300 MW噴嘴配汽汽輪機順序閥運行調節級特性研究

孫友源,胥建群,蔣偉莉

(東南大學能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室,南京210096)

300 MW噴嘴配汽汽輪機順序閥運行調節級特性研究

孫友源,胥建群,蔣偉莉

(東南大學能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室,南京210096)

通過仿真實驗與熱力計算相結合的方法分析了調節閥的流量特性,并得到了調節閥順序開啟時其后調節級壓力與流量關系。對順序閥定壓運行時調節級有效比焓降進行實例計算,并得到調節級汽室混合后比焓的建模思路,為分析調節級變工況時的工作狀態提供了參考。

汽輪機；調節閥；流量特性；運行方式；調節級有效比焓降；調節級汽室混合后比焓

目前,采用噴嘴配汽方式的汽輪機在火電機組中占有很大的比例。當機組負荷變化時,機組普遍采用數字電液控制(DEH)系統中閥門管理邏輯來控制調節閥的開度調節進汽量,實現汽輪機組對發電功率的調節［1］。當調節閥動作時,通過半開調節閥的部分蒸汽節流較大,而通過全開調節閥的蒸汽節流很小,兩股不同的氣流勢必會影響其后調節級的工作狀態。因此,需要尋求調節閥開度與通過其后噴嘴組的蒸汽流量的關系(即閥門流量特性),以便分析其后調節級的工作狀態,為準確把握機組配汽優化的方向做鋪墊。

針對調節閥特性,國內外學者進行了大量的研究,主要集中在試驗研究方面。文獻［2-4］通過閥門流量特性試驗對調節閥流量特性曲線進行優化,改善高壓調節閥的控制特性；文獻［5］通過建立調節閥的仿真模型,得到仿真結果后對流量開度函數曲線進行修改,為電廠通過修改閥門流量開度函數以便減少閥門晃動提供了理論依據。

國內外學者在調節閥對機組的影響方面也進行了大量的研究。文獻［6］應用Matlab語言編制計算程序對調節級進行了實例計算,根據計算結果繪制了調節級反動度和調節級理想焓降的變化曲線,為調節級的運行經濟性和安全性分析奠定了理論基礎；文獻［7］通過數值計算法與仿真試驗從熱力特性與流量特性兩方面探討調節級壓比、反動度及蒸汽流量隨調節閥動作的變化規律,為噴嘴配汽的汽輪機組運行優化研究提供了理論指導。

筆者通過仿真試驗與熱力計算相結合,對噴嘴配汽汽輪機順序閥定壓運行仿真,并對調節閥動作后調節級有效比焓降進行了定量計算,進而得到調節級汽室混合后比焓的簡化計算模型,為分析調節級變工況時的工作狀態提供參考。

1 閥門配置

某廠采用的是典型N300-16.7/537/537亞臨界、中間再熱、單軸雙缸、雙排汽、高中壓合缸、低壓缸雙流程、凝汽式汽輪機。該汽輪機配有2個高壓主汽門、6個高壓調節閥,6個高壓調節閥對應6組噴嘴。機組原設計調節閥開啟順序為：GV1+GV2同步開啟,然后GV4→GV5→GV6→GV3,自動主汽門(TV)和調節閥(GV)的排列順序見圖1。

圖1 閥門配置和開啟順序

2 調節閥流量特性仿真分析

2.1 閥點效應

以上述發電機組為例,借助Apros仿真平臺進行了順序閥定壓運行(16.7 MPa)試驗,可以得到閥門聯合流量特性曲線(見圖2)。圖中百分比指變工況下主蒸汽流量與額定工況主蒸汽流量之比。

圖2 閥門聯合流量特性曲線

由圖2得出：

(1)在不考慮重疊度的情況下,隨汽輪機調節閥順序閥開啟,閥門的聯合流量特性曲線呈現波浪形變化,在調節閥全開時出現閥點效應,使得流量特性表現為高階非線性,因此實際中,汽輪機調節閥開啟往往要有一定的重疊度,以彌補前一調節閥非線性的特性。

(2)由于非調節級的通流面積不變,將所有非調節級看成一個級組,由弗留格爾公式可得調節級級后的壓力與流量成正比,故調節級后壓力隨升程也呈現波浪形變化。

2.2 噴嘴組壓力與流量關系

通過對該機組進行順序閥定壓仿真實驗,繪制了調節級噴嘴組壓力與流量的關系曲線,見圖3。

圖3 各噴嘴組壓力與流量關系曲線

由圖3分析可知：

(1)機組由最大負荷減小至額定負荷時, GV3由全開逐漸減小至關閉,由于GV3的節流作用,第3噴嘴組前的壓力變化見圖3中曲線8-9所示逐漸減小,流量隨調節閥的關閉而減小,把所有非調節級看成一個級組,調節級后壓力隨流量減小而減小。

(2)GV6、GV5和GV4依次由全開到關閉時,其對應的噴嘴組前的壓力由于節流作用而逐漸減小,流量隨調節閥的關閉而減小,調節級后壓力隨流量減小而減小。

(3)當GV1+GV2動作由全開到關閉時,以調節級和所有非調節級為一個級組,則第1、第2噴嘴組前的壓力與流量呈正比,故得到如圖3所示過原點的0-1。

3 調節級特性實例計算

3.1 調節閥開啟特性

對于噴嘴配汽的汽輪機,變工況時只有流過部分開啟調節閥的氣流受到節流損失,而通過全開調節閥的氣流節流很小,因此在分析調節級的工作特性時,必須要討論這兩部分氣流的工作。

由于調節級后的環形空間是相通的,故通過全開和部分開啟調節閥的氣流在各自的噴嘴和動葉汽道內膨脹到相同的調節級汽室壓力p2,兩部分氣流在調節級汽室混合后流入以后的各個非調節級。

全開調節閥噴嘴組流量：

部分開啟調節閥噴嘴組流量：

式中：G為主蒸汽流量。

調節級汽室混合后的比焓：

調節級變工況計算中需要根據臨界壓比以及噴嘴和動葉的壓比來判斷調節級是否達到臨界。

3.2 調節級有效比焓降變化

以300 MW噴嘴配汽汽輪機為例,編制詳細的定壓運行調節級變工況計算程序,根據熱力計算的結果,得到調節級有效比焓降以及全開和半開調節閥后調節級有效比焓降的變化曲線,見圖4、圖5。

圖4 調節級有效比焓降變化曲線

圖5 全開和半開調節閥后調節級有效比焓降變化曲線

由圖4、圖5可知：

(1)機組由最大負荷減小至額定負荷時, GV3動作由全開到關閉,第3噴嘴組前的壓力減小,流量減小,調節級后壓力也減小,第3噴嘴組與動葉的有效比焓降減小直至減到0,而其他全開調節閥后噴嘴組與動葉的有效比焓降增大。

(2)隨著GV6、GV5、GV4的依次關閉,半開調節閥后的噴嘴組與動葉的有效比焓降減小直至減到0,而全開調節閥(GV1和GV2)后噴嘴組與動葉的有效比焓降增大。

(3)當GV3、GV6、GV5和GV4全關而GV1和GV2全開時,第1和第2噴嘴組與動葉的有效比焓降最大,隨后調節閥繼續關小時,調節級有效比焓降略有下降。原因如下：

由圖3可知

式中：p2、p′0為調節閥1和2全開時調節級后和調節閥后的壓力；p21、p′01為調節閥1和2半開時調節級后和調節閥后的壓力。

調節級有效比焓降為：

將式(4)帶入(5)和(6),并將兩式相比,可得：

在GV1和GV2逐漸關閉時,節流損失增大,效率降低,η1＜η,又噴嘴組前比焓不變而壓力減小,噴嘴組前溫度略微降低,T′01＜T′0,故第1和第2噴嘴組與動葉的有效比焓降略有降低。所以第1和第2噴嘴組與動葉的有效比焓降在GV1和GV2全開時最大；又因此時流過兩個噴嘴的流量也是最大值,故此時第1和第2噴嘴后的動葉承受的蒸汽作用力最大,是噴嘴配汽汽輪機調節級的危險工況。

3.3 調節級后比焓與流量的關系

圖6為調節后比焓與主蒸汽流量的關系曲線。

圖6 調節后比焓與主蒸汽流量的關系曲線

由圖6可知：調節級后的比焓隨流量的變化而變化,且在閥點處調節級后的比焓降低較快,原因是閥點處調節閥全開,節流損失比較小,調節級做功較多,導致調節級后比焓降低相對較快。

在順序閥定壓運行過程中的閥點工況,忽略重疊度的影響,噴嘴配汽汽輪機調節級汽室混合后的比焓可表示為流量的函數：

式中：G為主蒸汽流量。

將上述模型擬合成流量的二次函數可得：

式中：a、b、c為常數。

在順序閥定壓運行過程中,當調節閥半開時,忽略重疊度的影響,混合后的比焓可以以閥點工況為界分段表示成主蒸汽流量、調節閥的開度的函數：

式中：X為調節閥的開度；A、B、C為常數。由于函數是分段表示的,故式(10)中的系數與調節閥的全開個數有關,全開閥的個數不同,則系數不同,混合后的比焓的函數表達式也不同。

對于確定的機組,可分段擬合得到此機組順序閥定壓運行時調節級汽室混合后比焓的簡化計算模型,較為方便地求出調節級混合后的比焓。

4 結語

(1)通過仿真實驗和熱力計算相結合,從調節級流量和熱力特性方面對噴嘴配汽汽輪機順序閥定壓運行過程中調節級進行了分析和計算,為噴嘴配汽汽輪機的配汽優化提供了一定的參考價值。

(2)通過仿真實驗得到調節閥流量-升程以及噴嘴組的壓力和流量曲線,對詳細了解機組閥點效應以及調節閥開啟的流量特性具有指導意義。

(3)通過熱力計算確定了調節閥全開和半開過程中調節級的有效比焓降變化規律,從理論上確定了調節級的危險工況,便于分析調節級變工況時的工作狀態。

(4)針對噴嘴配汽汽輪機順序閥定壓運行,提出了一種調節級汽室混合后比焓的簡化計算模型,其思想為其他機組調節級汽室混合后比焓的簡化計算提供參考。

(5)由于文中未考慮到閥門開啟時的重疊度影響,故得到的仿真模型和熱力計算模型有一定的誤差,有待于下一步研究改正。

［1］郭鈺峰,徐志強,于達仁.汽輪機調節原理［M］.北京：機械工業出版社,2010.

［2］張曦,黃衛劍,朱亞清,等.汽輪機閥門流量特性分析與優化［J］.南方電網技術,2001,4(S1)：72-75.

［3］張偉,周文民,荊立坤.330 MW機組閥門流量特性試驗研究［J］.發電設備,2013,27(3)：158-161.

［4］李明,周志平,付晨鵬,等.超臨界600 MW汽輪機高壓調節汽門優化及經濟性分析［J］.汽輪機技術,2010,52(2)：144-146.

［5］趙衛正,羅磊,梁慶華,等.汽輪機閥門管理的仿真及流量開度函數的優化［J］.熱力透平,2012,41(4)：307-311.

［6］李清,黃竹青,王運民,等.汽輪機調節級變工況時焓降和反動度的計算［J］.汽輪機技術,2012,54(1)：21-23.

［7］馬琳,胥建群.600 MW噴嘴配汽方式汽輪機調節閥特性研究［J］.汽輪機技術,2013,55(5)：373-376.

［8］李維特,黃保海.汽輪機變工況熱力計算［M］.北京：中國電力出版社,2001.

［9］曹祖慶.汽輪機變工況特性［M］.北京：水利電力出版社,1991.

Research on Governing Stage Characteristics of a 300 MW Nozzle Governing Turbine in Sequence Valve Operation Mode

Sun Youyuan,Xu Jianqun,Jiang Weili
(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education,Southeast University,Nanjing 210096,China)

The flow characteristics of governing valve wasanalyzed through combined method of simulation experiments and thermodynamic calculation,and the relationship between pressure and flow rate of governing stage was obtained in sequence operation mode of the governing valve.The enthalpy drop of governing stage was calculated with actual examplesin case that thesequence valve was operated at constant pressure,thus obtaining the calculation model for mixing enthalpy in the steam chamber of governing stage,which may serve as a reference for working condition analysis of the governing stage under varying conditions.

steam turbine；governing valve；flow characteristic；operation mode；enthalpy drop of governing stage；mixing enthalpy in steam chamber of governing stage

TK262

A

1671-086X(2015)03-0168-04

2014-09-12

孫友源(1989-),男,在讀碩士研究生,研究方向為火電機組仿真建模與優化。

E-mail：sunyouyuan@163.com