300 MW喷嘴配汽汽轮机顺序阀运行调节级特性研究

孙友源,胥建群,蒋伟莉

(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,南京210096)

300 MW喷嘴配汽汽轮机顺序阀运行调节级特性研究

孙友源,胥建群,蒋伟莉

(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,南京210096)

通过仿真实验与热力计算相结合的方法分析了调节阀的流量特性,并得到了调节阀顺序开启时其后调节级压力与流量关系。对顺序阀定压运行时调节级有效比焓降进行实例计算,并得到调节级汽室混合后比焓的建模思路,为分析调节级变工况时的工作状态提供了参考。

汽轮机；调节阀；流量特性；运行方式；调节级有效比焓降；调节级汽室混合后比焓

目前,采用喷嘴配汽方式的汽轮机在火电机组中占有很大的比例。当机组负荷变化时,机组普遍采用数字电液控制(DEH)系统中阀门管理逻辑来控制调节阀的开度调节进汽量,实现汽轮机组对发电功率的调节［1］。当调节阀动作时,通过半开调节阀的部分蒸汽节流较大,而通过全开调节阀的蒸汽节流很小,两股不同的气流势必会影响其后调节级的工作状态。因此,需要寻求调节阀开度与通过其后喷嘴组的蒸汽流量的关系(即阀门流量特性),以便分析其后调节级的工作状态,为准确把握机组配汽优化的方向做铺垫。

针对调节阀特性,国内外学者进行了大量的研究,主要集中在试验研究方面。文献［2-4］通过阀门流量特性试验对调节阀流量特性曲线进行优化,改善高压调节阀的控制特性；文献［5］通过建立调节阀的仿真模型,得到仿真结果后对流量开度函数曲线进行修改,为电厂通过修改阀门流量开度函数以便减少阀门晃动提供了理论依据。

国内外学者在调节阀对机组的影响方面也进行了大量的研究。文献［6］应用Matlab语言编制计算程序对调节级进行了实例计算,根据计算结果绘制了调节级反动度和调节级理想焓降的变化曲线,为调节级的运行经济性和安全性分析奠定了理论基础；文献［7］通过数值计算法与仿真试验从热力特性与流量特性两方面探讨调节级压比、反动度及蒸汽流量随调节阀动作的变化规律,为喷嘴配汽的汽轮机组运行优化研究提供了理论指导。

笔者通过仿真试验与热力计算相结合,对喷嘴配汽汽轮机顺序阀定压运行仿真,并对调节阀动作后调节级有效比焓降进行了定量计算,进而得到调节级汽室混合后比焓的简化计算模型,为分析调节级变工况时的工作状态提供参考。

1 阀门配置

某厂采用的是典型N300-16.7/537/537亚临界、中间再热、单轴双缸、双排汽、高中压合缸、低压缸双流程、凝汽式汽轮机。该汽轮机配有2个高压主汽门、6个高压调节阀,6个高压调节阀对应6组喷嘴。机组原设计调节阀开启顺序为：GV1+GV2同步开启,然后GV4→GV5→GV6→GV3,自动主汽门(TV)和调节阀(GV)的排列顺序见图1。

图1 阀门配置和开启顺序

2 调节阀流量特性仿真分析

2.1 阀点效应

以上述发电机组为例,借助Apros仿真平台进行了顺序阀定压运行(16.7 MPa)试验,可以得到阀门联合流量特性曲线(见图2)。图中百分比指变工况下主蒸汽流量与额定工况主蒸汽流量之比。

图2 阀门联合流量特性曲线

由图2得出：

(1)在不考虑重叠度的情况下,随汽轮机调节阀顺序阀开启,阀门的联合流量特性曲线呈现波浪形变化,在调节阀全开时出现阀点效应,使得流量特性表现为高阶非线性,因此实际中,汽轮机调节阀开启往往要有一定的重叠度,以弥补前一调节阀非线性的特性。

(2)由于非调节级的通流面积不变,将所有非调节级看成一个级组,由弗留格尔公式可得调节级级后的压力与流量成正比,故调节级后压力随升程也呈现波浪形变化。

2.2 喷嘴组压力与流量关系

通过对该机组进行顺序阀定压仿真实验,绘制了调节级喷嘴组压力与流量的关系曲线,见图3。

图3 各喷嘴组压力与流量关系曲线

由图3分析可知：

(1)机组由最大负荷减小至额定负荷时, GV3由全开逐渐减小至关闭,由于GV3的节流作用,第3喷嘴组前的压力变化见图3中曲线8-9所示逐渐减小,流量随调节阀的关闭而减小,把所有非调节级看成一个级组,调节级后压力随流量减小而减小。

(2)GV6、GV5和GV4依次由全开到关闭时,其对应的喷嘴组前的压力由于节流作用而逐渐减小,流量随调节阀的关闭而减小,调节级后压力随流量减小而减小。

(3)当GV1+GV2动作由全开到关闭时,以调节级和所有非调节级为一个级组,则第1、第2喷嘴组前的压力与流量呈正比,故得到如图3所示过原点的0-1。

3 调节级特性实例计算

3.1 调节阀开启特性

对于喷嘴配汽的汽轮机,变工况时只有流过部分开启调节阀的气流受到节流损失,而通过全开调节阀的气流节流很小,因此在分析调节级的工作特性时,必须要讨论这两部分气流的工作。

由于调节级后的环形空间是相通的,故通过全开和部分开启调节阀的气流在各自的喷嘴和动叶汽道内膨胀到相同的调节级汽室压力p2,两部分气流在调节级汽室混合后流入以后的各个非调节级。

全开调节阀喷嘴组流量：

部分开启调节阀喷嘴组流量：

式中：G为主蒸汽流量。

调节级汽室混合后的比焓：

调节级变工况计算中需要根据临界压比以及喷嘴和动叶的压比来判断调节级是否达到临界。

3.2 调节级有效比焓降变化

以300 MW喷嘴配汽汽轮机为例,编制详细的定压运行调节级变工况计算程序,根据热力计算的结果,得到调节级有效比焓降以及全开和半开调节阀后调节级有效比焓降的变化曲线,见图4、图5。

图4 调节级有效比焓降变化曲线

图5 全开和半开调节阀后调节级有效比焓降变化曲线

由图4、图5可知：

(1)机组由最大负荷减小至额定负荷时, GV3动作由全开到关闭,第3喷嘴组前的压力减小,流量减小,调节级后压力也减小,第3喷嘴组与动叶的有效比焓降减小直至减到0,而其他全开调节阀后喷嘴组与动叶的有效比焓降增大。

(2)随着GV6、GV5、GV4的依次关闭,半开调节阀后的喷嘴组与动叶的有效比焓降减小直至减到0,而全开调节阀(GV1和GV2)后喷嘴组与动叶的有效比焓降增大。

(3)当GV3、GV6、GV5和GV4全关而GV1和GV2全开时,第1和第2喷嘴组与动叶的有效比焓降最大,随后调节阀继续关小时,调节级有效比焓降略有下降。原因如下：

由图3可知

式中：p2、p′0为调节阀1和2全开时调节级后和调节阀后的压力；p21、p′01为调节阀1和2半开时调节级后和调节阀后的压力。

调节级有效比焓降为：

将式(4)带入(5)和(6),并将两式相比,可得：

在GV1和GV2逐渐关闭时,节流损失增大,效率降低,η1＜η,又喷嘴组前比焓不变而压力减小,喷嘴组前温度略微降低,T′01＜T′0,故第1和第2喷嘴组与动叶的有效比焓降略有降低。所以第1和第2喷嘴组与动叶的有效比焓降在GV1和GV2全开时最大；又因此时流过两个喷嘴的流量也是最大值,故此时第1和第2喷嘴后的动叶承受的蒸汽作用力最大,是喷嘴配汽汽轮机调节级的危险工况。

3.3 调节级后比焓与流量的关系

图6为调节后比焓与主蒸汽流量的关系曲线。

图6 调节后比焓与主蒸汽流量的关系曲线

由图6可知：调节级后的比焓随流量的变化而变化,且在阀点处调节级后的比焓降低较快,原因是阀点处调节阀全开,节流损失比较小,调节级做功较多,导致调节级后比焓降低相对较快。

在顺序阀定压运行过程中的阀点工况,忽略重叠度的影响,喷嘴配汽汽轮机调节级汽室混合后的比焓可表示为流量的函数：

式中：G为主蒸汽流量。

将上述模型拟合成流量的二次函数可得：

式中：a、b、c为常数。

在顺序阀定压运行过程中,当调节阀半开时,忽略重叠度的影响,混合后的比焓可以以阀点工况为界分段表示成主蒸汽流量、调节阀的开度的函数：

式中：X为调节阀的开度；A、B、C为常数。由于函数是分段表示的,故式(10)中的系数与调节阀的全开个数有关,全开阀的个数不同,则系数不同,混合后的比焓的函数表达式也不同。

对于确定的机组,可分段拟合得到此机组顺序阀定压运行时调节级汽室混合后比焓的简化计算模型,较为方便地求出调节级混合后的比焓。

4 结语

(1)通过仿真实验和热力计算相结合,从调节级流量和热力特性方面对喷嘴配汽汽轮机顺序阀定压运行过程中调节级进行了分析和计算,为喷嘴配汽汽轮机的配汽优化提供了一定的参考价值。

(2)通过仿真实验得到调节阀流量-升程以及喷嘴组的压力和流量曲线,对详细了解机组阀点效应以及调节阀开启的流量特性具有指导意义。

(3)通过热力计算确定了调节阀全开和半开过程中调节级的有效比焓降变化规律,从理论上确定了调节级的危险工况,便于分析调节级变工况时的工作状态。

(4)针对喷嘴配汽汽轮机顺序阀定压运行,提出了一种调节级汽室混合后比焓的简化计算模型,其思想为其他机组调节级汽室混合后比焓的简化计算提供参考。

(5)由于文中未考虑到阀门开启时的重叠度影响,故得到的仿真模型和热力计算模型有一定的误差,有待于下一步研究改正。

［1］郭钰峰,徐志强,于达仁.汽轮机调节原理［M］.北京：机械工业出版社,2010.

［2］张曦,黄卫剑,朱亚清,等.汽轮机阀门流量特性分析与优化［J］.南方电网技术,2001,4(S1)：72-75.

［3］张伟,周文民,荆立坤.330 MW机组阀门流量特性试验研究［J］.发电设备,2013,27(3)：158-161.

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［5］赵卫正,罗磊,梁庆华,等.汽轮机阀门管理的仿真及流量开度函数的优化［J］.热力透平,2012,41(4)：307-311.

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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

孙友源(1989-),男,在读硕士研究生,研究方向为火电机组仿真建模与优化。

E-mail：sunyouyuan@163.com