(zhǔn)參考線。由圖可見，機(jī)組經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行，汽輪機(jī)實(shí)際調(diào)門流量特性曲線非線性明顯，且整體位于標(biāo)準(zhǔn)參考線下方，機(jī)組的實(shí)際進(jìn)汽流量相對(duì)總閥位指令變化較慢，小于理想應(yīng)進(jìn)汽流量，在65%～68%指令范圍內(nèi)，曲線斜率較大，閥門動(dòng)作較快；在92%指令時(shí)進(jìn)汽流量有明顯的轉(zhuǎn)折。

圖6 實(shí)際流量特性曲線

對(duì)處理后的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行100 點(diǎn)，20 點(diǎn)聚類后，得到機(jī)組流量特性曲線分別為圖7 和圖8?？梢?，聚類后的流量特性曲線仍可以很好的體現(xiàn)原有曲線趨勢(shì)，達(dá)到了精簡數(shù)據(jù)量、提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的目的，數(shù)據(jù)更具有代表性。

圖7 100 點(diǎn)聚類流量特性曲線

圖8 20 點(diǎn)聚類特性流量曲線

3 流量特性優(yōu)化

由于汽輪機(jī)調(diào)門流量特性的非線性，對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及機(jī)組AGC 和一次調(diào)頻有很大影響，所以對(duì)于調(diào)門組流量特性需要進(jìn)行線性化校正。在對(duì)機(jī)組流量特性進(jìn)行線性整定優(yōu)化時(shí)，優(yōu)化目標(biāo)曲線選為綜合閥位指令與相對(duì)容積流量的正比例線性曲線，以保證閥門進(jìn)汽流量和綜合閥門指令成線性關(guān)系。在優(yōu)化時(shí)根據(jù)目標(biāo)優(yōu)化曲線即標(biāo)準(zhǔn)參考線，相對(duì)容積流量與綜合閥位指令應(yīng)該呈現(xiàn)正比例關(guān)系，所以使用相對(duì)容積流量百分比數(shù)值代替原閥門管理函數(shù)中的綜合閥位指令，來作為綜合閥位指令數(shù)值來重新得到新的閥門管理函數(shù)，可以達(dá)到對(duì)閥門管理函數(shù)優(yōu)化校正的目的。

優(yōu)化前、優(yōu)化后的綜合閥位指令與各閥門開度關(guān)系以及其前后對(duì)比圖見圖9。

圖9 優(yōu)化前后閥門開度對(duì)比圖

通過圖9 可以觀察到優(yōu)化后的綜合閥位指令與各閥門開度的關(guān)系，閥門GV1,2 更快達(dá)到全部開啟狀態(tài)，GV3 開啟速度更快，GV4 開啟點(diǎn)提前，優(yōu)化結(jié)果符合對(duì)閥門流量特性分析時(shí)得出的閥門動(dòng)作略慢導(dǎo)致進(jìn)氣量低于流量指令的結(jié)論。

4 結(jié)論

本文通過采集某一300MW 等級(jí)機(jī)組的DEH 數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與K-means++聚類，辨識(shí)了汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥門組在順序閥運(yùn)行方式下的流量特性，并根據(jù)調(diào)門流量特性標(biāo)準(zhǔn)參考線進(jìn)行了汽輪機(jī)閥門管理函數(shù)的線性整定，優(yōu)化整定后的閥門管理函數(shù)可以使汽輪機(jī)流量特性達(dá)到較好的線性度，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。