第63卷第2期
2021年4月
汽 轮 机 技 术TURBINE TECHNOLOGY
Vol. 63 No.2Apr. 2021
黄 智S 包伟伟2，袁建丽2，李璟涛2，张小晖3
(1国家电力投资集团有限公司，北京100033； 2国家电投集团中央研究院，北京102209；
3国家电投集团大连发电有限公司，大连116008)
摘要：通过高调阀流量特性试验，根据测量的一系列高调阀实际流量特性数据，整定并优化了高调阀流量特性曲 线。结果表明，优化后的阀门流量特性曲线与机组实际运行特性具有更好的契合度，实现了单、顺序阀控制模式的 无扰切换，优化了 AGC 和一次调频调节水平，显著提高了机组控制调节品质，并带来一定的经济性收 益。关键词：汽轮机；高压调节阀；流量特性曲线；优化；调节品质分类号:TK267
文献标识码：A 文章编号：1001-5884 (2021 )02-0127-04
Optimization of Flow Characteristic Curve of HP Control Valve for 300MW Unit
HUANG Zhi 1, BAO Wei-wei 2, YUAN Jian-li 2, LI Jing-tao 2, ZHANG Xiao-hui 3
(1 State Power Investment Corporation , Beijing 100033, China; 2 SPIC Central Research Institute ,
Beijing 102209, China ; 3 SPIC Dalian Power Co. , Ltd. , Dalian 116008, China )
Abstract : The flow characteristic curve of high-pressure regulating valve is set and optimized according to actual flow
characteristic data of high-pressure regulating valve. The results show that the optimized valve flow characteristic curve has a better fit with the actual operation characteristics of the unit, realizes the undisturbed switching of single valve and sequence valve control mode , optimizes the level of AGC and primary frequency regulation , significantly improves the
quality of unit control and regulation , and brings certain economic benefits.
Key words : steam turbine ； HP control valve ； flow characteristic curve ； optimization ； regulating quality
0 前 言
汽轮机高压调节阀（以下简称高调阀）是DEH 系统的主
要执行机构，高调阀管理是DEH 的主要内容。高调阀流量 特性是指通过高调阀的蒸汽流量与调阀开度的关系［1］。实
际运行中，由于阀门结构以及主蒸汽参数影响等因素，通过 高调阀的主蒸汽流量与高调阀的开度之间并不存在简单的 线性关系，而是复杂的非线性关系［2-5］。
机组正常运行时，控制系统通过高调阀开度管理控制进
入汽轮机做功的蒸汽流量，从而实现对机组功率的控制。因 此，汽轮机高调阀流量特性会直接影响与机组功率控制密切 相关的AGC 和一次调频功能的控制调节品质［6,7］。
1 DEH 阀门管理
大型电站汽轮机通常采用多个调阀进行流量控制，每个 调阀均由各自互相独立的伺服控制系统进行调节。多个调
阀的联合调节方式有单阀调节方式（所有调阀同步动作，汽 轮机全周进汽，节流损失较大）和顺序阀调节方式（调阀逐次 开启/关闭，汽轮机部分进汽，节流损失较小）两种［8,9］。
单阀方式下汽轮机部分进汽度为零，进汽室内温度分布 均匀，汽轮机转子和静子之间温差受负荷变化影响小，机组
具备较强的变负荷能力。但对主蒸汽节流比较大，造成了一
定的热经济性损失。 顺序阀方式下通常只有一个调阀处于
部分开启的节流状态，相比单阀方式，被节流的蒸汽只占其 中一部分，造成的热经济性损失比较小，但也削弱了机组的 变负荷能力，而且在低负荷时会影响机组的安全运行。图1 所示为两种阀门控制方式下的热效率简单对比。
图1不同阀门控制方式下的热效率对比
如图2所示，DEH 控制逻辑组态中，由一个比例偏置因 子和 3 个流量函数来实现阀门管理。
对于常见的凸轮式高调阀，单阀（及单个阀门）流量特性
表现为在其有效升程内，调阀内流动由超临界逐渐过渡到亚 临界，流量与阀杆升程曲线的斜率在超临界流动时保持不
变，此时通过阀门的蒸汽流量与阀门开度形成较好线性关
系；随着流动速度的下降，流量与阀杆升程曲线斜率逐渐减
收稿日期：2020-11-02
作者简介：黄智（1973-），男，硕士研究生，高级工程师。主要从事汽轮机及热力系统相关技术研究
。
128汽轮机技术第63卷
图2DEH阀门管理逻辑流程
小，调阀的流量特性逐渐失去线性，此时调阀的开度对流量的影响逐渐减小；当斜率趋近于零时，阀杆进入无效升程，即通常所说的假行程，此时调阀开度对流量的影响非常小，如图3(a)所示。
顺序阀调节时，如果去除重叠度，各阀门之间除了开启顺序并无其它联系，调阀流量特性就会表现岀多个单阀特性曲线直接简单相连的形态，如图3(b)中实线所示。表现在调速系统的特性上，实际动态转速不等率将是波折形的，这违背了调节系统平稳调节的设计要求。因此，在顺序阀调节方式下必须设置合理的重叠度，利用后开启调阀在低行程下的线性特性补偿前一调阀在高行程时的非线性特性，使阀门流量特性形成相对比较平滑的曲线，消除阀门管理对流量的控制死区，如图3(b)中虚线所示。
(«)一个调阀开启过程@)3个调阀开启过程
图3阀门升程流量特性
调阀流量特性对机组负荷控制的影响是由其非线性特性引起的，主要岀现在其非线性的拐点上。如果阀门重叠度设置过小，在前后阀门间过渡时会产生流量控制死区，将导致一定范围内阀门指令变动无法调节蒸汽流量的失控状态，在达到给定阀门开度指令时机组输岀功率与目标功率不匹配。在功率闭环调节作用下，阀门行程将逐渐调节至实际所需流量对应位置，机组输岀功率逐渐调节到目标功率。以上调节过程在AGC功能下表现为响应加长、调节速率降低、调节误差增大；在一次调频功能下表现为动态转速不等率增大、响应时间变长等。
由此可见，如果阀门重叠度过小，则调阀流量特性将形成间断的、局部突变的曲线，调速系统在调节时将岀现调节死区或线性拐点，负荷变化不均匀连续。如阀门重叠度过大，则调阀流量特性同样会形成间断的、局部突变的曲线，而且还会增大节流损失。这些情况都容易造成机组的功率控制不达标，从而容易被电网考核。因此，准确检定阀门实际特性，设置合理的阀门重叠度，使顺序阀下的调阀流量特性表现为连续的、线性的曲线，是DEH阀门管理的关键，而要实现这一目标，目前主要依靠现场试验［10-12］。
2试验原理
2.1主蒸汽流量计算方法
测定通过高调阀的蒸汽量(即主蒸汽量)是高调阀流量特性试验的必需环节。目前，工程上主要有以下3
种方法计算主蒸汽流量:
(1)
DCS系统上的主蒸汽流量通常依据汽轮机制造厂提供的热力特性数据，近似拟合岀调节级压力与主蒸汽流量的特性关系，根据特性关系和温度修正得岀主蒸汽流量。
(1)式中，Q为实际工况下主蒸汽流量；0为额定工况下主蒸汽流量；p为实际工况下调节级后压力；P1为实际工况下高排压力；P0为额定工况下调节级后压力；P01为额定工况下高排压力；T为实际工况下主蒸汽温度；为额定工况下主蒸汽温度
(2)通过汽轮机性能试验，以用高精度流量喷嘴测得的进入除氧器的凝结水流量为基础，结合汽水质能平衡关系式计算得岀主蒸汽流量。
(3)工程应用中常用弗留格尔公式对机组进行能耗分析。长期实践表明，利用弗留格尔公式理论计算的结果完全能满足一般的工程要求，是工程应用中非常有用的工具。
汽轮机在实际运行中，高排压力受第一段和第二段抽汽、轴封至冷再漏汽及再热管道等因素影响较大,DCS采用第一种方法计算岀的主蒸汽流量严重偏离实际值，因而DCS 测算的主蒸汽流量只能作为有限的参考，不具备分析机组运行的效力。采用性能试验的方法计算岀的主蒸汽流量是所有方式中准
确性最高的，但这种方式所要付岀的人力、物力和时间成本也是最高的。因而，应用弗留格尔公式来计算主蒸汽流量是高调阀流量特性优化试验的最佳选择。
2.2弗留格尔公式
弗留格尔公式通常应用于汽轮机变工况热力计算。对于由多个通流级组成的级组，若保持通流面积不变，根据弗留格尔公式的一般形式，级组的流量与热力参数的关系可由下式表示:
£"P1'2-P2")T
G-J(P12-P22)T
()式中，G、p、T分别为通过级组的流量、级组压力及级组前温度；上标表示变工况；下标“1”、“2”分别表示级组前后。
假定级组包含足够多的级，级内通流面积不变，忽略级组前温度在变工况过程中的变化，则式(2)可简化为:
22
-J P1:-匕(3)
G P1-P2
根据流体力学相关知识可知，式(3)对应变工况过程中流通蒸汽状态始终处于亚临界的级组。
同理，
对于通流蒸汽始终处于临界或超临界状态的级
第2期黄 智等：300MW 机组高调阀流量特性曲线试验及优化129
(4)
(5)
组，则流量仅与级组前压力成正比关系：
£ = ^ G = P 1
若讨论的级组由若干级组成，则有
G' = P 1' = P 2'= G = P 1 = P 1'=
2.3应用条件
式(3)的假定条件是级组的数要足够多，实际应用表明， 在相对的负荷范围内，当级组级数大于3~4级时，其应用效
果可满足一般工程要求。在相同工况时，级组内各级流量相 同，因此，在抽汽机组中应用时，应将相邻抽汽段之间的部分 视为一个级组。
同时，式(3)的成立条件是在变工况过程中级组内通流 面积不变，而机组在顺序阀方式控制时调节级通流面积发生
改变，此时式(3)可表示为:
式中，a 为通流面积的系数。2.4高调阀进汽量
对于常规带调节级的汽轮机，变工况过程中主蒸汽温度
一般保持稳定，因此主蒸汽温度对流量的影响可以忽略不
计，根据式(3)，高调阀的相对流量可用下式计算:
r
Q = P" - P , x 100%
(7)
P “ P
式中，p 、p “为高调阀最大通流状态(即所有高调阀全开)时
的主蒸汽压力和调节级压力；上标表示变工况。
高调阀总进汽量为:
Q =弘
(8)式中，Q i 为第i 个高调阀的流量。
在DEH 控制系统中，单个高调阀的流量指令以阀门开 度指令为基础，经过流量函数变换的方式给岀。以此类推， 对于单阀方式，高调阀流量指令为：
,i =,・F 1(X ) L = ,
(X ) (9)
式中，，为总流量指令；片(X )为流量分配函数；F ” (X )为 流量修正函数。
对于顺序阀方式:
,i = , •几(X ) ^ = , - (k i +仇)•心(X ) - F 4i (X )
(10)
式中，几(X )为背压修正函数；k i +仇为比例偏置因子；
亶(X )为重叠度函数；耳(X )为流量修正函数。
3试验条件及步骤
3.1试验条件
试验前检查机组主辅设备工作正常，调节系统工作特性 良好，负荷能在额定负荷至50%负荷范围之间变化。DCS 系
统测量元件检定合格并能满足精度要求，数据记录稳定，分 辨率满足测试要求。
3.2试验步骤
当确认机组运行条件满足试验要求时，退岀协调控制，
解列AGC 和一次调频，汽轮机侧切换为手动阀控模式，试验 过程尽可能维持主蒸汽压力稳定。
根据汽轮机的运行方式，汽轮机高调阀流量特性试验通 常要分别对单个调阀独立开启(对应单阀模式)和顺序阀方
式下的调阀流量特性进行测试，试验流程如图4所示。
|高压调节阀流量特性试验|
丨
|单个阀门流量特性| |顺序阀流量特性|
I . I
|数据处理|
拟合流量特性曲线 优化DEH 阀门管理函数
图4高压调阀特性试验流程
3.3单个阀门流量特性测试
(1) 将机组负荷升至90%额定负荷以上以保证所有高
调阀全开，稳定运行15min 以上，记录主蒸汽压力和调节级 压力、高调阀开度反馈、负荷等参数。
(2) 解除高调阀之间的关联，通过运行人员操作，或热控 人员强制阀门开度，以不高于5% (阀门开度低于60%时，不
高于2.5%)的阶跃量，时间间隔不少于5min 的方式逐渐缓 慢减小GV4阀门指令，直至该调阀全关。在此过程中仅对
试验调阀进行调整，其它调阀状态须保持不变。
(3) 当GV4阀门完全关闭，调整参数稳定并记录数据。
然后缓慢开启GV4恢复至全开位置，开启过程不宜过快，以 免主蒸汽压力波动太大，影响后续阀门试验。
(4) 重复以上步骤分别完成其余高调阀的流量特性测
试。
3.4顺序阀流量特性测试
(1) 试验在顺序阀控制方式下进行。
(2) 将机组负荷升至90%额定负荷以上以保证所有高
调阀全开，稳定运行15min 以上，记录主蒸汽压力和调节级 压力、高调阀开度反馈、负荷等参数。
(3) 运行人员操作或者由热控人员强制总流量指令，以 不高于2. 5%的阶跃量、时间间隔不少于5min 的方式逐步关
闭高调阀，直至仅剩第一步序开启的GV1、GV2开启状态，即
两阀点工况，此时机组负荷降至60%额定负荷左右。
(4) 为消除试验过程中随机性影响，可重复步骤(2)、(3)，进行重复性试验。
(5) 整理试验数据，并计算试验结果。
(6) 将试验结果输入控制系统，观察优化后阀门特性曲
线在运行中的实际效果，评价优化结果。
4试验机组概况
试验机组汽轮机为国产引进型330MW 亚临界凝汽式汽
轮机，型号为N330 - 17. 75/540/540，由4个高调阀进汽，配
汽方式为喷嘴调节。DCS 系统和DEH 系统均为国电智深控
制技术有限公司产品。
由于长时间运行导致的机组老化以及安装维修过程的 调整等因素影响，高调阀的流量特性曲线与岀厂时偏差较
大，已不足以满足机组的正常运行控制。日常运行中存在阀 序切换过程中阀门抖动、AGC 响应迟缓、一次调频响应负荷 值偏小等问题，导致该机组经常因此类问题被电网考核。经 过详细调研，横向对比同类型机组的运行状态，判定高调阀
的流量特性曲线与实际不符是产生影响日常运行控制问题 的主要原因，遂决定对该机组进行阀门流量特性曲线优化试
验，以改善机组调节控制品质，在电网考核中达标，并有望提
高机组经济效益。
5试验结果及分析
通过高调阀流量特性试验，利用计算的主蒸汽流量和记
录的阀门开度等数据，初步得岀高调阀流量特性曲线。按照
统计学要求，剔除坏点，并用数值计算方法对数据进行去噪 声处理，确定合适的响应系数，将特性曲线修正为一条连续
的光滑曲线，得岀相应函数。为进一步消除测量系统和数据
处理过程中产生的误差，优化阀门特性，可对试验结果进行
计算机仿真试验验证，并根据仿真试验的效果对高调阀流量 特性曲线进一步微调，得岀最终试验结果。图5所示为试验 前后的单阀流量特性曲线。
150 ----------------------------------------------------------o
O
O 5120
40 60 80 100 120
阀门开度/%
图5高调阀单阀流量特性
从图5可以看岀，优化后阀门在20%开度时仅达到
47%的流量，低于原流量曲线；阀门的开度在20% - 40%之 间时，主蒸汽流量随着调阀开度增加的增长速度逐渐变缓,
明显低于原特性；阀门开度在40%以上时，优化后特性曲线 以更微小的变化趋势达到全开状态，有利于机组高负荷时的
精细调节。
一般认为，当主蒸汽通过高调阀时的压损在10% ~15% 时的阀门开度已超过了阀杆的有效行程。这为顺序阀模式 下高调阀之间重叠度的设置提供了依据，以此为基础，可根
据机组对调节控制品质要求的实际情况选定最为合适的重 叠度。对于高调阀后蒸汽压力无法测量的机组，可以利用观
察法来确定重叠度。经对比多个方案，综合考虑机组的功率
控制品质及机组在典型运行负荷点上的经济性，优化选用表 1所列的调阀重叠度函数。
对比图6、图7可以看岀，由于优化前GV3、GV4阀门配
比流量占比较大，重叠度不合理，尤其是在GV4全开时曲线 读取流量占总流量比例高达23. 04%，与实际阀门全开状态
（GV4流量占总流量11.62%）相差较大。机组在GV3至 GV4过渡区间运行时负荷变化难以控制，同时伴随着阀门抖
表1
优化后重叠度函数
GV1/2GV3
GV4
X
y
X
y
X
y
00. 00300. 00500. 0010
7. 655211.0255
3. 0810278.07
80
30. 216419.55
10681.1310446. 67
7641. 5012091. 8511654. 8989
65. 29123
94. 14148
76. 8310492. 74
134102.5616487. 80
124
129. 33
140
107.16
图6原顺序阀流量特性
图7优化后顺序阀流量特性
动，严重影响运行安全。 而且机组运行过程中，由于高调阀
流量特性曲线的偏离，将导致经系统计算后给岀的阀位指令 与实际工况所需阀位偏差较大，这在一定程度上会增加主蒸
汽・损失，造成不必要的经济性损失。经过优化后，GV4阀
门配比流量相对于原来有所减少，与实际流量十分接近, GV3至GV4处拐点过渡平滑，可实现对阀门的有效控制，同 时修正阀点位置，最大程度地减少了主蒸汽的・损失。
从优化后的实际运行效果来看，阀门单、顺序阀切换时,
负荷波动峰值略小于5MW，远小于原来的20MW ，解决了切 阀过程中的阀门抖动问题，实现无扰切
换。在顺序阀模式
下，优化后的阀门流量特性修正了原流量特性曲线在44%及
82%处的非线性坏点，克服了 51% ~58%的调节死区，较优 化前具有更好的线性度，使调节过程更加连续、平滑，对主蒸 汽流量调节更加精确。优化后一次调频负荷变动在5%左
右,AGC 调节时负荷响应速率在15s 左右。通过缸效率测 试，高调阀流量特性曲线优化后机组在50%、75%、及100%
（下转第132页
）
0505
050505
.5.4.43322J J m
0.0.0.0.0.0.0.0.0.0. eJV/UIUI)
趣聖屮¥
050505050
.5
.4.4332.2J J
O.0.0.0.0.0.0.0.0. eJV/UIUI)
趣
鏗叵 聲
频率/Hz
05
O.图1汽机基座扰力点处动态挠度
动速度见表1
表1
。
部分节点的动态扰度及振动速度
节点动态挠度,mm/MN
振动速度，m m/s
94
0. 32 1.06
1000. 300. 98108
0. 260. 941090. 170. 571140. 230. 83118
0. 20
0. 79
根据《基础设计规范》(HTGD655066)中规定：扰力作用
点处质点竖向动态挠度应小于0. lmm/MN，振动速度应小于 1.52mm/s 。因此，某电厂1000MW 机组弹簧基础的振动速 度可以满足规范要求。
2结语
本文通过STAAD Pro 有限元模拟软件，对某电厂1000
(上接第130页)
3个典型负荷时高压缸效率较优化前分别提高约0.45%、 0.52%、0.49%，平均可降低热耗约10kJ/(kW - h)o 无论从 优化调节品质，还是提高经济性方面，均达到了本次优化试 验的目的。
6结论
通过阀门流量特性优化试验，消除了实际运行中由高调
阀实际特性偏离预设曲线而引起的调阀晃动情况，阀门控制
更加连续、稳定,AGC 与一次调频响应效果更好，并带来了一 定的经济收益。总体而言，高调阀流量
特性试验达到了校
正、优化阀门流量曲线，提高阀门控制品质的目的，对其它火
电机组高具有一定的参考价值。
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MW 汽轮发电机进行模态分析、轴系振动分析、基础静力分
析，结果表明：
(1) 基座台板的自振频率相较常规基座有明显降低，实 现了弹簧隔振基础通过改变自振频率来改善结构动力特性 的目的。正是由于有了弹簧“垫层”的作用，整体振动的振型
大大增加，有力改善了机组稳定运行的工作环境。
(2) 基座台板静变位、质点处振动速度、位移等均满足 《基础设计规范》(HTGD655066)中要求。
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