基于历史运行数据的汽轮机流量特性辨识与优化.pdf

2023.27 科学技术创新基于历史运行数据的汽轮机流量特性辨识与优化王悦1，刘菊菲2，赵世通1，赵太磊1（1.国家电投集团内蒙古白音华煤电有限公司坑口发电分公司，内蒙古 锡林郭勒；2.国家电投集团内蒙古能源有限公司，内蒙古 通辽）前言目前大型电厂的汽轮机主要应用 DEH 数字电液控制系统，在 DEH 中配有阀门流量特性的管理函数1。当由于设备通流改造、DEH 改造、设备磨损或运行老化等原因，汽轮机 DEH 系统的配汽函数则不能如实的反映调门组的非线性特征，将会导致流量指令与最终的实际进汽流量线性度不好，导致机组出现负荷突变或者负荷调节不及时，引起机组震荡，而影响机组稳定性、经济性、电厂的 AGC 考核和一次调频能力2，3。而目前对于调门流量特性的优化调整，主要是依靠试验优化人员在现场向电网申请调度，经过阀门流量特性试验来进行背压修正、计算修改流量分配函数、重叠度函数，以保持汽轮机流量特性较高的线性度。1调门流量特性调门的流量特性是其自身升程与通过其介质流量的关系，在恒压降的情况下是固有特性，在两端压力变化时是工作特性，根据文献4的验证，二者在应用上是相通的。调门的固有特性根据自身阀芯结构可分为直线特性、等百分比特性、抛物线特性、快开流量特性。由于机组的运行特性的要求，汽轮机高压调节阀普遍选用快开特性阀门。汽轮机组调门流量特性区别于阀门自身的流量特性，考虑了阀门和喷嘴组整体，一个阀门和对应的喷嘴构成一个完整的配汽单元，按照不同电厂汽轮机的结构，四个或者六个配汽单元并联为一个完整的调门组，以四个阀门为例的蒸汽通路示意图见图 1。图 1四阀门蒸汽通路示意图机组正常运行过程中，在顺序阀方式下，阀门一般处于两阀全开，三阀部分开启，相比较单阀方式下阀门部分开启运行而言，节流损失更小，所以机组采用顺序阀方式运行居多。基于目前广泛应用现场阀门流量特性试验对汽轮机组流量特性进行线性校正，费时费力，影响机组正常运行，所以本文选择采用机组顺序阀方式下运行的历史数据进行数据挖掘，对汽轮机组高压调门顺序阀运行方式下的流量特性进行辨识和相应的优化整定。2300 MW 机组流量特性辨识本文选择 一 300 MW 等 级 亚 临 界、型 号 为摘要：汽轮机高压调门组流量特性对于机组的稳定运行以及电厂的负荷调节性能具有很大影响，但是由于燃煤机组调峰角色转变日益显著，机组经常工作在非额定工况，甚至低负荷运行，且设备改造、运行老化等，汽轮机调门组流量特性常常呈现非线性，本文以某一 300 MW 等级机组为例，采用聚类算法对其流量特性进行辨识与线性化校正，为机组实际运行提供参考。关键词：聚类；流量特性；辨识；优化中图分类号院TP311.13文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤27-0225-04基金项目：国家电力投资集团有限公司统筹研发经费支持项目（KYTC2020HD09）。作者简介：王悦（1986-），男，研究生，工程师，主要从事火电机组控制优化工作。225-科学技术创新 2023.27N30016.7/538/538，配置 4 个高压调气阀、且阀后无测点的机组，在机组顺序阀运行时，阀门的开启顺序为 GV1/GV2GV3GV4，采集机组在正常运行过程中的 DEH 数据，共有 5 760 个样本点，采样时间间隔为 10 秒。2.1相对容积流量对于主蒸汽流量的计算，根据文献5提出的一种改进的公式如式（2）得到，采用高排温度来代替调节级温度，（1）（2）其中，G 表示实际蒸汽流量，p1表示调节级前压力，p2表示调节级后压力，表示额定值，用高压缸排气压力 pd与比容 vd的乘积来代替调节级温度 T1，可以弥补在选择调节级后温度测点时不准的弊端。G/G0是相对容积流量，可以用来表征流量变化。本文选用 G/G0100%来分析阀门流量特性。2.2数据处理原始数据中主要参数信息如表 1 所示，参数覆盖范围较广，用来做调门组流量特性分析和优化具有普遍性和代表性。表 1机组部分采样数据范围通过对数据的初步筛查，数据并无异常值和缺失值，接下来对稳定工况进行筛选。目前对于稳定工况数据的选择要求不唯一，标准不统一，本文采用式（3）进行计算6，保持主要参数在某一时间范围内变化较小。（3）其中，Si表示进行稳定数据筛选的变量，在本文中 S1为机组负荷，S2为机组阀位指令，S3表示机组主蒸汽压力；Si，max、Si，min表示变量在样本数据中的最大值和最小值，为一常数，一般在 0.05%-0.25%之间。对采样数据依次按照机组负荷、综合阀位指令和主蒸汽压力进行了稳定工况数据的筛选，数据量从 5760 组变为 2 865 组。经过稳定工况筛选之后的机组阀位指令与调节级压力与原始数据对比如图 2 图 5所示，可以发现，数据仍保有原始趋势，但是减少了剧烈抖动。2.3聚类处理本文选择 K-Means+聚类算法对筛选后数据进行处理，K-Means+是 K-Means 算法的升级，其不同之处在于聚类初始点的选择上更合理，随机选择第一个中心点后，离此中心点越远的点越可能成为下一个聚类中心。根据筛选后的稳定数据辨识得到机组流量特性曲线，即综合阀位指令与机组相对容积流量之间的关系曲线，如图 6，散点图为实际特性曲线，直线为理想综合阀位指令与相对容积流量的关系曲线，22101222010201TppGGppT2200122201020ddddpppGGppp010102000,ddG Tpppv变 量 范 围 单 位 机组负荷 132.849-294.638 0 MW 综合阀位指令 63.465-98.977%主蒸汽压力 10.570-16.770 MPa 调节级压力 4.807-11.463 MPa ,max,min|()()|()()|iiiiiiS ktS kS kS ktabsSS图 2原始机组阀位指令图 3稳定工况下机组阀位指令原始数据机组阀位指令样本个数稳定工况下机组综合阀位指令样本个数226-2023.27 科学技术创新图 5稳定工况下调节级压力也可以叫做标准参考线。由图可见，机组经过长时间的运行，汽轮机实际调门流量特性曲线非线性明显，且整体位于标准参考线下方，机组的实际进汽流量相对总阀位指令变化较慢，小于理想应进汽流量，在65%68%指令范围内，曲线斜率较大，阀门动作较快；在 92%指令时进汽流量有明显的转折。对处理后的全部数据进行 100 点，20 点聚类后，得到机组流量特性曲线分别为图 7 和图 8。可见，聚类后的流量特性曲线仍可以很好的体现原有曲线趋势，达到了精简数据量、提高数据质量的目的，数据更具有代表性。图 7100 点聚类流量特性曲线图 820 点聚类特性流量曲线3流量特性优化由于汽轮机调门流量特性的非线性，对机组的安全稳定运行以及机组 AGC 和一次调频有很大影响，所以对于调门组流量特性需要进行线性化校正。在对机组流量特性进行线性整定优化时，优化目标曲线选为综合阀位指令与相对容积流量的正比例线性曲线，以保证阀门进汽流量和综合阀门指令成线性关系。在优化时根据目标优化曲线即标准参考线，相对容积流量与综合阀位指令应该呈现正比例关系，所以使用相对容积流量百分比数值代替原阀门管理函数中的综合阀位指令，来作为综合阀位指令数值来重新得到新的阀门管理函数，可以达到对阀门管理函数优化校正的目的。优化前、优化后的综合阀位指令与各阀门开度关系以及其前后对比图见图 9。图 4原始机组调节级压力图 6实际流量特性曲线原始数据机组调节级压力样本个数稳定工况下机组调节级压力样本个数综合阀位指令/%实际流量特性曲线聚类后流量特性曲线综合阀位指令/%聚类后流量特性曲线综合阀位指令/%227-科学技术创新 2023.27Identification and Optimization of SteamTurbine Flow Characteristics Based onHistorical Operation DataWang Yue1,Liu Jufei2,Zhao Shitong1,Zhao Tailei1（1.Pithead Power Generation Branch of Inner Mongolia Baiyinhua Coal Power Co.,Ltd.of State PowerInvestment Group,Xilingol,China;2.State Power Investment Group Inner Mongolia Energy Co.,Ltd.,Tongliao,China）Abstract:The flow characteristics of steam turbine high-pressure regulating valve group have a greatimpact on the stable operation of the unit and the load regulation performance of the power plant.However,due to the increasingly significant change in the peak shaving role of coal-fired units,the units often workunder non rated conditions,even low load operation,and equipment transformation,operation aging,etc.,theflow characteristics of steam turbine regulating valve group often show nonlinearity.This paper takes a 300MW unit as an example,The clustering algorithm is used to identify and linearize the flow characteristics,which provides a reference for the actual operation of the unit.Key words:clustering;flow characteristics;identification;optimization图 9优化前后阀门开度对比图通过图 9 可以观察到优化后的综合阀位指令与各阀门开度的关系，阀门 GV1,2 更快达到全部开启状态，GV3 开启速度更快，GV4 开启点提前，优化结果符合对阀门流量特性分析时得出的阀门动作略慢导致进气量低于流量指令的结论。4结论本文通过采集某一 300MW 等级机组的 DEH 数据，对其进行数据处理与 K-means+聚类，辨识了汽轮机调节阀门组在顺序阀运行方式下的流量特性，并根据调门流量特性标准参考线进行了汽轮机阀门管理函数的线性整定，优化整定后的阀门管理函数可以使汽轮机流量特性达到较好的线性度，对于现场应用具有指导意义。参考文献1纪云锋,刘康宁.汽轮机数字电液控制(DEH)技术综述J.通用机械,2015(9):68-73.2姜飚.600MW 汽轮机深度变工况下高调门优化策略研究D.北京：华北电力大学,2021.3王志杰,陈厚涛,唐桢淇.基于运行数据的汽轮机阀门流量特性参数优化J.广东电力,2019,32(3):5.4万忠海,华志刚,蒙泽森,等.汽轮机组调门流量特性的影响因素及其规律研究J.中国电机工程学报,2021,41(7):11.5汪军,周建新,司风琪,等.汽轮机主蒸汽流量在线计算方法及应用J.热力发电,2010,39(10):42-45.6董竹林.适应火电机组灵活运行滑压曲线的优化研究D.北京：华北电力大学(北京)，2020.综合阀位指令/%综合阀位指令-各阀门开度曲线228-