汽輪機高調閥流量特性曲線的線性度改善方法

楊彥卿　潘長春　江飛　趙麗梅　孫東　劉金龍

摘 要：大功率汽輪機噴嘴組改造雖然提高了機組的低負荷運行經濟性，但同時也對機組調節特性產生負面影響；為了提高汽輪機變負荷能力，需要對高調門流量特性曲線的線性度進行優化。該文以多臺典型200 MW級別、300 MW級別和600 MW級別機組為例，闡述了汽輪機高調閥流量特性曲線的線性度改善方法，使得機組在進行噴嘴組改造后既能夠提高機組全年變工況運行經濟性，又能夠滿足機組快速變負荷運行的調節性。這對改善我國大功率汽輪發電機組的深度變負荷運行能力具有很大的借鑒作用。

關鍵詞：汽輪機 高調門 流量特性 線性度 改善

中圖分類號：TK26 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（c）-0001-03

汽輪機閥門管理是DEH系統的一個重要組成部分，通過閥門管理把控制回路輸出的流量信號轉變為各個調節閥的開度指令，驅使相應的閥門開啟到要求位置，從而改變汽輪機的進汽流量來實現對轉速或功率的調節。此外，閥門管理還負責實現汽輪機高調門進汽方式（單閥/順序閥）的切換，從而保證汽輪機可根據不同的工況選擇相應的閥門調節方式。在單閥控制方式下，汽缸轉子受熱膨脹均勻，熱應力小，因此在機組啟動時多采用該方式，但單閥調節在低負荷時節流損失大，機組經濟性差。在順序閥控制方式下，各閥門按一定次序開啟，某負荷運行時只有一個調節閥進行流量調節，隨著電網峰谷差的不斷增大，其余閥門處于全開或者全關位置，故機組經濟性好[1-2]。但是，當噴嘴調節方式的配汽規律設計不合理時會給機組的安全穩定和運行經濟性都帶來影響；因此，早期國內針對汽輪機噴嘴配汽問題研究大都從軟件方面進行，包括通過優化進汽順序解決機組軸系穩定較差的問題[3-4]和優化重疊度降低機組高調門的節流損失[5]。接著，一些研究者開始注重研究節流調節和噴嘴調節方式的無擾切換問題，即降低切換過程的負荷和汽壓波動甚至是由此產生的調門大幅高頻擺動問題[6-8]。然而，隨著近幾年新能源等隨機波動性電源的大規模接入，不僅電廠的負荷率被被進一壓低；而且，電網對電廠機組的調節品質變得更加嚴格，一次調頻和AGC性能開始考核。所以，各電廠開始注重高調門的流量特性曲線的線性度優化問題。

目前，隨著高參數大容量機組的進一步發展和投產，200 MW級別、300 MW級別和600 MW級別機組目前已在電網了很大比例[8-10]。因此，200 MW級別、300 MW級別和600 MW級別機組的優化改造經驗具有非常寶貴的借鑒意義。該文以200 MW、300 MW和600 MW三種典型級別機組為例，闡述了汽輪機高調閥流量特性曲線的線性度改善方法。

1 機組運行概況

該文研究案例選取了4臺哈汽廠生產的200 MW級別機組、4臺阿爾斯通生產的300 MW級別機組、4臺上汽600 MW級別亞臨界機組。以其中的4臺600 MW機組投產后修前熱耗率嚴重偏離設計值，對機組進行噴嘴組改造后提高了機組變負荷運行的經濟性。由于閥門管理是DEH系統的一個重要組成部分，對機組的安全高效運行具有非常重要的作用。然而，機組噴嘴組改造直接影響了機組的調節級實際流量特性，導致高調門特性曲線發生偏離。因此，噴嘴組改造對機組調節特性產生影響，機組閥門綜合流量特性曲線的線性度較差，這會導致閥門流量銜接分配不均，這對機組的AGC和一次調頻能力都會有很大的影響，間接影響機組的運行經濟性，影響電廠的間接運行效益。同樣，對于200 MW級別和300 MW級別機組的通流改造，機組流量特性也需要優化改造。

2 流量特性曲線線性度改善方法

2.1 調節級變工況計算

調節級變工況計算是生成閥門流量特性曲線的一種理論計算方法，它通常需借助于調節級特性曲線，即借助于調節級變工況計算。調節級變工況計算包括三部分：調節級一股汽流計算，調節級各股汽流的合算，調節級背壓的計算。進行調節級一股汽流計算，即調節級特性計算，是在假定調節閥全開的情況下計算調節級的熱力參數。通過調節級一股汽流的計算，可以確定一些汽輪機調節級變工況計算所必需的特性曲線，利用這些特性曲線就可以進行調節級的變工況計算。各股汽流的合算是在給定各股汽流的級前級后參數的情況下，計算各股汽流的的流量、各股汽流的焓降及動葉相應弧段的汽流力和總的橫向汽流力、各股汽流出口的混合焓、調節級的輪周效率和相對內效率等。調節級背壓的計算是給定調節級的總流量和調節級后的溫度，確定調節級后的壓力。

2.2 流量特性辨識

閥門特性辨識是指在利用實際試驗數據的基礎上，擬合出實際機組的閥門特性函數，從而繪制出接近實際情況的閥門流量特性曲線。然而，借助于調節級變工況理論計算，會有一定的偏差；而進行閥門實驗，則不能夠遍歷所有的閥門流量工況。因此，需要在調節級變工況理論計算的基礎上，利用實際運行和試驗數據進行修正，準確擬合出機組的閥門特性函數，從而計算得到貼近實際的閥門流量特性曲線。顯然，此方法即可以避免重新做大量的閥門實驗，又可以避免直接由理論計算得到的調節閥流量特性曲線存在偏差性的問題。流量特性辨識的基本原理如下。

圖2為一典型閥的相對流量系數與、的關系曲線（其中由調節級變工況計算決定）。從圖中可以看出，在同一壓力降的條件下，相對流量系數降隨著升程的增大而增大。但當閥門基本開足后，閥門升程雖繼續增大，但通流面積已基本上不再增大，故流量的增加趨于緩慢，值接近為一水平線。另外，在同一升程下，壓力降越大，越大，通過閥門的流量也越大，但當增達到某一范圍后，流量的增加變慢，這表示閥門喉部已接近臨界壓力。在一只調節閥開啟過程中，當閥的升程時，；當閥門的升程很小時，閥后壓力很低，閥門內為超臨界流動，當閥門前壓力不變時，流量和面積成正比，即隨著的增大而增大，當閥門繼續開大時，通流面積雖還在變大，但閥后壓力也不斷增大，使變小，故的增大隨著的增大就趨于緩慢。隨后，雖閥門開度繼續增大，但由于受到閥門后部直徑的限制，將漸趨飽和。endprint

2.3 設置合理和重疊度

汽輪機采用噴嘴調節時，調節閥是依次啟閉的，如果后一個閥門是在前一個閥門全開后在開啟，那么閥門總的升程和流量特性曲線就將是一根曲折很大的線，這是不希望的。因此，通常是在前一閥尚未完全開啟，后一閥便提前打開，這個提前開啟的量，稱為閥門的重疊度。重疊度的選取一般以前一閥門開至閥門前、后蒸汽壓力比～0.09時，后一閥便開始開啟為合適。那樣閥門的流量特性就趨于一跟較為光滑的直線。但由于閥門同時部分開啟節流損失增大，經濟性稍有下降。因此，重疊度的選擇應適合。有些機組，為了避免由于第一組噴嘴的部分進汽度過小，引起調節級的動葉片應力過大，將第一組噴嘴的進汽度增大，即讓兩個閥門同時向一組噴嘴供汽，一般仍讓第一個閥門先開啟，待第一閥門的前后壓差剛減小至15%～20%，便開始開啟第二個閥門。

3 實際優化效果

通過對4臺200 MW級別機組、4臺300 MW級別機組和4臺600 MW級別機組流量特性試驗并進行了改造，機組流量特性曲線具有很好的線性度。并且，消除由于配汽規律線性度較差，引起的調門異常調節，減少原件磨損、增強使用壽命，間接提高機組運行的經濟性；改善#4機組的高調門流量特性曲線線性度，提高機組的調節性能，如AGC和一次調頻，間接提高電廠的運行經濟性，增加電廠運行效益。

4 結語

大功率汽輪機噴嘴組改造雖然提高了機組的低負荷運行經濟性，但同時也對機組調節特性產生負面影響；為了提高汽輪機變負荷能力，需要對高調門流量特性曲線的線性度進行優化。該文以4臺200 MW級別機組、4臺300 MW級別機組和4臺600 MW級別機組為例，針對通流改造、噴嘴改造等硬件改造導致的流量特性改變問題，闡述了汽輪機高調閥流量特性曲線的線性度改善方法，使得機組在進行噴嘴組改造后既能夠提高機組全年變工況運行經濟性，又能夠滿足機組快速變負荷運行的調節性。這對改善我國大功率汽輪發電機組的深度變負荷運行能力具有很大的借鑒作用。

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