引言目前，我国大、中型火力发电机组中汽轮机均采用数字电液控制系统(DEH)进行控制，汽轮机的高压调速汽阀（以下简称“高调阀”）是DEH系统的主要执行机构[1]。机组正常运行时，DEH系统通过控制高调阀的开度改变进入汽轮机的新蒸汽流量，从而控制汽轮发电机组功率。由于高调阀结构和新蒸汽参数等影响，通过高调阀的新蒸汽流量与高调阀的开度之间存在非线性关系。因此，汽轮机高调阀的流量特性会直接影响与机组功率控制密切相关的自动发电控制(AGC)和一次调频功能的控制调节品质[2]。河北某电厂1号机组采用300 MW亚临界抽汽凝汽式汽轮发电机组，出厂时已由厂家设置好阀门特性管理函数。该机组完成切缸改造后，汽轮机高调阀流量特性发生改变，实际生产运行中仍使用原有管理函数会影响DEH系统对机组功率的控制，亟须优化调整，以保证机组安全稳定运行[3-4]。1高调阀流量特性测试蒸汽流量是汽轮机的能量来源，通过调节高调阀开度改变蒸汽流量调整汽轮机做功能力。高调阀是DEH系统的主要被控对象，属于快开型调节阀，其流量具有非线性特征[5]。为了便于稳定控制机组，在DEH系统中，设置流量特性管理函数使汽轮机流量指令与实际进汽量具有线性关系[6]。流量特性指被调介质流过调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之间的关系，是调节阀最重要的指标之一[7]。调节阀的流量特性分为理想流量特性和工作流量特性。高调阀的流量特性函数管理通过高调阀的蒸汽流量与高调阀开度的关系[8]。为了确定各高压调速汽阀的实际工作流量特性曲线，优化开启重叠度，使阀门管理函数与实际相符，开展汽轮机组高调阀流量特性测试，获得各高调阀及阀组工作流量特性数据[9]。新蒸汽经过分布在机组高压缸两侧的2只主蒸汽门，进入各有3只高调阀的蒸汽室，蒸汽经过6只高调阀控制的6组喷嘴进入正向的调节级做功，气流折回180°反向流动至11级反动级膨胀做功。高调阀设计流量特性曲线如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.015.F001图1高调阀设计流量特性曲线在顺序阀运行模式下，高调阀开启顺序为GV1/2-GV3-GV5-GV6-GV4。高调阀阀组流量管理函数曲线如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.015.F002图2高调阀阀组流量管理函数曲线2阀门流量特性计算模型采用汽轮机第一级（调节级）压力表征进入汽轮机主蒸汽流量，对各高调阀依次进行流量特性测试，获得其流量特性，计算阀组流量特性[10]。试验结果不受顺序阀阀序的影响，利用已有数据计算即可得到阀序调整后阀组的流量特性[11]。2.1高调阀流量特性主蒸汽流量为：D=(Pe/P1-Pt,min/Pm,min)(Pt,max/Pm,max-Pt,min/Pm,min)×100 (1)式中：D——等效调阀流量，%；Pt,max、Pt,min——调门全开、全关时的调节级压力，MPa；Pm,max、Pm,min——调门全开、全关时的主蒸汽压力，MPa。2.2阀组整体流量特性通过弗留格尔公式计算阀组实际通流流量。Q=Pe/Pe0×P10/P1×100 (2)式中：Q——等效实际流量，%；Pe——试验调节级压力，MPa；Pe0——为设计调节级压力，MPa；P1——试验主蒸汽压力；P10——设计主蒸汽压力，MPa。3阀门流量特性测试结果与比较分析流量特性曲线是阀门的固有物理特性，由阀门行程、通流尺寸等因素决定。部分高调阀长期运行在节流状态会产生磨损，出现工作行程与理论行程不一致等现象，导致其工作流量特性与理想流量特性曲线发生改变。调节阀理想流量特性模拟与试验对比较为重要[12]。3.1各高调阀流量特性计算由专业技术人员调整高调阀开度，完成各高调阀流量特性试验，依次测试高压调速汽阀4(GV4)、高压调速汽阀6(GV6)、高压调速汽阀5(GV5)、高压调速汽阀3(GV3)的流量特性。根据高调阀流量特性的计算模型得到各高调阀理想流量特性曲线与实际工作特性曲线对比。GV4流量特性曲线如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.015.F003图3GV4流量特性曲线由图3可知，与设计值相比，试验中GV4流量死区由0~6%开度扩大到0~12%开度；12%~30%开度段是流量快速响应区，其曲线斜率有所增大，使得相同流量需求下调门开度增大；其他区段线型变化不大。GV6流量特性曲线如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.015.F004图4GV6流量特性曲线由图4可知，与设计值相比，试验中GV6流量死区由0~6%开度扩大到0~10%开度；10%~22%开度段曲线斜率趋缓；22%~45%开度段曲线线型变化使得相同流量需求下GV6调门开度不同程度地增大，平均增大约10%。GV5流量特性曲线如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.015.F005图5GV5流量特性曲线由图5可知，与设计值相比，GV5流量死区由0~6%扩大到0~10%；10%~30%段是流量的快速响应区，曲线斜率有所增大，使得相同流量需求下调门开度增大；30%~45%段曲线线型变化不大。GV3流量特性曲线测试过程中，GV1、GV2、GV5、GV6全开、GV4关闭，GV3试验开度降至约23%，测试因机组振动突增临近限制而中止。3.2顺序阀运行模式下阀组流量特性计算保持压力的设定值和高调阀的开度，机组开始按照0.5%/min~1.0%/min进行降负荷指令试验，通过设定DEH参考负荷指令的方式让6个高调阀缓慢关闭。根据阀组整体流量特性的计算方法，整理试验数据，得到顺序阀运行模式下汽轮机高调阀阀组流量特性曲线，如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.015.F006图6顺序阀模式下高调阀阀组流量特性曲线由图6可知，在顺序阀运行模式下，与理想流量特性相比，DEH系统综合阀位指令的工作流量特性最大存在+0.12%和-11.17%的偏离，且负荷越低，偏差越大；综合阀位指令在79.5%和92.0%附近存在突变现象，79.5%~82.0%和92.0%~93.0%段存在死区，86.0%附近偏差较大；流量特性曲线线性度存在不合理的区段，计算流量的标准差为2.33%，大于2.00%。3.3单阀运行模式下阀组流量特性计算机组由顺序阀模式切换至单阀模式运行，切换过程中调阀开度晃动大，主蒸汽压力和负荷波动明显。保持机组参数，按照0.5%/min~1.0%/min进行增负荷指令测试，通过设定DEH参考负荷指令的方式逐渐开启6个高压调阀，进行测试。根据阀组整体流量特性的计算方法，整理试验数据，得到单阀模式下汽轮机高调阀阀组流量特性曲线，如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.015.F007图7单阀模式下高调阀阀组流量特性曲线由图7可知，在单阀运行模式下，与理想流量特性相比，DEH系统综合阀位指令的工作流量特性最大存在+2.59%和-19.11%的偏离，且负荷越低，偏差越大；流量特性曲线线性度较好，计算流量的标准差为0.81%，小于2.00%。4阀门流量特性曲线优化与验证汽轮发电机组的控制品质和调节性能主要取决于高压调速汽阀的流量特性，其优劣直接关系到机组的负荷控制精度和一次调频速度[13]。4.1调门流量特性优化调整通过测试计算得到调节阀的工作流量特性，可知顺序阀模式下部分区段的非线性度大于2%，需对顺序阀重叠度进行优化，解决调节阀流量特性曲线的线性度不合理问题。具体优化方法如下：更换高调阀GV4、GV6、GV5的流量特性曲线、调整GV4、GV6之间的重叠度，以提高汽轮机高调阀的线性度，使其流量特性管理函数与实际特性相符。GV4/GV6重叠度调整结果如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.015.T001表1GV4/GV6重叠度调整结果序号设计值调整后输入输出输入输出1-600.0000-600.00002-2.5000-10.0002.532.4997.52.510.042.5002.597.597.5597.50097.5102.499100.06102.49997.5800.000100.07102.500100.08800.000100.04.2优化调整后的阀门流量特性验证对DEH系统中阀门管理函数进行优化调整后，为了保证机组的安全稳定运行，采集机组正常运行调整的相关数据，验证优化调整后的高调阀阀组流量特性的线性度误差是否在2%以内。顺序阀运行模式下，重点观察机组在汽轮机第二、第三高调阀重叠处的实际运行情况，必要时进行调整，确保高调阀动作平稳、负荷调节无突变。优化后顺序阀模式下高压调阀阀组流量特性曲线如图8所示。在顺序阀运行模式下，与理想的综合阀位指令-流量特性相比，偏差为+2.91%和-8.74%；综合阀位指令与高压调阀阀组流量具有良好的线性关系，计算标准误差为1.1%，小于2.0%。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.015.F008图8优化后顺序阀模式下高压调阀阀组流量特性曲线顺序阀模式下运行人员在综合阀位指令70%~95%范围内操作，得到综合阀位指令与机组功率关系曲线，如图9所示。优化后顺序阀运行模式下该段内阀组流量特性具有良好的线性关系，无异点，优化后机组的调节速率和准确性明显提高。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.015.F009图9优化后顺序阀模式下综合阀位指令与功率关系曲线现场验证试验结果表明，优化后的高调阀工作流量特性具有一致性，能够准确反映其实际流量特性。在顺序阀运行模式下，阀组流量特性曲线的线性度不合理的问题被解决，机组变负荷控制和一次调频的能力得到提高[14]。5结语优化后，单阀和顺序阀方式下高调阀流量特性具有良好的线性关系，无奇异点，机组优化后的调节速率和准确性明显提高；优化后，汽轮机在“单阀-顺序阀”方式切换过程中，高调阀动作平稳，负荷、压力过渡良好，未出现明显的流量拐点。该机组在汽轮机高压调速汽阀流量特性测试与优化后，各运行方式下的流量特性线性度良好，满足机组负荷控制精度和一次调频要求，保障了机组的安全、稳定运行。