快裝式汽輪發電機組邊界條件試驗研究

李少軍，須一宏，靳 軍，龔存忠

(中國船舶重工集團公司 第七〇四研究所，上海200031)

0 引 言

汽輪發電機組的邊界條件試驗主要是研究汽輪機在超出汽輪機設計條件下的極限性能。在機組實際運行過程中，曾出現當蒸汽溫度降低40℃但需要機組輸出滿功率長時間運行;多臺汽輪發電機組并聯運行時，某臺機組蒸汽參數由高參數突然降低至低參數時，但電力系統必須穩定運行;抽氣器工作壓力突然降低，但汽封抽汽系統仍需可靠運行等惡劣運行工況。

機組在并聯運行時，如當某臺機組蒸汽參數由高參數突然降低至低參數時，該機組的穩態調速率會增大，當調速率增大超過允許范圍時，會導致電力系統的不穩定，并且蒸汽參數降低后，如遇到在緊急情況下突甩負荷時，其穩定時間會延長，影響機組的安全穩定運行。

國內眾多研究人員對汽輪發電機組進行了理論及試驗研究，朱蕾［1］等對變工況下汽輪發電機組的穩態調速率進行了試驗研究，周蘭欣［2］等對抽氣器與凝汽器真空影響關系進行了研究，宋百玲［3］等對汽輪發電機組甩負荷過程進行了理論建模與仿真研究，其他一些研究人員對汽輪機變工況特性進行了研究［4－6］。

汽輪發電機組邊界條件試驗主要是針對機組在實際使用過程中所出現的問題，開展針對性的試驗，摸索機組在邊界條件下的技術性能，為汽輪發電機組安全穩定運行提供試驗依據。汽輪發電機組邊界條件試驗主要在以下幾個方面進行試驗研究:

1)汽輪機滿載能力及超載最低蒸汽溫度及最低蒸汽壓力試驗;

2)蒸汽參數波動狀態下調速器的靜態及動態特性試驗;

3)抽氣器最低工作蒸汽壓力試驗。

1 汽輪發電機組邊界條件試驗

本汽輪發電機組邊界條件試驗在專用汽輪發電機組試驗臺位進行。試驗臺位按邊界試驗要求進行改造，試驗場地條件滿足汽輪發電機組邊界條件試驗所需的蒸汽、水源、油、負載等系統正常運行，數據采集系統通過安裝在機組及系統的傳感器進行采集，確保數據的實時性和有效性。圖1為汽輪發電機組試驗臺位，機組設計蒸汽參數為高參數/低參數工況，但根據要求，機組常用使用工況在低參數時，溫度將低40℃，在高參數工況下，溫度降低45℃。邊界條件試驗分別按以下條件進行:

試驗蒸汽參數在壓力不變的條件下，蒸汽溫度分別在330℃，320℃，310℃以及300℃條件下，逐漸增加負載至滿載，各項參數穩定后運行5～10 min，確定具備帶滿負荷的最低蒸汽溫度。

試驗蒸汽參數在溫度維持不變的條件下，壓力分別為3.8 MPa(a)，3.6 MPa(a)，3.4 MPa(a)，3.2 MPa(a)以及3.0 MPa(a)條件下，逐漸增加負載至滿載，各項參數穩定后運行5～10 min，確定具備帶滿負荷的最低蒸汽壓力。

穩態調速率在低參數工況整定完畢的基礎上，改變主蒸汽溫度，溫度參數依次為310℃，350℃下進行瞬態調速率及恢復時間測試。

航空電磁多波脈沖發射技術是國家重點研發計劃項目“固定翼時間域航空電磁測量技術系統研制”的關鍵和難點技術，要求在現有的500 A峰值電流脈沖發射技術的基礎上，突破1000 A峰值電流脈沖發射技術瓶頸，并實現多波發射功能。該技術能夠擴展發射波形的高頻成份，在實現大探測深度（650 m）的同時提升儀器的淺層分辨能力。

穩態調速率在低參數整定完畢的基礎上，蒸汽壓力穩定，在主蒸汽溫度分別為310℃，350℃時進行穩態調速率試驗;穩態調速率在高參數整定完畢的基礎上，蒸汽壓力穩定，主蒸汽溫度分別為395℃，435℃時進行穩態調速率試驗。

圖1 汽輪發電機組試驗臺位圖Fig.1 The steam turbo generator test lab

2 邊界條件試驗結果及數據分析

2.1 高參數帶載能力試驗

汽輪發電機組在蒸汽參數為高參數時415℃的汽耗量測定見表1，在負載為1 500 kW 時，汽耗量約9.08 t/h，而蒸汽參數為460℃時，汽耗量約8.13 t/h (排汽壓力－0.077 MPa)，溫度下降45℃時，汽耗量增加約0.95 t/h;圖2為負載與汽耗量的變化曲線。

表1 高參數(415℃)負荷汽耗量測定Tab.1 The steam consumption of high parameter (415℃)

從圖中可以看到，汽耗量與負載成線性增加，通過蒸汽參數為415℃時的汽耗量測定試驗，表明機組在此蒸汽條件下，具備100%負荷能力。

2.2 高參數過載能力試驗

本試驗主要測試蒸汽參數為425℃時，汽輪發電機組是否具備超載125%的能力。汽輪發電機組在蒸汽參數為425℃的汽耗量測定見表2，在負載為1 875 kW 時，汽耗量約11.3 t/h，而蒸汽參數為460℃時，汽耗量約10.09 t/h (排汽壓力－0.071 MPa)。蒸汽參數為415℃時的汽耗量見表3，從表中可以看出，當負載為1 875 kW 時，汽輪機排氣壓力為－0.062 MPa，接近低真空報警值－0.06 MPa。通過試驗表明:為保證機組安全可靠運行，機組在高參數條件下具備超載1 875 kW的最低蒸汽溫度為425℃。

表2 高參數(425℃)超載工況Tab.2 The steam consumption of high parameter (425℃)

表3 高參數(415℃)超載工況Tab.3 The steam consumption of high parameter (415℃)

2.3 汽壓對機組帶載能力影響試驗

本項試驗主要測試當蒸汽溫度穩定，而蒸汽壓力在3.1～3.8 MPa(a)內變化時，汽輪發電機組帶100%負載的最低蒸汽壓力。圖3為當溫度維持不變時，蒸汽壓力與汽耗量的變化曲線，表4為最低蒸汽壓力試驗數據記錄表。從圖表及試驗數據中可以看到，隨著蒸汽壓力的降低，汽耗量基本線性降低。通過試驗表明:當蒸汽參數為3.0 MPa 時，汽輪發電機組具備帶100%負載的能力。

表4 機組帶滿載最低蒸汽壓力試驗Tab.4 The steam consumption of the lowest steam pressure

圖3 蒸汽壓力與汽耗量變化曲線Fig.3 Comparison of steam pressure and steam consumption

2.4 溫度對機組帶載能力影響試驗

本項試驗主要測試當蒸汽壓力維持不變，而蒸汽溫度在300℃～330℃內變化時，汽輪發電機組帶100%負載的最低蒸汽溫度。

圖4為蒸汽壓力與汽耗量的變化曲線，表5為最低蒸汽壓力試驗數據記錄表。從圖表及試驗數據中可以看到，當蒸汽參數為300℃時，汽輪發電機組具備帶100%負載的能力。且隨著蒸汽溫度的降低，汽耗量線性降低。通過試驗表明:蒸汽參數為300℃時，機組具備帶100% 負載長期穩定運行的能力。

表5 機組帶滿載最低蒸汽溫度試驗Tab.5 The steam consumption of the lowest steam temperature

圖4 蒸汽溫度與汽耗量變化曲線Fig.4 Comparison of steam temperature and steam consumption

2.5 調速器靜態特性邊界條件試驗

本項試驗主要對蒸汽溫度波動時，機組靜態調速特性的變化。表6為低參數時，溫度變化對穩態調速率的影響值，表7為高參數時，溫度變化對穩態調速率的影響值。

表6 溫度對穩態調速率影響試驗(低參數)Tab.6 Effects of temperature on the steady-state speed droop (low)

表7 溫度對穩態調速率影響試驗(高參數)Tab.7 Effects of temperature on the steady-state speed droop (high)

2.6 調速器動態特性邊界條件試驗

本項試驗主要是檢驗機組在蒸汽溫度變化條件下，機組的動態調速特性。蒸汽參數及負荷、動力油壓及溫度、調速器靜態調速特性等對調速器影響較大。機組蒸汽參數越高，焓降越大，輸出相同功率需要的蒸汽量越小，調節閥開度越小，油動機行程相應也減少;蒸汽參數越高，調速器穩態調速率也越小，相應穩定時間越短。表8為蒸汽壓力穩定，蒸汽溫度分別為310℃，330℃，350℃時的瞬態調速率記錄及穩定時間表。

從表中可以看出，當蒸汽溫度變化時，機組的瞬態調速率基本維持在3.7%，蒸汽溫度的變化對瞬態調速率影響較小，在蒸汽溫度為310℃時，穩定時間約為1.7 s ，當蒸汽溫度升高至350℃時，穩定時間約為1.5 s。穩定時間基本維持不變，通過試驗表明溫度變化對調速器的動態特性影響較小。

表8 機組動態特性邊界條件試驗Tab.8 The dynamic characteristic of boundary condition test

2.7 抽氣器最低工作壓力試驗

本項試驗主要檢驗抽氣器在最低蒸汽參數下的工作能力，試驗按蒸汽壓力逐漸上升及蒸汽壓力逐漸下降進行，試驗壓力值與真空變化見圖5和圖6。

圖5 真空隨抽汽器壓力上升曲線Fig.5 Vacuum with the air ejector pressure rising curve

圖6 真空隨抽汽器壓力下降曲線Fig.6 Vacuum with the air ejector pressure decline curve

從圖中可以看出，上行曲線與下行曲線基本相同，當抽氣壓力為1.3 MPa 時，真空值為－0.084 MPa，基本可以滿足使用要求，當抽汽壓力低于1.0 MPa，已基本無法滿足抽汽系統的使用要求。

3 結 語

針對快裝式汽輪發電機組在實際使用過程中出現的蒸汽參數突變等惡劣工況，有針對性的開展了汽輪發電機組邊界條件試驗，按要求對低參數條件下的機組帶載能力進行試驗，對高參數條件下的最低超載溫度進行試驗，對溫度變化對調速器的靜態特性變化進行試驗，對抽氣器最低工作壓力進行試驗，根據試驗數據，得出如下結論:

1)在低參數工況條件下，汽輪機帶100%負載的最低蒸汽參數為當額定蒸汽壓力時，溫度為300℃，額定蒸汽溫度時，蒸汽壓力為3.0 MPa;

2)在高參數工況條件下，汽輪機帶125%負載的最低蒸汽參數為425℃;

3)高低蒸汽參數條件下，蒸汽溫度變化對機組靜態調速性能存在影響，當蒸汽溫度變化40℃時對調速器靜態特性影響值≤0.3%。

4)溫度變化對調速器動態特性影響較小，當溫度變化40℃時，機組的瞬態調速率及穩定時間基本不變。

5)抽汽器的最低工作蒸汽壓力為1.3 MPa，當蒸汽壓力低于1.0 MPa 時，將無法滿足機組汽封抽汽系統的使用要求。

［1］朱蕾，張承紅.汽輪發電機組變工況穩態調速率調試與試驗研究［J］.船舶工程，2009(S)，31:51－53.ZHU lei，ZHANG Cheng-hong.Adjustment and experiment research on the static-state speed governing factor of the steam turbo generator sets for power station［J］.Ship Engineering.2009(S)31:51－53.

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