汽輪機(jī)性能試驗(yàn)中過(guò)橋汽封漏汽率的能效平衡計(jì)算

韓建春，荀 華

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020）

0 引言

為了縮短大型汽輪機(jī)長(zhǎng)度常采用高中壓合缸結(jié)構(gòu)，在高中壓缸中間均設(shè)有過(guò)橋汽封。由于汽輪機(jī)動(dòng)靜部分有間隙，且高中壓缸之間存在較大壓差，因此過(guò)橋汽封不可避免地會(huì)漏流發(fā)生。漏流量的大小以漏汽量占中壓缸進(jìn)汽量之比表示，即過(guò)橋汽封漏汽率。一般采用變汽溫法測(cè)算過(guò)橋汽封漏汽率[1-2]。但由于變汽溫法對(duì)工況要求比較嚴(yán)格，且需要進(jìn)行調(diào)整，在測(cè)試期間常常會(huì)出現(xiàn)無(wú)法獲取測(cè)試結(jié)果的問(wèn)題。本文通過(guò)分析研究，得出一種采用能效平衡方法實(shí)現(xiàn)機(jī)組性能測(cè)試與過(guò)橋汽封漏汽率估算同步完成的漏汽率計(jì)算方法，用于高中壓合缸汽輪機(jī)性能試驗(yàn)中過(guò)橋汽封漏汽率的計(jì)算，為同類型汽輪機(jī)計(jì)算提供借鑒。

1 變汽溫方法存在的問(wèn)題

變汽溫法自美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)于1984 年公開(kāi)發(fā)布以來(lái)得到廣泛應(yīng)用[1-2]，但仍存在一些缺點(diǎn)。

1.1 需要單獨(dú)的試驗(yàn)時(shí)間

依據(jù)GB/T 8117.1—2008《汽輪機(jī)熱力性能驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)于過(guò)熱度大于25 K的汽輪機(jī)在進(jìn)行性能試驗(yàn)期間，主蒸汽和再熱蒸汽溫度平均值與設(shè)計(jì)值偏差不得大于15 K，且任何一次試驗(yàn)期間的波動(dòng)不得大于1 K[3]；ASME PTC6—2004《汽輪機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)程》則要求過(guò)熱度大于30 K的汽輪機(jī)在進(jìn)行性能試驗(yàn)期間，主蒸汽和再熱蒸汽溫度平均值與設(shè)計(jì)值偏差小于16 K，任何一次試驗(yàn)期間的波動(dòng)小于4 K[2]。而變汽溫法測(cè)試過(guò)程中，則需要分別對(duì)主汽溫度和再熱蒸汽溫度進(jìn)行20 ℃溫差操作，因此軸封漏汽試驗(yàn)無(wú)法與機(jī)組熱耗率試驗(yàn)同時(shí)完成。同時(shí)由于軸封漏汽需要有足夠的調(diào)整和穩(wěn)定時(shí)間，因此試驗(yàn)需要有單獨(dú)的試驗(yàn)時(shí)間。

1.2 參數(shù)穩(wěn)定性差

采用變汽溫法測(cè)試過(guò)程中，需要分別對(duì)主汽溫度和再熱蒸汽溫度進(jìn)行20 ℃溫差操作，使機(jī)組運(yùn)行在非正常溫度范圍，而溫度調(diào)整多采用煙氣擋板和過(guò)熱、再熱減溫水進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于主蒸汽、再熱蒸汽不可避免地會(huì)互相影響，因此維持參數(shù)的穩(wěn)定存在一定的困難，而機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的偏移在一定程度上會(huì)影響到指標(biāo)的準(zhǔn)確性，甚至造成測(cè)試失敗。

1.3 參數(shù)敏感性強(qiáng)

變汽溫方法是建立在中壓缸效率保持不變的假設(shè)基礎(chǔ)上，分別改變主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度，計(jì)算不同漏汽率下的中壓缸效率，兩次中壓缸效率相同時(shí)的漏汽率即為試驗(yàn)工況下的機(jī)組過(guò)橋汽封漏汽率。但是缸效率對(duì)進(jìn)出口蒸汽參數(shù)非常敏感，參數(shù)的微小變化即可造成試驗(yàn)結(jié)果的大幅變化[4-7]。

2 能效平衡算法

軸封漏汽率是汽輪機(jī)性能計(jì)算的重要參數(shù)，它的大小將直接影響再熱吸熱量及發(fā)電熱耗率。同時(shí)由于機(jī)組低壓缸效率是通過(guò)能量平衡計(jì)算所得，吸熱量的偏差又會(huì)造成低壓缸效率的較大偏差，因此有必要對(duì)現(xiàn)有軸封漏汽率的計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)。

汽輪機(jī)性能試驗(yàn)中為了能夠準(zhǔn)確獲得機(jī)組情況，GBT 8117.1—2008 和ASME PTC6—2004 都對(duì)試驗(yàn)條件、參數(shù)要求等有非常嚴(yán)格的規(guī)定，在這條件下進(jìn)行漏汽率試驗(yàn)即可更準(zhǔn)確地獲得汽輪機(jī)漏汽率。漏汽率的能效平衡算法即是在這一基礎(chǔ)上獲得的一種熱力學(xué)算法。

2.1 熱力學(xué)原理

汽輪機(jī)是將蒸汽熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種旋轉(zhuǎn)式原動(dòng)機(jī)。當(dāng)汽輪機(jī)各種漏汽、損失以及級(jí)效率均達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，機(jī)組的熱力過(guò)程將以設(shè)計(jì)熱力過(guò)程線進(jìn)行膨脹做功，汽輪機(jī)單位蒸汽所轉(zhuǎn)換的功將與機(jī)組設(shè)計(jì)值保持一致，即機(jī)組實(shí)際發(fā)電熱耗率等于設(shè)計(jì)發(fā)電熱耗率。圖1 為汽輪機(jī)熱力過(guò)程線，其中熱耗率驗(yàn)收工況下的過(guò)程線為機(jī)組設(shè)計(jì)熱力過(guò)程線[8-10]。但一般情況下不可能所有的工況參數(shù)和條件都滿足設(shè)計(jì)要求。這些工況參數(shù)和條件的偏差必然會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。圖1中試驗(yàn)工況曲線即為機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的熱力過(guò)程線。而所有工況參數(shù)和條件所造成的熱力過(guò)程線的不一致造成了機(jī)組發(fā)電熱耗率與設(shè)計(jì)發(fā)電熱耗率的偏差。即當(dāng)工況參數(shù)和條件均修正至設(shè)計(jì)條件時(shí)，機(jī)組發(fā)電熱耗率應(yīng)等于設(shè)計(jì)發(fā)電熱耗率。

圖1 汽輪機(jī)熱力過(guò)程線Fig.1 Thermal process line of steam turbine

過(guò)橋汽封漏汽率是汽輪機(jī)設(shè)計(jì)工況中的一項(xiàng)重要參數(shù)。但由于其無(wú)法實(shí)際測(cè)量，在熱力計(jì)算中又不可缺失，它的大小直接影響再熱蒸汽流量及再熱吸熱量，它與實(shí)際漏汽率的偏差將直接影響機(jī)組發(fā)電熱耗率。這一影響與其他眾多工況參數(shù)和條件的影響共同造成機(jī)組發(fā)電熱耗率的偏差[11-14]。如果能夠?qū)⑦^(guò)橋汽封漏汽率之外的其他偏差均進(jìn)行修正，修正后所得發(fā)電熱耗率與設(shè)計(jì)發(fā)電熱耗率的差值即為過(guò)橋汽封漏汽率造成的。但在圖1中的熱力過(guò)程線中并不能反映過(guò)橋汽封漏汽率對(duì)熱力過(guò)程線的影響。因此依據(jù)熱力過(guò)程線對(duì)發(fā)電熱耗率進(jìn)行修正并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)橋汽封漏汽率影響的修正。也就是說(shuō)，依據(jù)熱力過(guò)程線對(duì)發(fā)電熱耗率的修正僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)除過(guò)橋汽封漏汽率以外參數(shù)的修正，修正后所得發(fā)電熱耗率與設(shè)計(jì)發(fā)電熱耗率之間的偏差即為計(jì)算所用過(guò)橋汽封漏汽率與實(shí)際過(guò)橋汽封漏汽率的偏差所造成。

2.2 基礎(chǔ)計(jì)算

漏汽率能效平衡算法的基礎(chǔ)計(jì)算就是在獲得準(zhǔn)確漏汽率前對(duì)機(jī)組熱耗率及各缸效率的初步計(jì)算，獲得初步計(jì)算結(jié)果后方可開(kāi)展為獲得準(zhǔn)確漏汽率的修正計(jì)算。由于此時(shí)并無(wú)準(zhǔn)確的過(guò)橋汽封漏汽率，可在初算過(guò)程中暫時(shí)代入設(shè)計(jì)過(guò)橋汽封漏汽率。利用設(shè)計(jì)過(guò)橋汽封漏汽率計(jì)算獲得機(jī)組的試驗(yàn)發(fā)電熱耗率和各缸效率。

2.3 修正

在汽輪機(jī)性能試驗(yàn)中，為了對(duì)比消除偏差產(chǎn)生的影響，以保證比較是在相同的熱力循環(huán)條件下進(jìn)行，需要進(jìn)行系統(tǒng)修正和參數(shù)修正。經(jīng)過(guò)修正后所得發(fā)電熱耗率的偏差就只反映在汽輪機(jī)效率的偏差上[3]。由于過(guò)橋汽封漏汽是由高壓缸直接漏流至中壓缸一級(jí)前，而中壓缸進(jìn)汽參數(shù)采自中壓聯(lián)合主汽閥前，故由此計(jì)算獲得的中壓缸效率并非實(shí)際中壓缸效率。同理，因?yàn)閮?nèi)部漏流，高壓缸實(shí)際效率也將與計(jì)算效率存在偏差。此時(shí)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)修正和參數(shù)修正后的發(fā)電熱耗率偏差即為汽輪機(jī)實(shí)際缸效率與設(shè)計(jì)缸效率造成的偏差疊加計(jì)算軸封漏汽與實(shí)際軸封漏汽造成的偏差。因此在系統(tǒng)修正和參數(shù)修正的基礎(chǔ)上再做一次缸效率修正，所得發(fā)電熱耗率與設(shè)計(jì)發(fā)電熱耗率的偏差即可認(rèn)為是軸封漏汽造成的[15-16]。

2.3.1 系統(tǒng)修正

系統(tǒng)修正是對(duì)影響給水加熱系統(tǒng)的變量進(jìn)行修正，通過(guò)修正以消除試驗(yàn)循環(huán)與規(guī)定循環(huán)的偏差產(chǎn)生的影響。系統(tǒng)修正以試驗(yàn)測(cè)試主蒸汽流量為基準(zhǔn)，減溫水流量為零，抽汽管道壓損、加熱器端差、給水泵焓升均取設(shè)計(jì)值，忽略管道散熱損失，依此核算汽輪機(jī)各級(jí)蒸汽通流量，然后再依據(jù)核算后的蒸汽通流量采用公式（1）對(duì)各級(jí)抽汽壓力進(jìn)行修正：

式中：Pn、P′n—流量修正前、后第n 級(jí)抽汽壓力，MPa；

Dn、D′n—流量修正前、后第n 級(jí)抽汽口前蒸汽通流量，kg/h。

然后利用修正后壓力重新計(jì)算各級(jí)抽汽焓、抽汽流量。如此循環(huán)迭代，直至兩次迭代后所得汽輪機(jī)排汽流量相等即得到各級(jí)抽汽流量，并通過(guò)能量平衡計(jì)算獲得機(jī)組系統(tǒng)修正后的發(fā)電熱耗率Rx。

2.3.2 參數(shù)修正

參數(shù)修正是對(duì)影響汽輪機(jī)組性能的主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行的修正。這些參數(shù)包括主蒸汽壓力、主汽溫度、再熱蒸汽溫度、再熱器壓降、排汽壓力。圖1中A、B、C、D 所示位置即為參數(shù)修正在熱力過(guò)程線中的位置。通過(guò)參數(shù)修正即可實(shí)現(xiàn)熱力過(guò)程線的平移和伸縮（排汽壓力修正實(shí)現(xiàn)熱力過(guò)程線的伸縮），修正系數(shù)Δ通過(guò)查取設(shè)備廠家提供的修正曲線獲得，修正系數(shù)為1+Δ/100。修正后熱耗率為：

式中：R—經(jīng)過(guò)系統(tǒng)修正和參數(shù)修正后的發(fā)電熱耗率，kJ/kWh；

∏(1+Δ/100)—各參數(shù)修正量的累乘積。

2.3.3 缸效率修正

經(jīng)過(guò)上述系統(tǒng)修正和參數(shù)修正后，性能試驗(yàn)不再受運(yùn)行蒸汽參數(shù)和系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)的影響。此時(shí)除漏汽之外，修正后的汽輪機(jī)試驗(yàn)熱耗率與設(shè)計(jì)工況的熱耗率偏差只反映汽輪機(jī)效率的水平。因此，如何進(jìn)行汽輪機(jī)缸效率修正，實(shí)現(xiàn)獲得汽輪機(jī)缸效率修正至設(shè)計(jì)缸效率后的發(fā)電熱耗率成為計(jì)算的關(guān)鍵。

由熱力學(xué)原理可知，焓-熵圖中汽輪機(jī)效率直觀表現(xiàn)為熱力過(guò)程線的傾斜程度[4]。通過(guò)上述修正后除漏汽之外的各項(xiàng)影響因素均已回歸至設(shè)計(jì)狀態(tài)，此時(shí)熱力過(guò)程線終點(diǎn)與設(shè)計(jì)熱力過(guò)程線終點(diǎn)的焓差即為單位進(jìn)汽的做功偏差。以此即可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組進(jìn)行缸效率的做功修正。

設(shè)汽輪機(jī)高壓缸效率為ηh、高壓缸功率為Ph、中壓缸效率為ηm、中壓缸功率為Pm、低壓缸效率為ηl、低壓缸功率為Pl；汽輪機(jī)設(shè)計(jì)高壓缸效率為、中壓缸效率為、低壓缸效率為。

2.3.3.1 高壓缸效率對(duì)機(jī)組熱耗率的影響計(jì)算

hzp—修正后主蒸汽焓，kJ/kg；

hgp—修正后高壓缸排汽焓，kJ/kg。

式中：ΔRh—高壓缸效率對(duì)機(jī)組修正后發(fā)電熱耗率的影響量，kJ/kWh；

Dzp—修正后機(jī)組主蒸汽流量，kg/h；

hgs—修正后機(jī)組給水焓，kJ/kg；

Dzr—修正后機(jī)組再熱蒸汽流量，kg/h；

hzr—修正后機(jī)組再熱蒸汽焓，kJ/kg。

2.3.3.2 中壓缸效率對(duì)機(jī)組熱耗率的影響計(jì)算

式中：ΔRm—中壓缸效率對(duì)機(jī)組修正后發(fā)電熱耗率的影響量，kJ/kWh。

2.3.3.3 低壓缸效率對(duì)機(jī)組熱耗率的影響計(jì)算

式中：ΔRl—中壓缸效率對(duì)機(jī)組修正后發(fā)電熱耗率的影響量，kJ/kWh。

2.3.3.4 各缸設(shè)計(jì)效率下機(jī)組的熱耗率計(jì)算

式中：R′—各缸效率修正至設(shè)計(jì)缸效率后的機(jī)組發(fā)電熱耗率，kJ/kWh。

2.4 漏汽對(duì)機(jī)組熱耗率的影響

通過(guò)上述系統(tǒng)修正、參數(shù)修正及各缸效率的修正計(jì)算后將得到一個(gè)新的熱耗率，新的熱耗率與設(shè)計(jì)熱耗率的偏差為：

式中：R0—設(shè)計(jì)發(fā)電熱耗率，kJ/kWh；

ΔRgq—新熱耗率與設(shè)計(jì)熱耗率的偏差，kJ/kWh。

通過(guò)上述的修正計(jì)算后，除初始計(jì)算中假定的過(guò)橋汽封漏汽率外各系統(tǒng)偏差、參數(shù)偏差、缸效率偏差均已得以消除，此時(shí)所得的機(jī)組熱耗率與設(shè)計(jì)熱耗率的偏差即為過(guò)橋汽封漏汽率與實(shí)際漏汽率不符所造成的。此時(shí)通過(guò)調(diào)整試驗(yàn)計(jì)算中所采用的高中壓缸間過(guò)橋汽封漏汽率使得機(jī)組高中壓缸間過(guò)橋汽封漏汽對(duì)機(jī)組發(fā)電熱耗率的影響量為零，即消除機(jī)組高中壓缸間過(guò)橋汽封漏汽率對(duì)機(jī)組發(fā)電熱耗率的影響：

式中：γ—計(jì)算用高中壓缸間過(guò)橋汽封漏汽率，%。

此時(shí)所得高中壓缸間過(guò)橋汽封漏汽率γ即為實(shí)際的過(guò)橋汽封漏汽率。圖2為采用能效平衡算法確定汽輪機(jī)過(guò)橋汽封漏汽率的流程圖。

圖2 能效平衡算法流程圖Fig.2 Flow chart of energy efficiency balance algorithm

2.5 能效平衡算法中的注意事項(xiàng)

能效平衡算法雖然可以減少試驗(yàn)時(shí)間，但在一定程度上增加了試驗(yàn)計(jì)算量，同時(shí)也對(duì)計(jì)算過(guò)程有了更高要求。在計(jì)算中首先應(yīng)保證試驗(yàn)條件滿足汽輪機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)程的要求；其次在系統(tǒng)修正和參數(shù)修正中應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程進(jìn)行，然后在其基礎(chǔ)上進(jìn)行缸效率修正。

3 能效平衡算法的應(yīng)用

某電廠NZK200-12.75/535/535 型機(jī)組設(shè)計(jì)工況下過(guò)橋汽封漏汽率1.243%，設(shè)計(jì)發(fā)電熱耗率8561 kJ/kWh。在機(jī)組性能試驗(yàn)中，分別進(jìn)行了兩次額定工況發(fā)電熱耗率試驗(yàn)，并隨后采用變汽溫法進(jìn)行了兩次改變主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度的過(guò)橋汽封漏汽試驗(yàn)。熱耗試驗(yàn)1與漏汽試驗(yàn)1在同一試驗(yàn)條件下進(jìn)行，漏汽試驗(yàn)1 僅在熱耗試驗(yàn)1 條件下改變主汽溫度和再熱蒸汽溫度。熱耗試驗(yàn)1結(jié)果為代入漏汽試驗(yàn)1 結(jié)果后得出，熱耗試驗(yàn)1 與漏汽試驗(yàn)1整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程耗時(shí)達(dá)5 h以上，在此期間保持發(fā)電負(fù)荷穩(wěn)定，熱耗試驗(yàn)2、漏汽試驗(yàn)2 結(jié)果采用同樣方法。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1，試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 兩次軸封漏汽試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Data comparison of Two shaft seal leakage tests

表2 變汽溫法測(cè)量漏汽率試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of steam leakage rate by variable steam temperature method

由于試驗(yàn)2中所得過(guò)橋汽封漏汽率超設(shè)計(jì)漏汽率及試驗(yàn)1 漏汽率非常大，軸封漏汽率的大小對(duì)低壓缸效率影響較大，加之變汽溫法軸封漏汽試驗(yàn)中試驗(yàn)結(jié)果對(duì)參數(shù)的變化極為敏感，依次計(jì)算所得機(jī)組低壓缸效率也嚴(yán)重偏離正常范圍，故判斷漏汽試驗(yàn)2的結(jié)果可信度不高。也因此摒棄兩次軸封漏汽試驗(yàn)結(jié)果，采用了能效平衡算法分別對(duì)試驗(yàn)1、試驗(yàn)2進(jìn)行了軸封漏汽率的計(jì)算，計(jì)算所得結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 能效平衡法計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of energy efficiency balance method

對(duì)比表1 與表2 所得數(shù)據(jù)，兩次試驗(yàn)依據(jù)GB/T 8117.1—2008相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)修正計(jì)算和參數(shù)修正后所得發(fā)電熱耗率偏差很小，且所得低壓缸效率也處于合理范圍，由此可以認(rèn)為，采用此方法所得結(jié)果更為準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語(yǔ)

能效平衡算法是建立在熱力學(xué)基本原理之上的新型過(guò)橋汽封漏汽率算法，不僅具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，而且具有很高的實(shí)用價(jià)值。在當(dāng)前電網(wǎng)峰谷差越來(lái)越大以及新能源大量接入的情況下，火電機(jī)組要長(zhǎng)時(shí)間維持額定負(fù)荷越來(lái)越困難。汽輪機(jī)性能試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)采用能效平衡算法確定過(guò)橋汽封漏汽率，不僅可以有效縮短試驗(yàn)時(shí)間、減少試驗(yàn)操作、提高試驗(yàn)效率，而且能夠有效避免因試驗(yàn)中的參數(shù)波動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響，同時(shí)由于減少了試驗(yàn)過(guò)程和參數(shù)的非正常調(diào)整，也有效保障了機(jī)組試驗(yàn)期間的運(yùn)行安全。在一定程度上也減輕了汽輪機(jī)性能試驗(yàn)過(guò)程中的負(fù)荷壓力，保障了性能試驗(yàn)的順利進(jìn)行。