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DCS系统调节阀流量特性单值的数学模型及评估方法

2023-08-01 72 上传者：管理员

摘要：由于进汽阀或本体设备特性变化，DEH配汽函数无法及时匹配进汽阀(组)的非线性特征，导致进汽流量控制精度下降。为适应DCS系统历史趋势图仅支持随时间而变化的折线图显示的特点，依据汽轮机原理，通过定义汽轮机流量特性因子和等效流量，提出两种较为实用的单一数值形式的汽轮机组调节阀流量特性诊断数学模型及评估方法。两种数学模型均可在DCS系统历史趋势中呈现随时间而变化的单一参数的折线趋势图，实现汽轮机组调节阀流量线性度的准确评估和实时预警功能。

关键词：
总阀位指令
汽轮机
流量特性
调节级压比
调节阀
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现代汽轮机组广泛采用DEH (Digital Electro-Hydraulic Control System)数字电液控制系统进行阀门管理[1]。运行中，汽轮机通过依次(或同步)开启若干个调节阀来增加汽轮机的进汽流量。通常将流量指令(FDEM)或总阀位指令与汽轮机实际进汽流量的数值对应关系视为汽轮机组流量特性[2]。汽轮机流量特性试验是现场精确整定汽轮机配汽函数的有效手段。线性优良的汽轮机组流量特性是开展汽轮机组调速系统建模、机网协调响应以及主参数寻优等工作的基础[3]。

现场经验表明，由于进汽阀或本体设备特性变化，DEH配汽函数无法及时匹配进汽阀(组)的非线性特征，导致进汽流量控制精度下降[4]。然而，在日常运行过程中调节阀流量特性是否线性，运行人员既没有监测手段，也没有分析工具；往往只有等到机组出现明显的控制恶化，如一次调频、AGC性能下降或是机组功率异常振荡，才可能引起运行人员的怀疑或警觉[5,6]。为此，本文依据汽轮机原理，通过定义汽轮机流量特性因子和等效流量，提出两种较为实用的单一数值形式的汽轮机组调节阀流量特性诊断数学模型及评估方法，直接利用DCS(Distributed Control System)系统历史趋势图实现汽轮机组调节阀流量线性度的科学评估和实时预警。

1、流量特性因子数学模型

运行中，通过汽轮机的实际流量G不仅与主汽压力p0有关，而且与总阀位指令φ有关；并且与二者成正比[7]。数值上可表征为：

G∝p0⋅φ (1)

式中，G为实际流量百分比，%; p0为主汽压力，MPa;φ为总阀位指令，%。

汽轮机组调节阀流量特性离不开主蒸汽流量的数值表征。在汽轮机配汽计算过程中，实际流量G是以VWO工况的数值为基准值而得到的百分比形式的无量纲标幺值。式(2)、式(3)以及式(4)均为常见的实际流量G的计算公式[8,9,10]:

G=p11p10×100 (2)G=p11p10p10v10√p11v11√×100 (3)G=p112−p212√p102−p202√p10v10√p11v11√×100 (4)

式中，p10为试验工况总阀位指令100%下的调节级压力，MPa; p20为试验工况总阀位指令100%下的高压缸排汽压力，MPa; v10为试验工况总阀位指令100%下的调节级比容，m3/kg; p11为试验工况任一总阀位指令下的调节级压力，MPa; p21为试验工况任一总阀位指令下的高压缸排汽压力，MPa; v11为试验工况任一总阀位指令下的调节级比容，m3/kg。

1.1流量特性因子

倘若实际流量G以式(2)计算，联立式(1)和式(2)可推导出：

φε=k100p10 (5)

式中，ε为调节级压比(即调节级压力与主汽压力的比值),ε=p11p0; k为比例常数。

图1总阀位指令与调节级压比

式(5)右侧中试验工况总阀位指令100%下的调节级压力p10为定值，k为常数；故而，左侧总阀位指令与调节级压比的比值为定值。如图1所示，在二维坐标中，式(5)表现为通过坐标原点的一条直线。本文将总阀位指令与调节级压比的比值(即该直线的斜率)命名为流量特性因子。

案例机组为某喷嘴配汽汽轮机组，配置4个高压调节阀；日常运行中，该机组采用顺序阀阀控方式(阀序为CV1/2→CV3→CV4)。试验人员首先进行汽轮机组调节阀流量特性试验[2,6],依据式(4)完成了该机组DEH系统配汽函数的整定工作。经试验验证，整定后的调节阀流量特性如图2所示。

图2调节阀流量特性整定后效果

然后，根据前期的汽轮机组调节阀流量特性试验数据，依据式(6)和式(7)分别求得试验工况下的流量特性因子X1和X2(如图3所示)。

X1=p00p10×100 (6)X2=p01p112−p212√p11p102−p202√p10v10√p11v11√×100 (7)

式中，X1为试验工况下以式(2)为表征的流量特性因子；X2为试验工况下以式(4)为表征的流量特性因子；p00为试验工况总阀位指令100%下的主汽压力，MPa; p01为试验工况任一总阀位指令下的主汽压力，MPa;其它参数如前所述。

由式(6)可知，试验工况下的流量特性因子X1为一常数(如图3所示);由于式(7)考虑调节级比容和高压缸排汽压力的影响，试验工况下的流量特性因子X2和X1存在一定的偏差。

图3流量特性因子X1和X2

相比式(2)、式(3)或式(4)更为吻合汽轮机变工况计算结果，具备较高的精度，在汽轮机组调节阀流量特性试验中得到广泛应用。由于式(2)和式(4)在数值表征实际流量上所得结果存在一定的差异，故而，为实现式(5)的应用，需依据式(8)求取试验工况任一总阀位指令下的总阀位指令修正系数μ(φ)(如图4所示)。

μ(φ)=X1/X2 (8)

式中，μ(φ)为试验工况下的总阀位指令修正系数。

图4总阀位指令修正系数μ(φ)

运行中，依据式(9)和式(10)分别计算机组在运行工况下的基准流量特性因子X0和未修正流量特性因子X。

X0=1εt∗×100 (9)X=φεt (10)

式中，X0为运行工况总阀位指令100%下的基准流量特性因子； εt*为运行工况总阀位指令100%下的调节级压比；X为运行工况总阀位指令φ下的未修正流量特性因子； εt为运行工况总阀位指令φ下的调节级压比。

依据式(11),计算运行工况下的机组实时流量特性因子XT:

XT=Xμ(φ) (11)

在运行工况下，当XT-X0<5%时，调节阀流量特性线性度视为正常。当XT-X0≥5%时，调节阀流量特性线性度视为异常，并提示“对配汽函数重新进行整定”。

1.2应用效果

前期，试验人员首先完成汽轮机组调节阀流量特性试验，然后，在DCS系统逻辑组态中编译并植入以上数学模型。由于DCS系统历史趋势图仅支持随时间而变化的折线图形式，故而，通过以上逻辑组态计算并输出实时流量特性因子与基准流量特性因子的偏差值XT-X0。最后，将偏差值XT-X0添加至DCS系统历史数据库，在DCS系统历史趋势中即可呈现随时间而变化的折线趋势图。

随后，在接下来一年中，利用DCS系统历史趋势图来观测调节阀流量特性线性度的变化情况。该机组在配汽函数整定过后5个月时，调节阀流量特性如图5所示。

图5 5个月后调节阀流量特性测试效果

此时，该机组的流量特性因子的XT-X0的最大值低于4%(如图6所示)。此种情形下，可认为调节阀流量特性曲线线性度正常。

图6 5个月后偏差值XT-X0测试效果

图7 11个月后调节阀流量特性测试效果

该机组在配汽函数整定过后11月的调节阀流量特性如图7所示。在总阀位指令65%～83%区域出现较为明显的线性失真现象。

图8 11个月后偏差值XT-X0测试效果

此时，该机组的流量特性因子的偏差值XT-X0的最大值超过10%(如图8所示);此种情形下，可认为调节阀流量特性曲线线性度异常，并在DCS系统历史趋势图中标红，予以警示。

2、等效流量数学模型

如上一节所述，倘若实际流量G以式(2)计算，联立式(1)和式(2)可推导出式(5)。显然，式(5)可进一步简化为：

ε∝φ (12)

式(12)表示调节级压比ε与总阀位指令φ成正比。故而，可将调节级压比ε标幺值作为汽轮机等效流量[5]。根据前期的汽轮机组调节阀流量特性试验数据，依据式(13)～式(15)计算机组在运行工况总阀位指令φ下的未修正等效流量G:

εt=ptp0 (13)εt∗=pt∗p0∗ (14)G=εtεt∗×100 (15)

式中，εt为运行工况总阀位指令φ下的调节级压比；pt为运行工况总阀位指令φ下的调节级压力；p0为运行工况总阀位指令φ下的主汽压力； εt*为运行工况总阀位指令100%下的调节级压比；pt*为运行工况总阀位指令100%下的调节级压力；p0*为运行工况总阀位指令100%下的主汽压力；G为运行工况总阀位指令φ下的未修正等效流量。

同理，根据汽轮机组调节阀流量特性试验数据，依据式(2)和式(4),分别求得试验工况下的实际流量G1和G2。如前文所述，为修正式(2)和式(4)数值表征实际流量的差异，同样需求取试验工况任一总阀位指令下的总阀位指令修正系数μ(φ)。此时，依据式(16),所得结果与图4一致。

μ(φ)=G1G2 (16)

考虑到汽轮机流量特性可能出现线性偏移现象，如图9所示，尽管汽轮机流量特性的斜率与参照线不同，但曲线仍保持线性。此时，随总阀位指令的减小，实际流量与总阀位指令之间的偏差将越来越大。为避免误判，等效流量差幅ΔG按式(17)计算：

ΔG=Gμ(φ)−φ100/(100−φ) (17)

式(17)除考虑等效流量的修正之外，还考虑基于总阀位指令的线性偏移量的几何修正。在运行工况下，当ΔG<0.75%时，调节阀流量特性线性度视为正常；当ΔG≥0.75%时，调节阀流量特性线性度视为异常，并提示“对配汽函数重新进行整定”。

图9汽轮机流量特性线性偏移示意图

2.2实施效果

将式(13)～式(17)编译进DCS系统组态，产生并输出等效流量差幅ΔG;将ΔG添加至DCS系统历史数据库。该机组在配汽函数整定过后5个月时，该机组的等效流量差幅ΔG的最大值低于0.75%(如图10所示)。此种情形下，可认为调节阀流量特性线性度正常。

图10 5个月后差幅ΔG测试效果

该机组在配汽函数整定过后11个月时，该机组的等效流量差幅ΔG的最大值超过0.75%(如图11所示)。此种情形下，可认为调节阀流量特性线性度异常，并在DCS系统历史趋势图中标红，予以警示。

图11 11个月后差幅ΔG测试效果

3、结束语

为适应DCS系统历史趋势图仅支持随时间而变化的折线图显示的特点，本文依据汽轮机原理和现场调节阀流量特性试验数据，建立了两种简洁实用的单一数值形式的汽轮机组调节阀流量特性诊断数学模型，产生并输出汽轮机流量特性因子和等效流量偏差，并将其添加至DCS系统历史数据库。实践检验，两种模型均可在无需增添任何硬件设备或监测系统的情况下，直接利用DCS系统历史趋势图对汽轮机组调节阀流量线性度的进行科学准确地评估和实时预警，提升机组安全稳定运行水平。

参考文献：

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[10]蔡颐年.蒸气轮机[M].西安:西安交通大学出版社。1988:207-210.

文章来源：刘晖明,孙涛,吴宏亮等.DCS系统调节阀流量特性单值数学模型及评估方法[J].汽轮机技术,2023,65(04):293-296.

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期刊名称：汽轮机技术

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创刊时间：1958年

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期刊开本：大16开

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