300 MW噴嘴配汽汽輪機(jī)順序閥運(yùn)行調(diào)節(jié)級(jí)特性研究

孫友源,胥建群,蔣偉莉

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210096)

300 MW噴嘴配汽汽輪機(jī)順序閥運(yùn)行調(diào)節(jié)級(jí)特性研究

孫友源,胥建群,蔣偉莉

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210096)

通過仿真實(shí)驗(yàn)與熱力計(jì)算相結(jié)合的方法分析了調(diào)節(jié)閥的流量特性,并得到了調(diào)節(jié)閥順序開啟時(shí)其后調(diào)節(jié)級(jí)壓力與流量關(guān)系。對(duì)順序閥定壓運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)有效比焓降進(jìn)行實(shí)例計(jì)算,并得到調(diào)節(jié)級(jí)汽室混合后比焓的建模思路,為分析調(diào)節(jié)級(jí)變工況時(shí)的工作狀態(tài)提供了參考。

汽輪機(jī)；調(diào)節(jié)閥；流量特性；運(yùn)行方式；調(diào)節(jié)級(jí)有效比焓降；調(diào)節(jié)級(jí)汽室混合后比焓

目前,采用噴嘴配汽方式的汽輪機(jī)在火電機(jī)組中占有很大的比例。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí),機(jī)組普遍采用數(shù)字電液控制(DEH)系統(tǒng)中閥門管理邏輯來控制調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)進(jìn)汽量,實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)組對(duì)發(fā)電功率的調(diào)節(jié)［1］。當(dāng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作時(shí),通過半開調(diào)節(jié)閥的部分蒸汽節(jié)流較大,而通過全開調(diào)節(jié)閥的蒸汽節(jié)流很小,兩股不同的氣流勢(shì)必會(huì)影響其后調(diào)節(jié)級(jí)的工作狀態(tài)。因此,需要尋求調(diào)節(jié)閥開度與通過其后噴嘴組的蒸汽流量的關(guān)系(即閥門流量特性),以便分析其后調(diào)節(jié)級(jí)的工作狀態(tài),為準(zhǔn)確把握機(jī)組配汽優(yōu)化的方向做鋪墊。

針對(duì)調(diào)節(jié)閥特性,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究,主要集中在試驗(yàn)研究方面。文獻(xiàn)［2-4］通過閥門流量特性試驗(yàn)對(duì)調(diào)節(jié)閥流量特性曲線進(jìn)行優(yōu)化,改善高壓調(diào)節(jié)閥的控制特性；文獻(xiàn)［5］通過建立調(diào)節(jié)閥的仿真模型,得到仿真結(jié)果后對(duì)流量開度函數(shù)曲線進(jìn)行修改,為電廠通過修改閥門流量開度函數(shù)以便減少閥門晃動(dòng)提供了理論依據(jù)。

國內(nèi)外學(xué)者在調(diào)節(jié)閥對(duì)機(jī)組的影響方面也進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)［6］應(yīng)用Matlab語言編制計(jì)算程序?qū)φ{(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制了調(diào)節(jié)級(jí)反動(dòng)度和調(diào)節(jié)級(jí)理想焓降的變化曲線,為調(diào)節(jié)級(jí)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性分析奠定了理論基礎(chǔ)；文獻(xiàn)［7］通過數(shù)值計(jì)算法與仿真試驗(yàn)從熱力特性與流量特性兩方面探討調(diào)節(jié)級(jí)壓比、反動(dòng)度及蒸汽流量隨調(diào)節(jié)閥動(dòng)作的變化規(guī)律,為噴嘴配汽的汽輪機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化研究提供了理論指導(dǎo)。

筆者通過仿真試驗(yàn)與熱力計(jì)算相結(jié)合,對(duì)噴嘴配汽汽輪機(jī)順序閥定壓運(yùn)行仿真,并對(duì)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作后調(diào)節(jié)級(jí)有效比焓降進(jìn)行了定量計(jì)算,進(jìn)而得到調(diào)節(jié)級(jí)汽室混合后比焓的簡(jiǎn)化計(jì)算模型,為分析調(diào)節(jié)級(jí)變工況時(shí)的工作狀態(tài)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(jī)。該汽輪機(jī)配有2個(gè)高壓主汽門、6個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥,6個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥對(duì)應(yīng)6組噴嘴。機(jī)組原設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥開啟順序?yàn)椋篏V1+GV2同步開啟,然后GV4→GV5→GV6→GV3,自動(dòng)主汽門(TV)和調(diào)節(jié)閥(GV)的排列順序見圖1。

圖1 閥門配置和開啟順序

2 調(diào)節(jié)閥流量特性仿真分析

2.1 閥點(diǎn)效應(yīng)

以上述發(fā)電機(jī)組為例,借助Apros仿真平臺(tái)進(jìn)行了順序閥定壓運(yùn)行(16.7 MPa)試驗(yàn),可以得到閥門聯(lián)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(lián)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(jī)調(diào)節(jié)閥順序閥開啟,閥門的聯(lián)合流量特性曲線呈現(xiàn)波浪形變化,在調(diào)節(jié)閥全開時(shí)出現(xiàn)閥點(diǎn)效應(yīng),使得流量特性表現(xiàn)為高階非線性,因此實(shí)際中,汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開啟往往要有一定的重疊度,以彌補(bǔ)前一調(diào)節(jié)閥非線性的特性。

(2)由于非調(diào)節(jié)級(jí)的通流面積不變,將所有非調(diào)節(jié)級(jí)看成一個(gè)級(jí)組,由弗留格爾公式可得調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)后的壓力與流量成正比,故調(diào)節(jié)級(jí)后壓力隨升程也呈現(xiàn)波浪形變化。

2.2 噴嘴組壓力與流量關(guān)系

通過對(duì)該機(jī)組進(jìn)行順序閥定壓仿真實(shí)驗(yàn),繪制了調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴組壓力與流量的關(guān)系曲線,見圖3。

圖3 各噴嘴組壓力與流量關(guān)系曲線

由圖3分析可知：

(1)機(jī)組由最大負(fù)荷減小至額定負(fù)荷時(shí), GV3由全開逐漸減小至關(guān)閉,由于GV3的節(jié)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(diào)節(jié)閥的關(guān)閉而減小,把所有非調(diào)節(jié)級(jí)看成一個(gè)級(jí)組,調(diào)節(jié)級(jí)后壓力隨流量減小而減小。

(2)GV6、GV5和GV4依次由全開到關(guān)閉時(shí),其對(duì)應(yīng)的噴嘴組前的壓力由于節(jié)流作用而逐漸減小,流量隨調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉而減小,調(diào)節(jié)級(jí)后壓力隨流量減小而減小。

(3)當(dāng)GV1+GV2動(dòng)作由全開到關(guān)閉時(shí),以調(diào)節(jié)級(jí)和所有非調(diào)節(jié)級(jí)為一個(gè)級(jí)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(diǎn)的0-1。

3 調(diào)節(jié)級(jí)特性實(shí)例計(jì)算

3.1 調(diào)節(jié)閥開啟特性

對(duì)于噴嘴配汽的汽輪機(jī),變工況時(shí)只有流過部分開啟調(diào)節(jié)閥的氣流受到節(jié)流損失,而通過全開調(diào)節(jié)閥的氣流節(jié)流很小,因此在分析調(diào)節(jié)級(jí)的工作特性時(shí),必須要討論這兩部分氣流的工作。

由于調(diào)節(jié)級(jí)后的環(huán)形空間是相通的,故通過全開和部分開啟調(diào)節(jié)閥的氣流在各自的噴嘴和動(dòng)葉汽道內(nèi)膨脹到相同的調(diào)節(jié)級(jí)汽室壓力p2,兩部分氣流在調(diào)節(jié)級(jí)汽室混合后流入以后的各個(gè)非調(diào)節(jié)級(jí)。

全開調(diào)節(jié)閥噴嘴組流量：

部分開啟調(diào)節(jié)閥噴嘴組流量：

式中：G為主蒸汽流量。

調(diào)節(jié)級(jí)汽室混合后的比焓：

調(diào)節(jié)級(jí)變工況計(jì)算中需要根據(jù)臨界壓比以及噴嘴和動(dòng)葉的壓比來判斷調(diào)節(jié)級(jí)是否達(dá)到臨界。

3.2 調(diào)節(jié)級(jí)有效比焓降變化

以300 MW噴嘴配汽汽輪機(jī)為例,編制詳細(xì)的定壓運(yùn)行調(diào)節(jié)級(jí)變工況計(jì)算程序,根據(jù)熱力計(jì)算的結(jié)果,得到調(diào)節(jié)級(jí)有效比焓降以及全開和半開調(diào)節(jié)閥后調(diào)節(jié)級(jí)有效比焓降的變化曲線,見圖4、圖5。

圖4 調(diào)節(jié)級(jí)有效比焓降變化曲線

圖5 全開和半開調(diào)節(jié)閥后調(diào)節(jié)級(jí)有效比焓降變化曲線

由圖4、圖5可知：

(1)機(jī)組由最大負(fù)荷減小至額定負(fù)荷時(shí), GV3動(dòng)作由全開到關(guān)閉,第3噴嘴組前的壓力減小,流量減小,調(diào)節(jié)級(jí)后壓力也減小,第3噴嘴組與動(dòng)葉的有效比焓降減小直至減到0,而其他全開調(diào)節(jié)閥后噴嘴組與動(dòng)葉的有效比焓降增大。

(2)隨著GV6、GV5、GV4的依次關(guān)閉,半開調(diào)節(jié)閥后的噴嘴組與動(dòng)葉的有效比焓降減小直至減到0,而全開調(diào)節(jié)閥(GV1和GV2)后噴嘴組與動(dòng)葉的有效比焓降增大。

(3)當(dāng)GV3、GV6、GV5和GV4全關(guān)而GV1和GV2全開時(shí),第1和第2噴嘴組與動(dòng)葉的有效比焓降最大,隨后調(diào)節(jié)閥繼續(xù)關(guān)小時(shí),調(diào)節(jié)級(jí)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(diào)節(jié)閥1和2全開時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)后和調(diào)節(jié)閥后的壓力；p21、p′01為調(diào)節(jié)閥1和2半開時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)后和調(diào)節(jié)閥后的壓力。

調(diào)節(jié)級(jí)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(guān)閉時(shí),節(jié)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(dòng)葉的有效比焓降略有降低。所以第1和第2噴嘴組與動(dòng)葉的有效比焓降在GV1和GV2全開時(shí)最大；又因此時(shí)流過兩個(gè)噴嘴的流量也是最大值,故此時(shí)第1和第2噴嘴后的動(dòng)葉承受的蒸汽作用力最大,是噴嘴配汽汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)的危險(xiǎn)工況。

3.3 調(diào)節(jié)級(jí)后比焓與流量的關(guān)系

圖6為調(diào)節(jié)后比焓與主蒸汽流量的關(guān)系曲線。

圖6 調(diào)節(jié)后比焓與主蒸汽流量的關(guān)系曲線

由圖6可知：調(diào)節(jié)級(jí)后的比焓隨流量的變化而變化,且在閥點(diǎn)處調(diào)節(jié)級(jí)后的比焓降低較快,原因是閥點(diǎn)處調(diào)節(jié)閥全開,節(jié)流損失比較小,調(diào)節(jié)級(jí)做功較多,導(dǎo)致調(diào)節(jié)級(jí)后比焓降低相對(duì)較快。

在順序閥定壓運(yùn)行過程中的閥點(diǎn)工況,忽略重疊度的影響,噴嘴配汽汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)汽室混合后的比焓可表示為流量的函數(shù)：

式中：G為主蒸汽流量。

將上述模型擬合成流量的二次函數(shù)可得：

式中：a、b、c為常數(shù)。

在順序閥定壓運(yùn)行過程中,當(dāng)調(diào)節(jié)閥半開時(shí),忽略重疊度的影響,混合后的比焓可以以閥點(diǎn)工況為界分段表示成主蒸汽流量、調(diào)節(jié)閥的開度的函數(shù)：

式中：X為調(diào)節(jié)閥的開度；A、B、C為常數(shù)。由于函數(shù)是分段表示的,故式(10)中的系數(shù)與調(diào)節(jié)閥的全開個(gè)數(shù)有關(guān),全開閥的個(gè)數(shù)不同,則系數(shù)不同,混合后的比焓的函數(shù)表達(dá)式也不同。

對(duì)于確定的機(jī)組,可分段擬合得到此機(jī)組順序閥定壓運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)汽室混合后比焓的簡(jiǎn)化計(jì)算模型,較為方便地求出調(diào)節(jié)級(jí)混合后的比焓。

4 結(jié)語

(1)通過仿真實(shí)驗(yàn)和熱力計(jì)算相結(jié)合,從調(diào)節(jié)級(jí)流量和熱力特性方面對(duì)噴嘴配汽汽輪機(jī)順序閥定壓運(yùn)行過程中調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)行了分析和計(jì)算,為噴嘴配汽汽輪機(jī)的配汽優(yōu)化提供了一定的參考價(jià)值。

(2)通過仿真實(shí)驗(yàn)得到調(diào)節(jié)閥流量-升程以及噴嘴組的壓力和流量曲線,對(duì)詳細(xì)了解機(jī)組閥點(diǎn)效應(yīng)以及調(diào)節(jié)閥開啟的流量特性具有指導(dǎo)意義。

(3)通過熱力計(jì)算確定了調(diào)節(jié)閥全開和半開過程中調(diào)節(jié)級(jí)的有效比焓降變化規(guī)律,從理論上確定了調(diào)節(jié)級(jí)的危險(xiǎn)工況,便于分析調(diào)節(jié)級(jí)變工況時(shí)的工作狀態(tài)。

(4)針對(duì)噴嘴配汽汽輪機(jī)順序閥定壓運(yùn)行,提出了一種調(diào)節(jié)級(jí)汽室混合后比焓的簡(jiǎn)化計(jì)算模型,其思想為其他機(jī)組調(diào)節(jié)級(jí)汽室混合后比焓的簡(jiǎn)化計(jì)算提供參考。

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

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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?yàn)榛痣姍C(jī)組仿真建模與優(yōu)化。

E-mail：sunyouyuan@163.com