顧正皓，張寶，光旭，鮑文龍

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）2.中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，杭州310012）

回?zé)岢槠艿廊莘e對(duì)汽輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速飛升的影響

顧正皓1，張寶1，光旭2，鮑文龍1

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）2.中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，杭州310012）

通過對(duì)回?zé)岢槠艿老到y(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，分析了各級(jí)抽汽系統(tǒng)對(duì)汽輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速飛升的影響，計(jì)算了抽汽逆止閥不關(guān)閉以及不同的延時(shí)關(guān)閉時(shí)間，所引起的轉(zhuǎn)速飛升值，并按照甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速飛升的2種不同準(zhǔn)則對(duì)抽汽逆止閥的關(guān)閉時(shí)間提出了建議。

回?zé)岢槠到y(tǒng)；逆止閥；甩負(fù)荷；轉(zhuǎn)速飛升

0 引言

汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)生甩負(fù)荷，對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行有重大影響。當(dāng)汽輪機(jī)的電負(fù)荷失去后，蒸汽繼續(xù)在汽輪機(jī)中做功，導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的飛升，嚴(yán)重時(shí)影響汽輪機(jī)本體的安全。為避免在甩負(fù)荷時(shí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升過高，汽輪機(jī)的安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置了多種隔離裝置，在甩負(fù)荷發(fā)生時(shí)，同步關(guān)閉汽輪機(jī)的調(diào)閥以及抽汽管道上的逆止閥和電動(dòng)閥，以防止鍋爐或管道中的蒸汽繼續(xù)進(jìn)入汽輪機(jī)。抽汽逆止閥的關(guān)閉時(shí)間在DL/T 338-2010《并網(wǎng)運(yùn)行汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)技術(shù)監(jiān)督導(dǎo)則》第5.20條中規(guī)定：“甩負(fù)荷試驗(yàn)前應(yīng)測(cè)試抽汽止回門關(guān)閉時(shí)間，根據(jù)其結(jié)構(gòu)制定相應(yīng)的測(cè)試方案，關(guān)閉時(shí)間（包括延遲）一般應(yīng)小于1 s”。該規(guī)定較為籠統(tǒng)，并未針對(duì)不同級(jí)的抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)做出具體的規(guī)定。不同等級(jí)的抽汽在汽輪機(jī)中做功能力有很大的不同，以下針對(duì)回?zé)岢槠到y(tǒng)在甩負(fù)荷時(shí)對(duì)于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升的影響進(jìn)行了建模和仿真。

1 回?zé)岢槠到y(tǒng)模型建立

甩負(fù)荷過程如下：當(dāng)發(fā)電機(jī)甩去電負(fù)荷以后，控制系統(tǒng)開始關(guān)閉調(diào)閥以控制進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽量，汽輪機(jī)通流內(nèi)部壓力開始下降；剛開始蒸汽流量是從汽輪機(jī)內(nèi)流向抽汽管道的，當(dāng)通流內(nèi)部壓力小于抽汽管道壓力時(shí)，蒸汽流向發(fā)生改變，抽汽管道內(nèi)的蒸汽反向流入汽輪機(jī)并增加，在汽輪機(jī)內(nèi)做功，直到抽汽管道內(nèi)的壓力與汽輪機(jī)內(nèi)壓力相等時(shí)，蒸汽流量趨向于零。

將抽汽管道分為兩部分，一部分是抽汽逆止閥到汽缸的容積，另外一部分是抽汽逆止閥后管道容積和加熱器蒸汽容積。當(dāng)抽汽逆止閥未關(guān)閉時(shí)，蒸汽總?cè)莘e等于從汽缸到加熱器的總?cè)莘e，當(dāng)抽汽逆止閥關(guān)閉后，蒸汽容積等于抽汽逆止閥前容積。將蒸汽容積作為一個(gè)集中環(huán)節(jié)進(jìn)行建模。

（1）模型連續(xù)方程如式（1）所示：

（2）抽汽流量方程如式（2）所示：

（3）發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程如式（3）所示：

（4）汽輪機(jī)機(jī)械功率計(jì)算如式（4）所示：

通過以上4個(gè)方程建立抽汽管道內(nèi)蒸汽在甩負(fù)荷后的模型，以評(píng)價(jià)抽汽容積和逆止閥關(guān)閉時(shí)間對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升的影響。

采用SIMULINK仿真器解上述微分代數(shù)方程組，如圖1所示。在計(jì)算蒸汽流量中，采用一個(gè)信號(hào)發(fā)生器和一階慣性環(huán)節(jié)模擬甩負(fù)荷后汽輪機(jī)缸內(nèi)壓力的變化情況，并且具有一個(gè)限幅塊，當(dāng)缸內(nèi)壓力大于抽汽壓力時(shí)，蒸汽流量為零。在求取Vdrhodp中，采用一個(gè)階躍信號(hào)模擬抽汽逆止閥的延時(shí)及關(guān)閉，其中Vdrhodp代表

2 660 MW超超臨界機(jī)組案例研究

2.1 各級(jí)抽汽的做功能力分析

以上海汽輪機(jī)廠660 MW超超臨界機(jī)組為例，超超臨界汽輪機(jī)共有8級(jí)抽汽。

7，8級(jí)抽汽上無逆止閥，且抽氣口與加熱器進(jìn)口很近，對(duì)超速影響不大，因此可以忽略7，8級(jí)抽汽的影響。

高壓缸排汽及2級(jí)抽蒸汽（簡(jiǎn)稱2抽，以下類推），在汽輪機(jī)甩負(fù)荷后，由于冷再及熱再壓力由旁路控制，壓力控制目標(biāo)是維持當(dāng)前的再熱器壓力，并且汽輪機(jī)的再熱器系統(tǒng)容積較大，實(shí)際的冷再壓力在短時(shí)間內(nèi)基本保持甩負(fù)荷前的數(shù)值，因此缸內(nèi)壓力一般大于高排壓力，高排倒流的可能性較小，高排后的冷再管道以及進(jìn)入2抽高加的管道容積對(duì)于甩負(fù)荷后的轉(zhuǎn)速飛升無影響。

圖1 計(jì)算回?zé)岢槠到y(tǒng)的SIMULIINK模型

對(duì)于設(shè)置高排通風(fēng)閥的機(jī)組，一般收到高排逆止閥關(guān)閉信號(hào)后方可開啟高排通風(fēng)閥，兩者不可同時(shí)開啟。當(dāng)開啟高排通風(fēng)閥時(shí)，高排逆止閥泄漏的蒸汽倒流入高壓缸，其大部分蒸汽流量會(huì)通過高排通風(fēng)閥進(jìn)入凝汽器，由于不存在通路，蒸汽無法進(jìn)入通流級(jí)，即使有通路進(jìn)入高壓缸的壓力級(jí)，由于流向相反，一般是起到阻尼作用，因此倒流入高壓缸的蒸汽對(duì)于超速影響不大。

1抽蒸汽的背壓按高排壓力考慮，具有高排通風(fēng)閥的機(jī)組，1抽的背壓應(yīng)按凝汽器壓力來考慮，1抽蒸汽具有較高的做功能力。

4抽蒸汽聯(lián)接汽動(dòng)給水泵的進(jìn)汽，考慮到甩負(fù)荷后汽動(dòng)給水泵用汽量增加，因此在計(jì)算中不考慮給水泵汽機(jī)到4抽母管的蒸汽容積，只考慮到除氧器的管道蒸汽容積，甩負(fù)荷時(shí)由于至除氧器的調(diào)節(jié)閥會(huì)保護(hù)關(guān)閉，因此不考慮除氧器的蒸汽容積。

綜上所述，需要考慮的抽汽為1，3，4，5，6抽汽。加熱器中的蒸汽基本為飽和蒸汽，其做功能力與抽汽管道上的蒸汽有一定差距，因此加熱器容積需要按照蒸汽的做功能力進(jìn)行調(diào)整。表1給出了回?zé)岢槠到y(tǒng)的基本數(shù)據(jù)。

表1 回?zé)岢槠到y(tǒng)基本數(shù)據(jù)

2.2 抽汽進(jìn)入汽輪機(jī)的有效焓降

抽汽在汽輪機(jī)內(nèi)的做功能力由變化的抽汽壓力與背壓之間的有效焓降決定，效率按0.8考慮。圖2，3為3抽和1抽蒸汽在汽輪機(jī)中的有效焓降，可見1抽蒸汽在汽輪機(jī)中的做功遠(yuǎn)小于3抽蒸汽。

圖2 3抽管道蒸汽在汽輪機(jī)中的有效焓降

圖3 1抽管道蒸汽在汽輪機(jī)中的有效焓降

2.3 3抽計(jì)算結(jié)果圖

以3抽計(jì)算結(jié)果，繪制抽汽流量，抽汽壓力以及飛升轉(zhuǎn)速圖，如圖4—6所示。

圖4 3抽蒸汽流量變化

圖5 3號(hào)抽蒸汽壓力變化

2.4 抽汽逆止閥不關(guān)閉的影響

由表2可知，5級(jí)抽汽總?cè)莘e在逆止閥不關(guān)閉的情況下引起的總的飛升轉(zhuǎn)速為57.2 r/min。影響飛升轉(zhuǎn)速的主要是3，4抽管道的蒸汽容積，因此在日常檢修工作中應(yīng)重視3，4抽逆止閥的關(guān)閉速度。

圖6 3號(hào)抽蒸汽引起的轉(zhuǎn)速飛升

表2 抽汽逆止閥完全不關(guān)閉時(shí)飛升轉(zhuǎn)速

2.5 抽汽逆止閥關(guān)閉時(shí)間的影響

在抽汽逆止閥關(guān)閉前，抽汽管道總?cè)莘e（包括加熱器及抽汽逆止閥后管道）的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，在抽汽逆止閥關(guān)閉后，僅抽汽逆止閥前管道內(nèi)的蒸汽繼續(xù)進(jìn)入汽輪機(jī)。將抽汽逆止閥的關(guān)閉特性簡(jiǎn)化為一個(gè)階躍信號(hào)，根據(jù)甩負(fù)荷時(shí)的不同延時(shí)關(guān)閉時(shí)間，計(jì)算最大的飛升轉(zhuǎn)速。從表3來看，抽汽逆止閥延時(shí)關(guān)閉2 s后，其引起的轉(zhuǎn)速飛升趨于穩(wěn)定。比如3抽逆止閥延時(shí)關(guān)閉時(shí)間在2 s以上時(shí)，其引起的轉(zhuǎn)速飛升為27.3 r/min。

表3 不同逆止閥延時(shí)關(guān)閉時(shí)間對(duì)飛升轉(zhuǎn)速的影響

2.6 抽汽逆止閥關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)的討論

在國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中并沒有抽汽逆止閥關(guān)閉時(shí)間的計(jì)算和定義，在DL/T 711-1999《汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)試驗(yàn)導(dǎo)則》中汽輪機(jī)飛升轉(zhuǎn)速的計(jì)算采用甩負(fù)荷瞬間的蒸汽功率。對(duì)于回?zé)岢槠麃碚f，可以假設(shè)抽汽逆止閥的關(guān)閉時(shí)間由抽汽流量倒流回汽輪機(jī)所產(chǎn)生的功率與通過調(diào)閥的蒸汽功率加上倒流的功率的比例來確定。

由表4可知，回?zé)岢槠到y(tǒng)總的做功能力占汽輪機(jī)功率比例為9.63%，即由抽汽容積引起的飛升轉(zhuǎn)速占汽輪機(jī)總飛升轉(zhuǎn)速的9.63%。按甩負(fù)荷調(diào)門關(guān)閉后汽輪機(jī)飛升轉(zhuǎn)速不超過3 300 r/min計(jì)算，在300 r/min的飛升轉(zhuǎn)速中，歸屬于抽汽容積的飛升轉(zhuǎn)速不超過29 r/min，按主汽門關(guān)閉后汽輪機(jī)飛升轉(zhuǎn)速不超過3 540 r/min計(jì)算，歸屬于抽汽容積的飛升轉(zhuǎn)速不超過52 r/min。

表4 回?zé)岢槠淖龉δ芰?/p>

按前者考慮，則3，4抽逆止閥的關(guān)閉速度應(yīng)小于1 s較為合適，其他抽汽逆止閥引起的飛升轉(zhuǎn)速較低，其關(guān)閉速度影響不大。按后者考慮，則無需關(guān)閉抽汽逆止閥，因?yàn)槲寮?jí)抽汽容積引起的總飛升轉(zhuǎn)速僅為57 r/min，略大于按抽汽容積做功占汽輪機(jī)做功比例所計(jì)算出的52 r/min，在甩負(fù)荷時(shí)只需要確保各抽氣逆止閥能可靠關(guān)閉以滿足防進(jìn)水的要求。

3 結(jié)語

通過分析抽汽管道容積系統(tǒng)在甩負(fù)荷時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速飛升的影響機(jī)理，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，計(jì)算了甩負(fù)荷時(shí)不同等級(jí)抽汽引起的轉(zhuǎn)速飛升值。分析得出：3，4抽管道容積是抽汽系統(tǒng)影響轉(zhuǎn)速飛升的主要因素，應(yīng)重視3，4抽逆止閥的關(guān)閉速度；5，6抽對(duì)于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升的影響較小，只需逆止閥能可靠關(guān)閉，以滿足防進(jìn)水導(dǎo)則的要求。同時(shí)，對(duì)抽汽逆止閥的關(guān)閉時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的討論和分析。

[1]劉鑫屏，田亮，王琪，等.供熱機(jī)組發(fā)電負(fù)荷-機(jī)前壓力-抽汽壓力簡(jiǎn)化非線性動(dòng)態(tài)模型[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2014，34（2）∶115-121.

[2]郭鈺鋒，趙曉敏，于達(dá)仁，等.用于汽輪機(jī)甩負(fù)荷動(dòng)態(tài)計(jì)算的數(shù)字模型[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2006，48（4）∶104-107.

[3]王異成，張寶，丁陽俊，等.600 MW機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速飛升過高原因分析[J].浙江電力，2015，34（9）∶46-49.

[4]張寶，樊印龍，吳文健，等.汽輪機(jī)防超速功能失效的典型案例分析[J].浙江電力，2015，34（9）∶53-57.

[5]郭鈺峰，趙曉敏，于達(dá)仁，等.用于汽輪機(jī)甩負(fù)荷動(dòng)態(tài)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2006，48（2）∶104-107.

（本文編輯：張彩）

Effect of Regenerative Extraction Pipeline Volume on Speed Rise of Steam Turbine in Load Rejection

GU Zhenghao1，ZHANG Bao1，GUANG Xu2，BAO Wenlong1
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.CEEG Zhejiang Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310012，China）

Through modeling and simulation of the regenerative extraction steam pipeline，effect of extraction system at all levels on speed rise during load rejection is analyzed，and the speed rise values during unclosing time of withdrawal valve and the different delayed closing times are calculated.The paper brings forward suggestion on the closing time of withdrawal valve in accordance to two different criteria of speed rise after load rejection.

regenerative extraction system；withdrawal valve；load rejection；speed rise

10.19585/j.zjdl.201705009

1007-1881（2017）05-0034-04

TK262

A

2017-01-09

顧正皓（1972），男，高級(jí)工程師，從事汽輪機(jī)專業(yè)技術(shù)工作。