孫友源,胥建群,蔣偉莉

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室,南京210096)

300 MW噴嘴配汽汽輪機順序閥運行調(diào)節(jié)級特性研究

孫友源,胥建群,蔣偉莉

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室,南京210096)

通過仿真實驗與熱力計算相結(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)閥順序開啟時其后調(diào)節(jié)級壓力與流量關(guān)系。對順序閥定壓運行時調(diào)節(jié)級有效比焓降進行實例計算,并得到調(diào)節(jié)級汽室混合后比焓的建模思路,為分析調(diào)節(jié)級變工況時的工作狀態(tài)提供了參考。

汽輪機；調(diào)節(jié)閥；流量特性；運行方式；調(diào)節(jié)級有效比焓降；調(diào)節(jié)級汽室混合后比焓

目前,采用噴嘴配汽方式的汽輪機在火電機組中占有很大的比例。當(dāng)機組負(fù)荷變化時,機組普遍采用數(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)進汽量,實現(xiàn)汽輪機組對發(fā)電功率的調(diào)節(jié)［1］。當(dāng)調(diào)節(jié)閥動作時,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,兩股不同的氣流勢必會影響其后調(diào)節(jié)級的工作狀態(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)級的工作狀態(tài),為準(zhǔn)確把握機組配汽優(yōu)化的方向做鋪墊。

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

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

筆者通過仿真試驗與熱力計算相結(jié)合,對噴嘴配汽汽輪機順序閥定壓運行仿真,并對調(diào)節(jié)閥動作后調(diào)節(jié)級有效比焓降進行了定量計算,進而得到調(diào)節(jié)級汽室混合后比焓的簡化計算模型,為分析調(diào)節(jié)級變工況時的工作狀態(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。該汽輪機配有2個高壓主汽門、6個高壓調(diào)節(jié)閥,6個高壓調(diào)節(jié)閥對應(yīng)6組噴嘴。機組原設(shè)計調(diào)節(jié)閥開啟順序為：GV1+GV2同步開啟,然后GV4→GV5→GV6→GV3,自動主汽門(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 閥點效應(yīng)

以上述發(fā)電機組為例,借助Apros仿真平臺進行了順序閥定壓運行(16.7 MPa)試驗,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)閥全開時出現(xiàn)閥點效應(yīng),使得流量特性表現(xiàn)為高階非線性,因此實際中,汽輪機調(diào)節(jié)閥開啟往往要有一定的重疊度,以彌補前一調(diào)節(jié)閥非線性的特性。

(2)由于非調(diào)節(jié)級的通流面積不變,將所有非調(diào)節(jié)級看成一個級組,由弗留格爾公式可得調(diào)節(jié)級級后的壓力與流量成正比,故調(diào)節(jié)級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

通過對該機組進行順序閥定壓仿真實驗,繪制了調(diào)節(jié)級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)機組由最大負(fù)荷減小至額定負(fù)荷時, 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)級看成一個級組,調(diào)節(jié)級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,其對應(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)級后壓力隨流量減小而減小。

(3)當(dāng)GV1+GV2動作由全開到關(guān)閉時,以調(diào)節(jié)級和所有非調(diào)節(jié)級為一個級組,則第1、第2噴嘴組前的壓力與流量呈正比,故得到如圖3所示過原點的0-1。

3 調(diào)節(jié)級特性實例計算

3.1 調(diào)節(jié)閥開啟特性

對于噴嘴配汽的汽輪機,變工況時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)級的工作特性時,必須要討論這兩部分氣流的工作。

由于調(diào)節(jié)級后的環(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葉汽道內(nèi)膨脹到相同的調(diào)節(jié)級汽室壓力p2,兩部分氣流在調(diào)節(jié)級汽室混合后流入以后的各個非調(diào)節(jié)級。

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)級汽室混合后的比焓：

調(diào)節(jié)級變工況計算中需要根據(jù)臨界壓比以及噴嘴和動葉的壓比來判斷調(diào)節(jié)級是否達到臨界。

3.2 調(diào)節(jié)級有效比焓降變化

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

圖4 調(diào)節(jié)級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)級有效比焓降變化曲線

由圖4、圖5可知：

(1)機組由最大負(fù)荷減小至額定負(fù)荷時, GV3動作由全開到關(guān)閉,第3噴嘴組前的壓力減小,流量減小,調(diào)節(jié)級后壓力也減小,第3噴嘴組與動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,第1和第2噴嘴組與動葉的有效比焓降最大,隨后調(diào)節(jié)閥繼續(xù)關(guān)小時,調(diào)節(jié)級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全開時調(diào)節(jié)級后和調(diào)節(jié)閥后的壓力；p21、p′01為調(diào)節(jié)閥1和2半開時調(diào)節(jié)級后和調(diào)節(jié)閥后的壓力。

調(diào)節(jié)級有效比焓降為：

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,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噴嘴組與動葉的有效比焓降略有降低。所以第1和第2噴嘴組與動葉的有效比焓降在GV1和GV2全開時最大；又因此時流過兩個噴嘴的流量也是最大值,故此時第1和第2噴嘴后的動葉承受的蒸汽作用力最大,是噴嘴配汽汽輪機調(diào)節(jié)級的危險工況。

3.3 調(diào)節(jié)級后比焓與流量的關(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)級后的比焓隨流量的變化而變化,且在閥點處調(diào)節(jié)級后的比焓降低較快,原因是閥點處調(diào)節(jié)閥全開,節(jié)流損失比較小,調(diào)節(jié)級做功較多,導(dǎo)致調(diào)節(jié)級后比焓降低相對較快。

在順序閥定壓運行過程中的閥點工況,忽略重疊度的影響,噴嘴配汽汽輪機調(diào)節(jié)級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)。

在順序閥定壓運行過程中,當(dāng)調(diào)節(jié)閥半開時,忽略重疊度的影響,混合后的比焓可以以閥點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)閥的全開個數(shù)有關(guān),全開閥的個數(shù)不同,則系數(shù)不同,混合后的比焓的函數(shù)表達式也不同。

對于確定的機組,可分段擬合得到此機組順序閥定壓運行時調(diào)節(jié)級汽室混合后比焓的簡化計算模型,較為方便地求出調(diào)節(jié)級混合后的比焓。

4 結(jié)語

(1)通過仿真實驗和熱力計算相結(jié)合,從調(diào)節(jié)級流量和熱力特性方面對噴嘴配汽汽輪機順序閥定壓運行過程中調(diào)節(jié)級進行了分析和計算,為噴嘴配汽汽輪機的配汽優(yōu)化提供了一定的參考價值。

(2)通過仿真實驗得到調(diào)節(jié)閥流量-升程以及噴嘴組的壓力和流量曲線,對詳細了解機組閥點效應(yīng)以及調(diào)節(jié)閥開啟的流量特性具有指導(dǎo)意義。

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

(4)針對噴嘴配汽汽輪機順序閥定壓運行,提出了一種調(diào)節(jié)級汽室混合后比焓的簡化計算模型,其思想為其他機組調(diào)節(jié)級汽室混合后比焓的簡化計算提供參考。

(5)由于文中未考慮到閥門開啟時的重疊度影響,故得到的仿真模型和熱力計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,研究方向為火電機組仿真建模與優(yōu)化。

E-mail：sunyouyuan@163.com