阀门流量特性对系统效率的影响研究

阀门流量特性对系统效率的影响研究

宣明敏

浙江万龙机械有限公司，浙江省杭州市，310000

摘要：随着我国科学技术的不断进步，汽机阀门流量特性是指在阀门两端压差保持恒定的条件下，介质流经调节阀的阀门开度与相对流量之间的关系。国家能源局下发的《电力生产事故的二十五项重点要求》中明确要求：发电机组调速系统中的汽轮机调节门特性参数应与一次调频功能和自动发电控制调度方式相匹配，在阀门大修后或发现不匹配时应测试及优化调整汽轮机调节门特性参数，以确保机组参与电网调峰。

关键词：阀门流量特性；系统效率；影响研究

引言

随着新能源电力规模的不断扩大，综合考虑我国的电源结构，在储能技术没有革命性突破的背景下，燃煤机组通过不断提升其运行灵活性，逐渐成为主要的互补性电源。为消纳更多的新能源发电容量，火电机组在未来一段时间都承担更多的灵活性调峰任务。外部负荷需求多变，要求火电机组大量参与深度、快速的负荷调整。如果在变负荷深度与速率方面改善燃煤机组的弹性运行性能，就会大大提升其平抑新能源电力随机波动性的能力，进而为新能源规模化接入电网提供支撑。这意味着火电机组将常运行于深度变负荷的状态，随之对汽轮机阀门的流量特性监测优化的需求越来越迫切。

1研究背景

阀门是一种用于控制流体介质流动的关键设备，具有导流、截流、调节流量、防止倒流、或溢流卸压等功能，是管路系统中的阻力元件。阀门的流通能力、阻力系数和流量调节特性等与阀门的选型和结构密不可分。阀门的流通能力和流量特性通常是工业控制领域选用阀门时重点考量的参数，主要通过试验测量得到。通过研制高精度的阀门流量特性测试装置、研究阀门流量特性测试技术，可以复验阀门产品的设计参数，寻求改善阀门流通能力和降低阀门流阻损失的途径，为阀门产品改进设计和流体工程系统合理设计降低动力消耗提供可靠的科学数据，为用户合理选用阀门，为节能产品研发提供技术支持。目前，阀门流量特性的研究和测试均已引起了国内用户、设计院和阀门制造厂家的重视，国内现有流量测试装置测试范围小、功能单一、精度不高、自动化水平低，不能很好地满足阀门设计技术的高速发展需求。一种阀门流量特性综合测试系统，采用了阀门流量测试系统按功能区分的模块化和按测试能力大小划分的系列化设计，特别是针对目前阀门技术大型化、高参数、微小流量调节等测试技术的需要，该系统具有测试能力大、测试精度高、测试软件功能强大和操作简便等特点，达到了目前国内最大流量（10 000 m3/h）和最小流量（Cv<0.1）全覆盖的全系列阀门流量特性综合测试能力。

2机组运行方式对配汽函数的影响

汽轮机阀门流量特性曲线出厂时是由汽轮机厂家按理想状况设置的汽轮机阀门流量特性管理曲线，在实际运行中因阀门的安装、检修过程中的重复解体、管道的安装等其他因素的影响，使得实际的汽轮机阀门流量特性管理曲线和设置的汽轮机阀门流量配汽函数曲线会有所偏差，需要优化汽轮机阀门流量特性。比例偏置模式的顺序阀由汽轮机阀门总指令经背压函数修正、比例偏置修正、重叠度函数、单阀函数后分配到各高调门。根据各高调门的开启顺序，分配不同的流量，最终使实际配汽流量和流量指令呈线性关系。单独阀门模式的顺序阀由汽轮机阀门总指令经背压修正后直接分配给各调门指令，此模式更简单、更直观，高调门的重叠区和各高调门的开启时机更易确定。

3阀门流量特性曲线函数修正

3.1阀方式阀门特性曲线修正

根据阀门流量特性函数构造线性回归直线方程,然后根据构造好的直线方程,由GV1-GV4阀位指令通过阀门流量特性函数反算出对应数值作为y项,根据调节级压力与主汽压力计算得出的等效实际流量作为x项,从而得出该阀门特性实际曲线。与原函数F0(x)对比,发现原函数与实际情况存在较大偏差,因此根据实际曲线采用线性回归方程拟合出新的修正函数F0(x)。

3.2顺序阀方式阀门特性曲线修正

顺序阀方式总阀位指令经过4个函数得到各调门的阀位指令,本次通过修正阀门流量分配函数来实现阀门流量特性优化,根据阀门流量特性函数构造线性回归直线方程,根据构造好的直线方程,由GV1-GV4阀位指令通过阀门流量特性函数、阀门重叠度函数反算出对应的数值作为y项,根据调节级压力与主汽压力计算得出的等效实际流量经过顺序阀背压修正函数计算得到x项,得出该阀门特性实际曲线,与原阀门流量分配函数对比,发现原函数与实际情况存在较大偏差,因此根据实际曲线采用线性回归方程拟合出新的修正函数F11(x)-F41(x)。

4阀门流量特性技术方案

4.1动力源稳定性

水流量装置通常采用水塔稳压法和容器稳压法来保障动力源的稳定性。水塔稳压法系统精度高、稳定性好但压力较低、流速变化范围受限制，占地面积大建设成本高；容器稳压法利用稳压容器上部分气体形成弹性气垫，吸收水泵输入稳压容器内流体低频脉动，经容器流入测试管内的流体达到稳流效果。容器稳压法装置简单，投资小，系统压力及流量变化范围大。根据国内外实践可知，不论水塔与容器稳压方法，对系统流量稳定性要求较高的流量测试有关参数的测定都能获得良好的效果。不仅仪表的测定标定，阀门流量特性的测定均越来越普遍采用容器稳压。

4.2流速均匀性

工艺管路连接部位如阀门、管件、弯头等及流体改向等易诱发流程局部阻力，使流场产生涡流、脉动和共振，产生造成流场不稳的现象。增加直管、流场调整器长度，直管加校直器能减少流场不稳的现象，同时合理设置整流器可消除局部阻力件产生的涡流。为减少系统压力损失，一般选用非均匀多孔整流器，其附加压力损失大致与ASME管式整流器相当。其特点是整流效果好，结构简单，加工容易，安装、维修极为方便，选用非均匀多孔整流器在流量计前后共需加L=15D直管，流量系数偏差为零。

4.3取压孔的设计

被测阀门前后取压孔直接影响着测量数据的准确性。取压孔应位于水平位置，以避免空气和灰尘聚积；其中心线应与管道中心线垂直相交、孔的边缘不应凸出管内壁，且锐利和无毛刺。每个取压截面应有1个、2个对称或4个对称布置的取压孔；公称尺寸大于DN300的管道及测量精度高于1%的所有管道，应在每个取压截面有4个对称布置的取压孔。取压孔与压力测量设备之间的连接管的内径应至少为取压孔直径的2倍。

5阀门流量特性对系统效率的优化策略

5.1设备仪表选型

（1）稳压系统。需根据测试系统的最大测试能力计算稳压系统的过流时间来确定稳压容器的容积大小。在测试管路上设计分水、集水器。在供水总管和分水器上安装自动排气阀，以保证测试流体不含气体，减小可能的测量误差。同时结合变频泵减小由于电网波动引起泵输出的低频脉动。（2）水泵。按测试管内雷诺数应满足Re=3×104~6×105的要求选取最小流量范围。为减少测试动力消耗，按小流量用小泵，大流量用大泵，同时又保证不同流量易于调节的原则，应根据泵的最佳效率工作性能选择不同大小的泵进行匹配，同时加以变频启动和控制。（3）系统阀门。根据流量测试的要求，系统阀门除保证系统流量稳定性外，同时还应方便流量控制调节和测试管路的选择。在每个主测试管路前后分别选用相应规格的电动球阀，以方便测试管路的切换选择。为方便流量控制和调节，计算选取了多个不同流量系数参数的调节阀组合使用。水泵供水总管设置旁通调节阀门。水泵进出口管路以及试验管路还需设置必要的开关阀门和保护性阀门。阀门公称压力等级按相应测试管路要求选择。

5.2优化方案

目前，解决该问题最有效的方法是测试汽轮机阀门实际流量特性，并根据测试结果优化汽轮机阀门管理曲线，使优化后流量指令与蒸汽流量之间具有良好的线性关系，从而提高机组负荷控制的精度及一次调频的合格率，确保汽机安全、稳定、经济运行。连接实际流量曲线的起点和末端，修改调门参数，使整个流量曲线呈线性关系，确保在此范围内，动作相同的高调门指令能通过一定的流量。

5.3数据挖掘筛选及可视化展示

分析汽轮机阀门流量特性的工艺特点，并经过试验可知总阀位指令响应迅速，总阀位指令阶跃改变到流量完全响应的时间大概为２ｓ。而机组正常运行时，没有一次调频发生的情况下，总阀位指令变化平缓，在此条件下可认为总阀位指令与蒸汽流量之间近似稳态关系。另一方面，不同的主汽压力、主汽温度对流量特性也有一定的细微影响。基于以上特点，设计以下数据挖掘筛选算法。通过工况筛选算法，结合概率密度直方图及工艺特点，从而筛选出历史数据中的稳态工况。设定筛选条件如下：负荷变化幅度在约束范围内；主汽压力偏差在约束范围内；主汽温度在约束范围内；无一次调频发生；顺阀方式；总阀位指令变化速率小于某值。

5.4数据采集和自动控制设计

基于系统技术方案的确立及仪器仪表的选项，阀门流量特性综合测试系统数据监控采集系统的设计。在该系统中，各类一体式变送器与现场仪表和监控计算机构成了一个由一次仪表、二次仪表和人机界面组成的数据采集系统；PLC、变频器、水泵和调节阀构成了一个开环的过程控制系统；数据采集器与监控计算机构成了数据处理系统。因此，对于阀门流量特性试验，该设计在保证试验精度的同时即提高了自动化程度与数字化程度，又适应了试验的特定要求，可满足试验的各方面需要。在阀门流量特性测试系统中，过程控制的对象是水的流速和压力，而动力系统（包括水泵、变频器、管路、开关阀及调节阀）即是产生水流和水压的装置。

5.5优化后的成效

阀门特性曲线优化后可有效改善调门的异常波动，其中，改善截流特性和减少参数波动均为提高机组运行经济性提供了基础条件，且阀门健康程度的提高和设备寿命的延长符合长期经济性核算目标，减少的检修费用支出具有明显的经济效益。通过采集分析、比对机组不同工况下的历史数据，在大数据模型的计算下，形成了配汽函数与实际流量指令呈线性的阀门数据，最终修正汽轮机阀门流量特性曲线，提高了一次调频动作的准确率，有效减少了机组在长周期运行中的调门摆动、重叠区调门剧烈震动和主要参数失调，保障了机组安全运行，延长了汽轮机的使用寿命。

结语

阀门流量特性综合测试系统在常用流量测量的标准表法基础上，增加了容积法和质量法的流量测试功能，解决阀门微小流量测试的精度和准确度问题。该流量综合测试系统不但能实现阀门流量性能的测试，还能实现流量的校验。系统采用变频调节和容器稳压，自动化调节，计算机数据采集；测试精度高，测试能力大，测试软件功能强大，操作简便。对阀门的流量特性进行优化，将线性流量特性优化改造为近似等百分比流量特性。实际运行数据表明，优化效果良好，对汽提塔液位。系统适用于通用阀门和调节阀的流量系数、流阻系数、流量特性、阀门微小流量测试及流量校验等阀门流量相关功能的测试。

参考文献

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