采用汽輪機速度級測量蒸氣流量的試驗研究

盧 鑫，盧 津，盧有成

（1.內(nèi)蒙古京寧熱電有限責任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 烏蘭察布 012000；2.大唐國際內(nèi)蒙古托克托發(fā)電有限責任公司，呼和浩特 010216；3.內(nèi)蒙古科迪自控有限責任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 鄂爾多斯 014300）

0 引言

過去，在火電廠熱力生產(chǎn)過程中，對鍋爐進入汽輪機組的主汽流量測量普遍采用節(jié)流法進行測量，用測量數(shù)據(jù)作為監(jiān)視和機爐協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)燃燒工況的判別依據(jù)。這種測量方法若要適應(yīng)機組的滑參數(shù)運行，需用溫、壓補償構(gòu)成測量系統(tǒng)，方可準確測量。該方法因為節(jié)流元件對初蒸汽造成節(jié)流損失，從熱力系統(tǒng)的經(jīng)濟角度分析，都不希望初蒸氣的初壓損失，從而降低初蒸汽的做功能力。

對于單元機組或者母管制并列式汽機側(cè)的主汽流量監(jiān)視，往往對于運行人員不太迫切。作為機組運行安全監(jiān)測來講，在工況變動時能夠反應(yīng)靈敏，對于其測量誤差不像母管式鍋爐主汽流量那樣要求嚴格。應(yīng)用汽輪機固有的雙列速度級作為主汽流量測量元件，可使測量過程簡單，并能滿足機組運行的正常監(jiān)視，取消了鍋爐和汽輪機之間的測量元件，對過熱器后的初蒸汽不存在節(jié)流損失。因此，這是一項有效可行的節(jié)能措施，目前已經(jīng)在各大電廠設(shè)計中得到了普遍的推廣應(yīng)用。

本文作者依據(jù)汽輪機通流量計算的斯托多拉流量錐三維曲線，經(jīng)過簡化而來的弗留格爾公式，從20世紀90年代開始在新投產(chǎn)單元機組上實施應(yīng)用，此科研課題曾經(jīng)過專家鑒定，獲得原電力部科技成果獎。經(jīng)過幾十年的推廣應(yīng)用表明，該測量方法完全能夠滿足機組的運行監(jiān)視和單元機組機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)需求。

1 測量原理

汽輪機制造完畢以后，其級組通流狀態(tài)與其機組前后蒸汽介質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)存在一定的函數(shù)關(guān)系。簡單形象地說，汽輪機的每一級都是一個能量轉(zhuǎn)化的節(jié)流元件，在熱能通過葉片改變流速（流速是矢量，包括方向）轉(zhuǎn)化為動能的那一刻，就把一部分熱能轉(zhuǎn)化為動能，產(chǎn)生焓變或者是熵變。研究中，對汽輪機內(nèi)的每一級組均視為當量噴嘴，按照能量轉(zhuǎn)換的守恒定律，很容易得出以下狀態(tài)前后各參數(shù)的方程公式，也就是通常所用的斯托多拉流量錐。

在工況變動時，其級組前后的壓力、溫度與流量的關(guān)系，可用斯托多拉流量錐表示，通常所用的解析關(guān)系為：

其中：βN——流量變化的相對比值，βN=G/GN

由此可得，在變工況下：

其中，G1、εo1、ε21為工況變化后的流量和壓力比。對于級組在臨界狀態(tài)時背壓較低的情況下，通常認為級組的臨界壓近似為0，此時級組中各級均處于亞臨界狀態(tài)。式（2）可簡化為：

表1 變送器及顯示儀表的對應(yīng)關(guān)系Table 1 Corresponding relationship between transmitter and display instrument

PⅡ、PⅠ為工況變化后的級組前、后壓力。對于上式適用凝汽方式的汽輪機時，無論在級組是否發(fā)生臨界工況，其關(guān)系式均可成立，其流量均與級前壓力成正比。由此，可根據(jù)測得級組的壓力來計算流過級組的流量。對于雙列速度級而言，流過級組的流量便是汽輪機的進汽流量。對于采用節(jié)流調(diào)節(jié)式汽輪機，測量主汽流量所應(yīng)用的是最初級組。

2 設(shè)計參數(shù)選擇

根據(jù)上述關(guān)系式，按照機組的設(shè)計工況，即可求得壓力與流量的對應(yīng)關(guān)系，并且以此來確定壓力變送器與顯示儀表的對應(yīng)量程范圍。

1990年包頭二電廠7號機組的設(shè)計工況：

且經(jīng)實際測量，實際工況（即設(shè)計壓力Pm）時流量與壓力基本滿足近似線性關(guān)系，若不相符，應(yīng)以實際工況壓力溫度參數(shù)代替公式中的Pm、Gm。

則：

式（6）中，G、P為某變動工況下的流量壓力。

根據(jù)1990年在100MW的新建單元機組的額定參數(shù)，由此確定壓力的測量范圍為（0～6）MPa時，對應(yīng)的流量顯示范圍是（0～500）t/h，其對應(yīng)關(guān)系見表1。

顯示流量與理論流量的差值，主要是在選擇顯示儀表范圍時，取整數(shù)時產(chǎn)生的誤差。

3 現(xiàn)場試驗方法

依照以上原理，用壓力變送器測取汽輪機入口的第一級雙列速度級的壓力，通過數(shù)字電壓表DVM轉(zhuǎn)化為運行人員所需要的鍋爐出力。在單元機組運行工況變動時，值班員通過DVM現(xiàn)實數(shù)據(jù)能夠快速掌握汽輪機用汽流量的變

圖1 測量系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of measurement system

化，而對于流量的精確度不像母管制機組那樣嚴格。采用速度級壓力測取對應(yīng)汽流量，完全能適應(yīng)機組的運行監(jiān)視，測取汽輪機的進汽量也就是鍋爐的供汽量。

3.1 測量系統(tǒng)構(gòu)成

該測量系統(tǒng)比較簡單，僅由一臺壓力變送器，配之以相應(yīng)的顯示儀表，如圖1所示。

根據(jù)測量所依據(jù)的關(guān)系式，可得變送器及顯示儀的校驗數(shù)據(jù)，具體見表2。

3.2 運行及使用情況

該測量系統(tǒng)投入運行后，一直在原包頭第二熱電廠連續(xù)穩(wěn)定地運行。從使用角度來看，總結(jié)有以下特點：

1）在滑壓運行及額定工況下，能夠滿足運行人員的全程監(jiān)視。

2）在負荷變動時，能夠迅速地反映出負荷的變動趨向及變動幅度。

3）針對火電廠的特點，將汽輪機固有的級組當量噴嘴用來測量汽機的進汽量，因此不用再增設(shè)節(jié)流元件，減少了鍋爐初蒸汽的壓力損失，有效地間接減少了發(fā)電煤耗。

4）采用平、乙兩聯(lián)箱供汽的鍋爐，可直接測得主汽流量，便于運行監(jiān)視或作為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的采樣信號直接控制燃燒。

5）測量系統(tǒng)簡單，便于維護并能滿足長期穩(wěn)定運行。

6）在DCS系統(tǒng)模塊里，方便進行溫度補償?shù)拈_方運算。

3.3 存在的問題

1）測量精度受諸多因素影響，如公式的近似簡化、級后溫度變化及汽機通流面積（結(jié)垢）變化等。所以，各因素帶來的誤差還需進一步修正，以提高測量精度。

2）標準化問題。在適應(yīng)熱工測量方面，汽輪機機組的設(shè)計制造尚沒有標準化、規(guī)范化的技術(shù)文件。因此，每臺機組都要通過試驗測取流量與級內(nèi)狀態(tài)參數(shù)之間的實際關(guān)系，不利于對其的標定校驗。

3.4 運行統(tǒng)計紛析

經(jīng)過近年的推廣運行，將其測量結(jié)果與原有的節(jié)流式差壓流量計的測量結(jié)果進行對比，對各不同時期統(tǒng)計數(shù)值得出如下結(jié)果：

1）節(jié)流法與應(yīng)用速度級法測量，在工況變動中，兩者的變動速率不同。在電負荷變化的擾動下，速度級測量較節(jié)流法反應(yīng)迅速，以致于兩者的變化過程存在著時間差。所以在統(tǒng)計以上數(shù)據(jù)時，盡可能在負荷穩(wěn)定的情況下進行比較分析，讀取測量數(shù)據(jù)。

表2 變送器及顯示儀的校驗數(shù)據(jù)Table 2 Calibration data of transmitter and display instrument

2）顯示所用的儀表態(tài)是數(shù)字儀表，所以存在約± 2個字的量化誤差。

3）由表2可以得出，在額定工況時誤差最小，基本為零。在負荷大于額定工況時，其誤差為正值；當負荷低于額定工況時，其誤差為負值，且偏離額定工況愈多，誤差絕對值愈大。

4）在啟動過程中的對照分折

滑參數(shù)啟動中，在負荷較小時誤差較大，在負荷較大時，誤差較小。

其誤差與主汽溫度偏離額定的大小有關(guān)，當負荷達到70%以上時，溫度基本接近額定值時，誤差有明顯地減小。

從記錄曲線來看，其變化趨向及幅值基本上完全對應(yīng)，經(jīng)過各種擾動試驗也證實了這一點，其兩曲線的形狀基本一致。

5）精度分析

由以上運行分析可知，共誤差隨運行工況偏離額定工況的幅度有關(guān)。對于負荷在70%以上時，其最大引用誤差在3.5%以內(nèi)。對于低負荷及啟、停機過程中，其最大引用誤差約5%。

4 測量誤差分析

4.1 P-G曲線

根據(jù)上述公式G=Gm(P/Pm)，可做出機組的P-G曲線，稱之為理論曲線。另外，還可以根據(jù)機組運行中的變動工況，通過試驗測得實際P-G曲線。測量過程是依公式進行的，即與理論曲線相對應(yīng)。相同壓力下，理論曲線與實際曲線的差值，即為測量的系統(tǒng)誤差，如圖2所示。

由P-G曲線可知，理論曲線與實際曲線基本近似重合，也就是說在變動情況下，測量結(jié)果與機組實際通流近似吻合，趨勢相一致，其最大誤差為5%以內(nèi)。

4.2 機組結(jié)垢對測量的影響

在機組運行一段時間后，葉片容易被蒸汽腐蝕和結(jié)垢，

圖2 理論曲線和實際曲線的比較Fig.2 Comparison of theoretical curve and actual curve

葉片及噴嘴結(jié)垢后，則會導致機組的通流面積發(fā)生變化。假定結(jié)垢后各級面積變化是均勻的，程度是相同的，則只須加一修正系數(shù)K。

針對實驗新投產(chǎn)的機組和運行一年以后的機組，做了一個對比。運行一年結(jié)垢后的通過流發(fā)生一些變化，做了幾種試驗，并將其試驗數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計后處理得到如圖3的曲線。這時的計算公式應(yīng)修正為：

即結(jié)垢后的測量誤差是隨工況負荷增加而增加，系數(shù)K可以在結(jié)垢后通過實驗測取。

4.3 溫度的影響

對于采用調(diào)節(jié)方式為噴嘴的凝汽式汽輪機，其P-G曲線受調(diào)節(jié)級后溫度變化的影響，所以實際P-G曲線與理論P-G曲線的誤差也有蒸汽溫度方面影響因素，其影響關(guān)系可以從以下修正關(guān)系式得出：

其中：T——運行工況的蒸汽溫度；Tn——設(shè)計的額定溫度。

圖3 結(jié)垢前后P-G曲線對比Fig.3 P-G Curve comparison before and after scaling

其誤差特性存在著非線性關(guān)系，當溫度在額定工況下偏離20℃時，測量誤差為±3.5%左右。但通過試驗，其工況變化50%，最大誤差約為3%左右。在進一步改進測量儀表的情況下，應(yīng)用DCS智能模塊開方計算，加入實際工況的溫度修正，其誤差可予以消除。

4.4 公式的近似和簡化

斯托多拉流量錐的公式在推導中做了若干簡化，但利用該式所測得結(jié)果與實際基本相符，這是因為簡化中有增減互補，故影響不大。

5 結(jié)語

這一實驗研究方法，經(jīng)過近30年的推廣應(yīng)用，得到了汽輪機制造廠和電力設(shè)計院的采用和認可，也得到了電廠運行實踐的考驗，是一種簡單易行的測量手段。更為主要的是，作為把一次石化能源轉(zhuǎn)化為二次電力能源的熱力生產(chǎn)過程，每年節(jié)省數(shù)以萬計的石化能源，其效益通過單元機組的熱焓可以算出來，在此不做重點羅列，以下就實驗結(jié)果概述幾點：

1）當初試驗研究者側(cè)重于測量方法，對于所選擇的測量儀表非常簡單。因此，沒有引入溫度補償功能。

2）該測量方法作為機組的滑壓運行監(jiān)視是非常簡便的，在汽輪機流道結(jié)垢或其它異常運行情況下，應(yīng)采取必要的修正。

3） 希望在汽輪機制造中，雙列速度級設(shè)計制造標準化，逐步適應(yīng)熱力參數(shù)測量的要求。

編者注：本文系作者盧有成于1990年在內(nèi)蒙古包頭第二熱電廠的科研項目，經(jīng)過鑒定和現(xiàn)場試驗，證明是個好的節(jié)能降耗方法，曾獲得原電力部的科技成果獎，現(xiàn)為了更好地進一步推廣應(yīng)用，特此由作者盧鑫和盧津根據(jù)試驗項目負責人盧有成提供的原始資料歸納整理總結(jié)，以餐讀者。