快装式汽轮发电机组边界条件试验研究

李少军，须一宏，靳 军，龚存忠

(中国船舶重工集团公司 第七〇四研究所，上海200031)

0 引 言

汽轮发电机组的边界条件试验主要是研究汽轮机在超出汽轮机设计条件下的极限性能。在机组实际运行过程中，曾出现当蒸汽温度降低40℃但需要机组输出满功率长时间运行;多台汽轮发电机组并联运行时，某台机组蒸汽参数由高参数突然降低至低参数时，但电力系统必须稳定运行;抽气器工作压力突然降低，但汽封抽汽系统仍需可靠运行等恶劣运行工况。

机组在并联运行时，如当某台机组蒸汽参数由高参数突然降低至低参数时，该机组的稳态调速率会增大，当调速率增大超过允许范围时，会导致电力系统的不稳定，并且蒸汽参数降低后，如遇到在紧急情况下突甩负荷时，其稳定时间会延长，影响机组的安全稳定运行。

国内众多研究人员对汽轮发电机组进行了理论及试验研究，朱蕾［1］等对变工况下汽轮发电机组的稳态调速率进行了试验研究，周兰欣［2］等对抽气器与凝汽器真空影响关系进行了研究，宋百玲［3］等对汽轮发电机组甩负荷过程进行了理论建模与仿真研究，其他一些研究人员对汽轮机变工况特性进行了研究［4－6］。

汽轮发电机组边界条件试验主要是针对机组在实际使用过程中所出现的问题，开展针对性的试验，摸索机组在边界条件下的技术性能，为汽轮发电机组安全稳定运行提供试验依据。汽轮发电机组边界条件试验主要在以下几个方面进行试验研究:

1)汽轮机满载能力及超载最低蒸汽温度及最低蒸汽压力试验;

2)蒸汽参数波动状态下调速器的静态及动态特性试验;

3)抽气器最低工作蒸汽压力试验。

1 汽轮发电机组边界条件试验

本汽轮发电机组边界条件试验在专用汽轮发电机组试验台位进行。试验台位按边界试验要求进行改造，试验场地条件满足汽轮发电机组边界条件试验所需的蒸汽、水源、油、负载等系统正常运行，数据采集系统通过安装在机组及系统的传感器进行采集，确保数据的实时性和有效性。图1为汽轮发电机组试验台位，机组设计蒸汽参数为高参数/低参数工况，但根据要求，机组常用使用工况在低参数时，温度将低40℃，在高参数工况下，温度降低45℃。边界条件试验分别按以下条件进行:

试验蒸汽参数在压力不变的条件下，蒸汽温度分别在330℃，320℃，310℃以及300℃条件下，逐渐增加负载至满载，各项参数稳定后运行5～10 min，确定具备带满负荷的最低蒸汽温度。

试验蒸汽参数在温度维持不变的条件下，压力分别为3.8 MPa(a)，3.6 MPa(a)，3.4 MPa(a)，3.2 MPa(a)以及3.0 MPa(a)条件下，逐渐增加负载至满载，各项参数稳定后运行5～10 min，确定具备带满负荷的最低蒸汽压力。

稳态调速率在低参数工况整定完毕的基础上，改变主蒸汽温度，温度参数依次为310℃，350℃下进行瞬态调速率及恢复时间测试。

航空电磁多波脉冲发射技术是国家重点研发计划项目“固定翼时间域航空电磁测量技术系统研制”的关键和难点技术，要求在现有的500 A峰值电流脉冲发射技术的基础上，突破1000 A峰值电流脉冲发射技术瓶颈，并实现多波发射功能。该技术能够扩展发射波形的高频成份，在实现大探测深度（650 m）的同时提升仪器的浅层分辨能力。

稳态调速率在低参数整定完毕的基础上，蒸汽压力稳定，在主蒸汽温度分别为310℃，350℃时进行稳态调速率试验;稳态调速率在高参数整定完毕的基础上，蒸汽压力稳定，主蒸汽温度分别为395℃，435℃时进行稳态调速率试验。

图1 汽轮发电机组试验台位图Fig.1 The steam turbo generator test lab

2 边界条件试验结果及数据分析

2.1 高参数带载能力试验

汽轮发电机组在蒸汽参数为高参数时415℃的汽耗量测定见表1，在负载为1 500 kW 时，汽耗量约9.08 t/h，而蒸汽参数为460℃时，汽耗量约8.13 t/h (排汽压力－0.077 MPa)，温度下降45℃时，汽耗量增加约0.95 t/h;图2为负载与汽耗量的变化曲线。

表1 高参数(415℃)负荷汽耗量测定Tab.1 The steam consumption of high parameter (415℃)

从图中可以看到，汽耗量与负载成线性增加，通过蒸汽参数为415℃时的汽耗量测定试验，表明机组在此蒸汽条件下，具备100%负荷能力。

2.2 高参数过载能力试验

本试验主要测试蒸汽参数为425℃时，汽轮发电机组是否具备超载125%的能力。汽轮发电机组在蒸汽参数为425℃的汽耗量测定见表2，在负载为1 875 kW 时，汽耗量约11.3 t/h，而蒸汽参数为460℃时，汽耗量约10.09 t/h (排汽压力－0.071 MPa)。蒸汽参数为415℃时的汽耗量见表3，从表中可以看出，当负载为1 875 kW 时，汽轮机排气压力为－0.062 MPa，接近低真空报警值－0.06 MPa。通过试验表明:为保证机组安全可靠运行，机组在高参数条件下具备超载1 875 kW的最低蒸汽温度为425℃。

表2 高参数(425℃)超载工况Tab.2 The steam consumption of high parameter (425℃)

表3 高参数(415℃)超载工况Tab.3 The steam consumption of high parameter (415℃)

2.3 汽压对机组带载能力影响试验

本项试验主要测试当蒸汽温度稳定，而蒸汽压力在3.1～3.8 MPa(a)内变化时，汽轮发电机组带100%负载的最低蒸汽压力。图3为当温度维持不变时，蒸汽压力与汽耗量的变化曲线，表4为最低蒸汽压力试验数据记录表。从图表及试验数据中可以看到，随着蒸汽压力的降低，汽耗量基本线性降低。通过试验表明:当蒸汽参数为3.0 MPa 时，汽轮发电机组具备带100%负载的能力。

表4 机组带满载最低蒸汽压力试验Tab.4 The steam consumption of the lowest steam pressure

图3 蒸汽压力与汽耗量变化曲线Fig.3 Comparison of steam pressure and steam consumption

2.4 温度对机组带载能力影响试验

本项试验主要测试当蒸汽压力维持不变，而蒸汽温度在300℃～330℃内变化时，汽轮发电机组带100%负载的最低蒸汽温度。

图4为蒸汽压力与汽耗量的变化曲线，表5为最低蒸汽压力试验数据记录表。从图表及试验数据中可以看到，当蒸汽参数为300℃时，汽轮发电机组具备带100%负载的能力。且随着蒸汽温度的降低，汽耗量线性降低。通过试验表明:蒸汽参数为300℃时，机组具备带100% 负载长期稳定运行的能力。

表5 机组带满载最低蒸汽温度试验Tab.5 The steam consumption of the lowest steam temperature

图4 蒸汽温度与汽耗量变化曲线Fig.4 Comparison of steam temperature and steam consumption

2.5 调速器静态特性边界条件试验

本项试验主要对蒸汽温度波动时，机组静态调速特性的变化。表6为低参数时，温度变化对稳态调速率的影响值，表7为高参数时，温度变化对稳态调速率的影响值。

表6 温度对稳态调速率影响试验(低参数)Tab.6 Effects of temperature on the steady-state speed droop (low)

表7 温度对稳态调速率影响试验(高参数)Tab.7 Effects of temperature on the steady-state speed droop (high)

2.6 调速器动态特性边界条件试验

本项试验主要是检验机组在蒸汽温度变化条件下，机组的动态调速特性。蒸汽参数及负荷、动力油压及温度、调速器静态调速特性等对调速器影响较大。机组蒸汽参数越高，焓降越大，输出相同功率需要的蒸汽量越小，调节阀开度越小，油动机行程相应也减少;蒸汽参数越高，调速器稳态调速率也越小，相应稳定时间越短。表8为蒸汽压力稳定，蒸汽温度分别为310℃，330℃，350℃时的瞬态调速率记录及稳定时间表。

从表中可以看出，当蒸汽温度变化时，机组的瞬态调速率基本维持在3.7%，蒸汽温度的变化对瞬态调速率影响较小，在蒸汽温度为310℃时，稳定时间约为1.7 s ，当蒸汽温度升高至350℃时，稳定时间约为1.5 s。稳定时间基本维持不变，通过试验表明温度变化对调速器的动态特性影响较小。

表8 机组动态特性边界条件试验Tab.8 The dynamic characteristic of boundary condition test

2.7 抽气器最低工作压力试验

本项试验主要检验抽气器在最低蒸汽参数下的工作能力，试验按蒸汽压力逐渐上升及蒸汽压力逐渐下降进行，试验压力值与真空变化见图5和图6。

图5 真空随抽汽器压力上升曲线Fig.5 Vacuum with the air ejector pressure rising curve

图6 真空随抽汽器压力下降曲线Fig.6 Vacuum with the air ejector pressure decline curve

从图中可以看出，上行曲线与下行曲线基本相同，当抽气压力为1.3 MPa 时，真空值为－0.084 MPa，基本可以满足使用要求，当抽汽压力低于1.0 MPa，已基本无法满足抽汽系统的使用要求。

3 结 语

针对快装式汽轮发电机组在实际使用过程中出现的蒸汽参数突变等恶劣工况，有针对性的开展了汽轮发电机组边界条件试验，按要求对低参数条件下的机组带载能力进行试验，对高参数条件下的最低超载温度进行试验，对温度变化对调速器的静态特性变化进行试验，对抽气器最低工作压力进行试验，根据试验数据，得出如下结论:

1)在低参数工况条件下，汽轮机带100%负载的最低蒸汽参数为当额定蒸汽压力时，温度为300℃，额定蒸汽温度时，蒸汽压力为3.0 MPa;

2)在高参数工况条件下，汽轮机带125%负载的最低蒸汽参数为425℃;

3)高低蒸汽参数条件下，蒸汽温度变化对机组静态调速性能存在影响，当蒸汽温度变化40℃时对调速器静态特性影响值≤0.3%。

4)温度变化对调速器动态特性影响较小，当温度变化40℃时，机组的瞬态调速率及稳定时间基本不变。

5)抽汽器的最低工作蒸汽压力为1.3 MPa，当蒸汽压力低于1.0 MPa 时，将无法满足机组汽封抽汽系统的使用要求。

［1］朱蕾，张承红.汽轮发电机组变工况稳态调速率调试与试验研究［J］.船舶工程，2009(S)，31:51－53.ZHU lei，ZHANG Cheng-hong.Adjustment and experiment research on the static-state speed governing factor of the steam turbo generator sets for power station［J］.Ship Engineering.2009(S)31:51－53.

［2］周兰欣，付文峰.抽气器出力不足对凝汽器真空的影响［J］.汽轮机技术，2008，50(1):46－48.ZHOU Lan-xin，FU Wen-feng.The influence of insufficient output of air extractor upon condenser vacuum［J］.Turbine Technology，2008，50(1):46－48.

［3］宋百玲，曹照.核动力汽轮发电机组甩负荷建模与仿真分析［J］.汽轮机技术，2008，50(4):265－266.SONG Bai-ling，CAO Zhao.Analyzing of the modeling and simulating for the nuclear turbine load rejection［J］.Turbine Technology，2008，50(4):265－266.

［4］田瑞峰，张志俭.低参数单缸多级汽轮机热力计算程序开发［J］.汽轮机技术，2004，46(5):336－338.TIAN Rui-feng， ZHANG Zhi-jian.Thermodynamic calculation of sigle multistage wet turbine［J］.Turbine Technology，2004，46(5):336－338.

［5］孙毅.汽轮机变工况下气动性能数值模拟［D］.吉林:东北电力大学，2011.

［6］郭江龙，刘永刚.汽轮机热力性能试验能耗的定量分析模型［J］.动力工程，2006，26(6):826－829.GUO Jiang-long，LIU Yong-gang.Quantitative analysis model of energy consumption for thermal performance test of steam turbine［J］.Journal of Power Engineering，2006，26(6):826－829.