...W核电机组半速汽轮机主汽阀和调节阀调整试验
孟德欣 王奇
[摘 要]汽轮机通流能力是汽轮机热力性能的一项重要指标，汽轮机效率与其通流能力的最佳匹配，决定了汽轮机的经济性和能力。汽轮机的通流能力与通流面积有关，通流面积越大，通流能力则越大。在实际应用中由汽轮机通流面积匹配不当引起的汽轮机能力不足的情况非常普遍。本文对某汽轮机组运行历史数据的挖掘和分析，结合其特征通流面积的特点，提出了一种新的流量特性曲线辨识方法。
[关键词]汽轮机；调节阀；通流性；损失
中图分类号：TK263.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）48-0244-01
随着汽轮机进汽参数的不断提高和机组功率的不断增大，硬件投资也随之迅速增长，从而使业主们对机组安全性和经济性的要求越来越高。从经济性角度看，汽轮机高压调节阀压损每上升1%，高压缸效率约下降0.4%.因此，降低调节阀工作压损是汽轮机开发研究中的一项课题。目前，整个配汽系统造成的压力损失和事故并未能得到明显的抑制，而且阀杆断裂、阀座拔起，以及阀杆振动引起的负荷波动，甚至导致汽轮机超速飞车的事故仍时有发生.究其原因主要是其涉及的因素太多，不少机理性的定量界限仍很模糊，致使试验研究和基础性研究进展缓慢，对调节阀事故成因的诠释仅为定性判断。
一、调节阀通流和损失特征
随着传统能源需求量不断的升高，资源使用成本的不断提高，传统能源的粗犷性利用方式越来越被抛弃，逐渐转入了能源的综合利用上来，特别是在热电、化工、水泥、生物质、焦化等行业，利用余热、生物质或者太阳能发电或拖动的中小型汽轮机逐渐的被广泛使用。汽轮机是一种以蒸汽为工质并将蒸汽的热能转换为机械能的旋转动力机械。“蒸汽进入汽轮机的第一级之前必须先经过主汽门、调节汽门和蒸汽室，蒸汽通过这些进汽机构时将产生压降，其中主汽门和调节汽门的压降最大。因为中小型汽轮机的应用要求所限，所选用的蒸汽参数一般较低，特别是25MW以下机组，蒸汽压力和温度都分别低于4.9MPa和470℃，实际热效率较低，除了在优化内部通流结构方面来提高热效率，还经常通过配汽方式的选择、调节阀结构形式的选用等来尽可能大的提高效率。“汽轮机的调节阀型腔结构复杂，其设计往往只能依据工程师的经验和猜测来进行，对阀门内部流动损失产生的机理更是知之甚少，这种设计方法直接影响阀门的气动和振动性能。”通过对调节阀真实工作状况下内部流场以及参数的变化和分布规律的研究，使设计者和科研人员对其内部的复杂流动得到更深层次的认识，进而改进其内部流场结构，降低流动损失，最终改善阀门的调节特性及稳定性能。
二、特征通流面积的辨识方法
基于特征通流面积的流量特性辨识方法逻辑结构主要结果输出以下部分组成。
1、特征通流面积。汽轮机特征通流面积表达式：
式中：F，G，p，υ，π分别为汽轮机某级段或级组的特征通流面积（m2）、蒸汽流量（kg/s）、蒸汽壓力（Pa）、蒸汽比体积（m3/kg）和压比（π=p2/p1，当达到临界值时，π=0）；下标1，2分别代表级段或级组前、后工质；下标A，B分别代表该级段或级组不同运行工况。
2、历史数据处理方法。1）稳定数据筛选原则：运行时机组重要参数均保持小幅波动或稳定不变，即机组已处于热力稳定状态；为最大限度得到机组完整运行特性，以机组负荷大幅调节过程作为数据筛选重点区域；按照采样时间顺序，将机组重要运行参数偏差均小于各自规定精度的工况数据，划分为同一工况的采样数据；对工况采样数据集进行格拉布斯分析，结果作为该工况的稳定数据。2）目标数据挖掘。数据筛选会得到数据量仍然巨大的稳定工况数据集，为获得最能表征流量特性的数据，提出一种改进的K-Mediods挖掘算法：依据总阀位值（FDEM）大小，为使辨别精度达到0.01%，选出至少N个（N≥250）个工况数据行，作为簇的粗糙初始中心，采用欧式距离作为距离度量标准，指派所有数据行到距离其最近的簇中心代表的簇；指定距离各簇均值最近的数据行作为簇初始中心，指派所有数据行到距离其最近簇中心所代表的簇；采用K-Mediods算法进行聚类，直至聚类簇中心不再发生变化（或所有计算代价S>0），所有聚类簇中心即为目标数据集。
3、特性曲线辨识计算。1）对于抽汽量与主蒸汽流量为正比关系、蒸汽流速为亚音速的高压缸，将调节级后第一压力级至高压缸排汽口之间的压力级组作为研究对象。高压加热器、厂用汽、再热器减温水等因素对该级组以后通流部分变化的影响，采用压力和比体积的乘积来修正，计算机组各采样工况的实际进汽量G（以采样最大负荷工况的进汽量标幺为其总阀位值或额定负荷工况的进汽量标幺为100%：
2）汽轮机总阀位值不变，则各阀开度不变，从而汽轮机通流面积不变，应用特征通流面积，将汽轮机高压缸入口至调节级后作为级组，计算各实际运行工况主蒸汽压力（工况B）修正到某主蒸汽压力下（工况A）的机组进汽量CA，虽然将调节阀喷嘴组临界压比作为常数在理论上值得商榷，但大量试验与计算结果均证明，由此计算出的结果却具有合理性。通过数据分析，相同总阀位值下，调节阀组与调节级组成的级组前、后工质压力呈线性关系，因此，根据总阀位指令与主蒸汽压力值可获得该级组级后压力，即主蒸汽压力变化后级组压比。通过上述辨识计算方法，获得某主蒸汽压力下机组总阀位与进汽量间关系，即可实现调节阀组流量特性曲线的辨识。在机组正常运行的工质参数范围内，模型的理论误差比改进弗留格尔公式模型误差更小，也适用于正常运行的汽轮机机组。
4、流量特性曲线优化。在主蒸汽压力额定的情况下，汽轮机的通流能力与实际进汽流量是唯一的确定关系，因此，首先给定汽轮机进汽流量与各阀开度的对应关系CCS，然后分段线性化流量特性曲线线性度不合理区段总阀位值与进汽量的关系，即可得到优化后的汽轮机总阀位值与进汽流量F′（x）以及各阀阀位值间的关系，即优化后的蒸汽流量分配系数和阀位管理函数。
调节阀是自动化控制系统中十分重要的组成部分，广泛应用在冶金、核电、石油、化工等重要行业。调节阀长时间的运行磨损、设备的自然老化以及人为损坏等原因，故障时有发生，如不对调节阀进行合理的维护和控制，将会对用户及经济造成巨大损失。
参考文献
[1] 相晓伟，毛靖儒.浅谈汽轮机调节阀通流及损失特性研究[J].西安交通大学学报，2015（10）.
[2] 陈坚红，乔庆，张宝.汽轮机调节级临界压比特性[J].浙江大学学报（工学版），2016（09）.
[3] 朱辉，湛含辉，李灿.迪恩涡运动规律的数值研究[J].湖南工业大学学报，2015（12）.
