本發(fā)明涉及一種汽輪機順序閥優(yōu)化設(shè)計方法，具體涉及一種適應(yīng)電廠汽輪機全工況變負荷運行安全性、經(jīng)濟性和調(diào)節(jié)性能的八高調(diào)門汽輪機順序閥優(yōu)化設(shè)計方法，本發(fā)明用于汽輪機運行方式優(yōu)化。

背景技術(shù)：

火電機組在沖車并網(wǎng)并帶到一定負荷后，為了減少節(jié)流損失，要進行節(jié)流調(diào)節(jié)和噴嘴調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)換，從而需要實現(xiàn)單閥和順序閥控制切換，一般稱此為閥門管理。單閥是指各高壓調(diào)節(jié)閥門的指令和開度都一樣，即同時進汽的方式。順序閥是指各個高壓調(diào)節(jié)閥的指令和開度都不一樣，按照一定的順序有計劃地啟閉。因此，在低負荷運行時，只有一個(或兩個)閥門有節(jié)流損失，其余閥門全開或者全關(guān)，故調(diào)節(jié)效率較高，機組運行經(jīng)濟性較好，是汽輪機機組日常運行時采用的方式。順序閥規(guī)律設(shè)計是汽輪機閥門管理系統(tǒng)的一個重要組成部分，其必須綜合熱力學(xué)、氣體動力學(xué)、轉(zhuǎn)子動力學(xué)等相關(guān)專業(yè)的理論和知識，進行系統(tǒng)的理論和實驗研究。然而，由于汽輪機制造過程中存在差異以及現(xiàn)場安裝等因素，造成原順序閥規(guī)律曲線與機組實際特性不匹配，造成一系列影響機組安全高效運行的問題。常見的一類問題就是機組變負荷運行時有瓦溫高、軸振大等軸系故障問題。嚴重時還會出現(xiàn)由于瓦溫、軸振突增超標而致使出現(xiàn)機組非停，導(dǎo)致機組不得不一直處于單閥運行狀態(tài)。因此，一般火電機組在投運順序閥時，最佳的方案就是進行閥門管理系統(tǒng)綜合優(yōu)化。

針對一種八高調(diào)門汽輪機機組，機組的閥門配置如圖1所示：其高壓部分共有8個調(diào)節(jié)閥，對應(yīng)于8組噴嘴，其噴嘴數(shù)目相同。車采用節(jié)流配汽時，高壓部分8個調(diào)節(jié)閥根據(jù)控制系統(tǒng)的指令按相同的閥位開啟，對應(yīng)于8組噴嘴同時進汽；采用噴嘴配汽時，進汽順序為GV1+GV2+GV3+GV4→GV5+GV6→GV7+GV8，屬于下缸進汽方式，

如圖2所示為低負荷運行時順序閥開啟GV1-GV4時汽流力分布情況，從圖中可以看出高壓轉(zhuǎn)子上所受到的力除轉(zhuǎn)子自身的重力外，還增加了由于部分進汽引起的橫向力Fx＝Fx1+Fx2+Fx3+Fx4，轉(zhuǎn)子在這一合力作用下，軸心位置必然發(fā)生變化，從而對軸系產(chǎn)生很大的影響。如圖3所示，為四閥點運行時，軸心發(fā)生最大偏移時進、出油楔的面積大小分布情況。圖4為只受重力作用下進、出油油楔面積分布。從圖中可以看出由于橫向汽流力和轉(zhuǎn)子自身重力作用，導(dǎo)致軸心發(fā)生較大的向左下角偏移，出油油楔面積減小，這部分的油膜厚度降低，從而將導(dǎo)致瓦溫和軸溫升高。另外，機組變負荷運行時，都是采用兩個閥門進行調(diào)節(jié)：當機組在5閥點負荷運行時，GV5和GV6均處于半開狀態(tài)，閥門節(jié)流損失較大，經(jīng)濟性降低；當機組在7閥點負荷運行時，GV7和GV8均處于半開狀態(tài)，閥門節(jié)流損失也較大，機組經(jīng)濟性也降低。

所以，要從根本上解決上述問題，應(yīng)該尋求新的配汽方案以消除或降低調(diào)節(jié)級部分進汽時引起的附加汽流力而導(dǎo)致的軸振大和瓦溫高等軸系故障，并且在機組高負荷區(qū)段進行變負荷運行時，降低配汽節(jié)流損失，從而提升機組運行經(jīng)濟性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有運行的八高調(diào)門機組存在的順序閥進汽規(guī)律設(shè)計不合理導(dǎo)致的問題和故障，進而提出適用全工況變負荷運行的八高調(diào)門汽輪機順序閥優(yōu)化方法，即對現(xiàn)有的八調(diào)門機組采用的下缸進汽的非對角“4+2+2”閥門數(shù)目開啟規(guī)律的順序閥開啟順序進行優(yōu)化，提出一種基于對角進汽的“4+1+1+1+1”閥門數(shù)目開啟規(guī)律的順序閥優(yōu)化方案。

其中，上述順序閥進汽規(guī)律設(shè)計不合理導(dǎo)致的問題和故障具體表現(xiàn)為：

(1)由于順序閥進汽規(guī)律設(shè)計不合理，導(dǎo)致順序閥不能正常投入，機組不得不長時間單閥運行，導(dǎo)致機組變負荷經(jīng)濟性較差；

(2)機組在全工況進行變負荷運行時都是用兩個閥同時進行調(diào)節(jié)，這樣導(dǎo)致兩個閥門都是部分開啟，節(jié)流損失較大。

(3)軸振在部分負荷運行區(qū)間超過跳機值而導(dǎo)致跳機，對機組安全運行造成較大隱患。

(4)閥門設(shè)計規(guī)律曲線與實際流量特性不匹配，閥門綜合流量特性曲線線性度不佳，影響機組一次調(diào)頻性能以及AGC性能。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：

適用全工況變負荷運行的八高調(diào)門汽輪機順序閥優(yōu)化方法包括如下步驟：

步驟一：列出基于對角進汽的“4+1+1+1+1”閥門數(shù)目開啟規(guī)律的48種閥門開啟順序；

步驟二：分析步驟一中的48種不同閥門開啟順序的機組經(jīng)濟性和安全性，從中篩選出部分經(jīng)濟性和安全性較優(yōu)的閥門開啟順序；

步驟三：設(shè)計調(diào)門開關(guān)實驗，對步驟二中篩選出的閥門開啟順序進行試驗；

步驟四：對比分析在各閥序?qū)嶒炦\行時間段中的實驗數(shù)據(jù)軸振和瓦溫的均值和方差，選擇實驗結(jié)果中均值和方差較小對應(yīng)的閥門開啟順序作為最優(yōu)的順序閥開啟順序。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比包含的有益效果是：

1、本發(fā)明進汽方式的綜合優(yōu)化選擇：首先確定采用對角進汽方式的思路，并且采用的是“4+1+1+1+1模式”的閥門數(shù)目開啟規(guī)律，共有48種進汽順序方案。然后出于機組變負荷運行安全性和經(jīng)濟性的分析，選取部分較優(yōu)的順序閥進汽方案，然后設(shè)計針對篩選出的部分較優(yōu)的順序閥進汽方案進行調(diào)門開關(guān)實驗，最終根據(jù)實驗結(jié)果分析得出最優(yōu)的順序閥開啟順序，減少了相對于全部實驗的工作量。

2、本發(fā)明采用的是對角進汽的方式，機組順序閥運行方式下變工況時，瓦溫和軸振維持在安全水平內(nèi)，并保持與單閥的運行水平相當，消除了軸振大的安全隱患。能保證順序閥能安全投入，解決了不得不長時間單閥運行的經(jīng)濟性較差問題。

3、適用于全工況變負荷運行，每次控制一個閥門的開度來實現(xiàn)變負荷運行的調(diào)節(jié)，能降低節(jié)流損失，從而提升機組經(jīng)濟性。

4、能消除使機組變負荷過程中出現(xiàn)的負荷突變問題，改善機組流量特性的線性度，有利于機組的變負荷性能，對電網(wǎng)AGC以及一次調(diào)頻能力考核都極為有利，滿足電網(wǎng)的兩個細則要求，間接提高電廠運行效益。

附圖說明

圖1是機組現(xiàn)有八高調(diào)門汽輪機機組閥門配置情況；

圖2是低負荷運行時，四閥點配汽不平衡汽流力分布情況；

圖3是軸心發(fā)生最大偏移時，受配汽不平衡汽流力后進、出油楔的面積大小分布情況；

圖4是軸心只受重力作用時進、出油油楔面積分布；

圖5是汽流力示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結(jié)合圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式所述適用全工況變負荷運行的八高調(diào)門汽輪機順序閥優(yōu)化方法包括如下步驟：

步驟一：列出基于對角進汽的“4+1+1+1+1”閥門數(shù)目開啟規(guī)律的48種閥門開啟順序；

步驟二：分析步驟一中的48種不同閥門開啟順序的機組經(jīng)濟性和安全性，從中篩選出部分經(jīng)濟性和安全性較優(yōu)的閥門開啟順序；

步驟三：設(shè)計調(diào)門開關(guān)實驗，對步驟二中篩選出的閥門開啟順序進行試驗；

步驟四：對比分析在各閥序?qū)嶒炦\行時間段中的實驗數(shù)據(jù)軸振和瓦溫的均值和方差，選擇實驗結(jié)果中均值和方差較小對應(yīng)的閥門開啟順序作為最優(yōu)的順序閥開啟順序。

本實施方式的步驟一中，機組原順序閥順序為#1+#2+#3+#4→#5+#6→#7+#8，屬于下缸進汽方式，當機組低負荷運行時，尤其是#1-#4高調(diào)門開度接近全開而其他四個高調(diào)門全關(guān)時，上下缸進汽嚴重不均、溫差大，會產(chǎn)生較大的配汽不平衡汽流力和漏汽量；機組在此種進汽方式下的瓦溫軸振水平雖然不超報警值，但是機組四閥點運行時，配汽不平衡汽流力較大，軸承負載會比較大、加劇部件磨損，不利于軸系運行穩(wěn)定性，這會極大地影響機組的運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。具體表現(xiàn)在機組瓦軸振波動量較大，軸系承載過重；此外，機組變負荷調(diào)節(jié)時都是用兩個閥進行調(diào)節(jié)，節(jié)流損失較大，經(jīng)濟性降低。因此提出了基于對角進汽的“4+1+1+1+1”閥門數(shù)目開啟規(guī)律，依照這規(guī)律進行閥門開啟順序組合，共有48種閥門開啟順序，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。

具體實施方式二：結(jié)合圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式步驟二中對48種滿足基于對角進汽的“4+1+1+1+1”的閥門數(shù)目開啟規(guī)律的順序閥開啟順序作進一步安全性和經(jīng)濟性分析，利用汽流力計算分析可從這48種中篩選出8種較優(yōu)的順序閥開啟順序；這8種順序閥開啟順序如下所示：

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。本實施方式中未公開的技術(shù)特征與具體實施方式一相同。

本實施方式中對步驟一中的48種不同閥門開啟順序的機組經(jīng)濟性和安全性分析如下：

1、48種進汽順序均采用對角進汽的方式，因此能大大減小部分負荷運行時橫向汽流力。

2、48種進汽順序在變負荷運行時均采用一個高調(diào)門單獨調(diào)節(jié)，相當于增加了閥點數(shù)目，減小了部分負荷運行時的節(jié)流損失，提升了機組變負荷運行時經(jīng)濟性。

3、第(1)-第(4)、第(21)-第(24)、第(29)-第(32)、第(37)-第(40)種順序閥開啟順序，這16種開啟順序由于前四個高調(diào)門間隔雙對角開啟，將導(dǎo)致蒸汽沖刷頻率增大，加劇調(diào)節(jié)級葉片所受熱應(yīng)力疲勞，不利于機組安全性運行。

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)種順序閥開啟順序，這24種開啟順序在考慮平衡轉(zhuǎn)子自重時效果相較于第(6)、(11)、(15)、(17)、(26)、(36)、(42)、(48)種順序閥開啟順序更差。

汽輪機是靠高速的氣流通過動葉片時所產(chǎn)生的汽流力來推動轉(zhuǎn)子做功的，作用在葉片上的汽流力可以分解為圓周向分力p_u和軸向分力p_a。在調(diào)節(jié)級中由于存在多股汽流，故適宜對汽流進行分股計算。

每股汽流的圓周向分力可以由動量方程式或級的輪周功率來確定：

p_u＝G(c_1u-c_2u)

式中p_u——圓周向汽流力(N)；

G——通過該噴嘴組的流量(Kg/s)；

c_1u、c_2u——葉片進、出口汽流周向分速度(m/s)；

h_s^*——級的滯止等熵焓降(J/kg)；

η_u——級的輪周效率；

u——平均圓周速度(m/s)。

圓周向汽流力除了產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的扭矩外，還會產(chǎn)生剩余的力，如圖5所示。這部分力可以由圓周向力沿X和Y積分得到：

式中——分別為該噴嘴弧段的起始、終止角(弧度)。

軸向分力可由氣體軸向分量動量變化和葉片前后的靜壓差確定：

p_a＝G(c_1a-c_2a)+(p₁-p₂)tl

式中c_1a、c_2a——分別為葉片進、出口的軸向分速(m/s)；

p₁、p₂——葉片前后氣體靜壓力(N/m²)；

t——葉片節(jié)距(m)；

l——葉片高度(m)；

G——通過該噴嘴組的流量(Kg/s)。

通過以上對48種滿足基于對角進汽的“4+1+1+1+1”閥門數(shù)目開啟規(guī)律的順序閥開啟順序進行安全性和經(jīng)濟性的分析，篩選出的8種滿足安全性與經(jīng)濟性的順序閥閥門開順序，即第(6)、(11)、(15)、(17)、(26)、(36)、(42)、(48)種閥門開啟順序：

將這8種順序閥開啟順序重新進行排序如下所示：

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。

具體實施方式三：結(jié)合圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式步驟三中的調(diào)門開關(guān)實驗的設(shè)計，針對步驟二中篩選出來的8種較優(yōu)的順序閥開啟順序，只需設(shè)計四組調(diào)門開關(guān)實驗；

測試以上8種中第①和第②種順序閥效果的調(diào)門開關(guān)試驗的操作步驟為：在GV1至GV8八個高調(diào)門全部開啟的狀態(tài)下，逐步關(guān)小GV8的開度至完全關(guān)閉；逐步關(guān)小GV4的開度至完全關(guān)閉；逐步關(guān)小GV7的開度至完全關(guān)閉；逐步關(guān)小GV3的開度至完全關(guān)閉；逐步開啟GV4的開度至全開；逐步開啟GV8的開度至全開；逐步開啟GV3的開度至全開；逐步開啟GV7的開度至全開；最終實現(xiàn)GV1至GV8全部完全開啟，本組實驗結(jié)束；

同理可進行其余三組調(diào)門開關(guān)實驗，即測試其余6種順序閥開啟順序。本實施方式中未公開的技術(shù)特征與具體實施方式二相同。

本實施方式中采集機組運行數(shù)據(jù)進行最優(yōu)規(guī)律選取和設(shè)計。

其中采集的數(shù)據(jù)包括：GV1-GV8開度、功率、綜合流量指令、主汽/調(diào)節(jié)級后/高壓缸排汽壓力、主汽/調(diào)節(jié)級后/高壓缸排汽溫度、瓦溫、軸振、抗燃油油壓、背壓。

具體實施方式四：結(jié)合圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式步驟三中比較某一相同時間段軸振和瓦溫的均值和方差，并按從小到大依次排序，篩選出均值和方差最小所對應(yīng)的閥門開啟順序，即為最優(yōu)的順序閥開啟順序。本實施方式中未公開的技術(shù)特征與具體實施方式三相同。