大功率汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥流量特性的計(jì)算分析方法

摘 要：大規(guī)模新能源電力安全高效運(yùn)行迫切需要大功率火電機(jī)組的深度變負(fù)荷運(yùn)行，然而，噴嘴調(diào)節(jié)方式下的配汽特性曲線規(guī)律設(shè)計(jì)不合理將會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)和安全性以及調(diào)節(jié)特性的問題。大功率汽輪機(jī)噴嘴調(diào)節(jié)方式下的調(diào)節(jié)閥特性計(jì)算方法就顯得尤為重要。該文在分析噴嘴配汽熱力特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)調(diào)節(jié)閥特性的計(jì)算方法進(jìn)行了探討分析。通過調(diào)節(jié)閥的流量特性分析，總結(jié)了噴嘴配汽規(guī)律的重疊度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。這對(duì)噴嘴調(diào)節(jié)方式下的配汽規(guī)律優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：大功率 汽輪機(jī) 調(diào)節(jié)閥 流量特性 計(jì)算分析

中圖分類號(hào)：TK26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（b）-0106-03

汽輪機(jī)進(jìn)汽量調(diào)節(jié)不僅用于維持電網(wǎng)的頻率的需要，也用于調(diào)整并列運(yùn)行各機(jī)組間負(fù)荷分配[1]；當(dāng)電網(wǎng)中德新能源電源增加時(shí)，大功率火電機(jī)組更不得不進(jìn)行深度變負(fù)荷運(yùn)行[2]。汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)汽閥一般為4～8只，可順序開起，也可同時(shí)開起，以實(shí)現(xiàn)噴嘴配汽或節(jié)流配汽。噴嘴配汽是一種最常見的配汽方式，第一級(jí)為部分進(jìn)汽度可變的調(diào)節(jié)級(jí)；調(diào)節(jié)閥采用多閥系統(tǒng)，各閥嚴(yán)格依次開啟，升程關(guān)系固定；在任何工況下，只有部分開啟的調(diào)節(jié)閥的那部分蒸汽才有節(jié)流作用，經(jīng)濟(jì)性較高；任何工況下都很難實(shí)現(xiàn)全周進(jìn)汽，熱應(yīng)力較大，不適宜負(fù)荷的快速變化。先進(jìn)的電調(diào)系統(tǒng)還具有閥門管理功能，即在低負(fù)荷時(shí)或投運(yùn)初期用節(jié)流配汽方式運(yùn)行，然后可切換到噴嘴配汽方式運(yùn)行。因此，調(diào)節(jié)閥對(duì)汽輪機(jī)組的性能有很重要的影響。然而，機(jī)組參與調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，如果噴嘴調(diào)節(jié)方式的規(guī)律設(shè)計(jì)不合理，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)瓦溫高或者軸振大的故障，直接影響機(jī)組的安全高效運(yùn)行；涉及機(jī)組類型從200MW到660MW，機(jī)組參數(shù)包括超高壓、亞臨界以及超臨界[3-5]。甚至，對(duì)大功率高參數(shù)汽輪機(jī)還會(huì)出現(xiàn)閥體激振和閥門擺動(dòng)等安全隱患。因此，大功率汽輪機(jī)噴嘴調(diào)節(jié)方式下的調(diào)節(jié)閥特性計(jì)算分析方法就顯得十分重要。

1 噴嘴配汽的熱力特點(diǎn)

噴嘴配汽是使用最廣泛的汽輪機(jī)配汽方式，其結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、熱力設(shè)計(jì)及變工況計(jì)算都遠(yuǎn)比其他配汽方式復(fù)雜，其熱力特點(diǎn)如下[8]。

（1）在配汽過程中，只有最后開啟的那組調(diào)節(jié)閥的汽流有可能受到明顯的節(jié)流；而節(jié)流越嚴(yán)重，閥后的壓力就越低，流過那個(gè)噴嘴組的流量也就越少，因此節(jié)流導(dǎo)致有效能的損失比例也就不會(huì)很大，這就是噴嘴配汽變工況經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)高于節(jié)流配汽的根本原因。

（2）僅有第一組（或同步開啟的Ⅰ、Ⅱ組）閥門開啟的過程，原理上屬于節(jié)流配汽。調(diào)節(jié)級(jí)因通流面積不變，故事實(shí)上已成為壓力級(jí)。然而由于投入的面積很少，通過同樣流量，調(diào)節(jié)閥后壓力必然較高，因此比完全按節(jié)流配汽設(shè)計(jì)的級(jí)組在相同的流量工況下的節(jié)流損失也小得多。可見噴嘴配汽在低負(fù)荷階段轉(zhuǎn)入節(jié)流配汽時(shí)，其經(jīng)濟(jì)性也比純節(jié)流配汽同流量工況高。

（3）由于調(diào)節(jié)閥依次開啟，使大部分工況下不同噴嘴組內(nèi)存在進(jìn)排汽參數(shù)、壓比、流量等各不相同的兩股或兩股以上的汽流。動(dòng)葉出口處必須留出較大的空間供著幾股出口溫度、流量不等的汽流充分混合，因此調(diào)節(jié)級(jí)的余速動(dòng)能不可能在下級(jí)被利用。另外，不同溫度的幾股汽流同時(shí)存在，造成調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)后溫度場的不均勻，引起局部熱應(yīng)力，不利于機(jī)組啟動(dòng)與變負(fù)荷運(yùn)行。

（4）調(diào)節(jié)級(jí)后溫度及其他各級(jí)級(jí)后溫度（不包括濕區(qū)及再熱后各級(jí)）隨負(fù)荷降低而降低，且在各種配汽方式中，調(diào)節(jié)級(jí)及其他各級(jí)后溫度變化以噴嘴配汽最大，約為節(jié)流配汽的兩倍，在壽命消耗相同的情況下，噴嘴配汽的變負(fù)荷速率只及節(jié)流配汽的一半左右，這也是它的缺點(diǎn)之一。

（5）噴嘴配汽調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉的強(qiáng)度校核工況，一般不是發(fā)生在最大流量工況下，而是發(fā)生在第二組調(diào)節(jié)閥將開未開時(shí)。噴嘴配汽調(diào)節(jié)級(jí)強(qiáng)度工況（折合全周進(jìn)汽實(shí)際的輪周功率）約為節(jié)流配汽第一壓力級(jí)的6～10倍，加上部分進(jìn)汽不利因素，使動(dòng)葉強(qiáng)度條件極為惡劣。

（6）調(diào)節(jié)級(jí)變工況效率低，變化幅度大，設(shè)計(jì)工況下仍比第一壓力級(jí)低。由于各股汽流壓比變化幅度大，偏離最佳速比的機(jī)會(huì)多；動(dòng)葉前空間無法向噴嘴組那樣進(jìn)行分組隔離，難免在此空間產(chǎn)生橫向汽流竄動(dòng)，造成對(duì)主汽的干擾，引起額外的部分進(jìn)汽損失，這也是調(diào)節(jié)級(jí)只能采用沖動(dòng)級(jí)而不采用反動(dòng)級(jí)的原因，如果采用反動(dòng)級(jí)，因全開閥門噴嘴組后壓力明顯高于半開閥門噴嘴組后壓力，橫向竄流就更明顯；任何工況下都不可能做到全周進(jìn)汽，從而增加了相應(yīng)的部分進(jìn)汽損失。

（7）閥門依次開啟，不僅開啟力小，而且單位升程流量變化小，有利于微調(diào)，有利于起動(dòng)時(shí)的定速與并網(wǎng)。

2 調(diào)節(jié)閥門計(jì)算方法分析

噴嘴配汽變工況熱力計(jì)算主要由4部分構(gòu)成：調(diào)節(jié)閥門計(jì)算；調(diào)節(jié)級(jí)一股汽流計(jì)算；調(diào)節(jié)級(jí)各股汽流的合算；調(diào)節(jié)級(jí)背壓的計(jì)算。其中的一些公共接口參數(shù)需要進(jìn)行反復(fù)迭代才能湊準(zhǔn)[9]。其中，調(diào)節(jié)閥門計(jì)算是基礎(chǔ)，其計(jì)算是在給定閥門前后壓力和閥門開度的情況下，確定閥門的流量。

2.1 調(diào)節(jié)閥門流量計(jì)算

在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥時(shí)，為了減小閥門全開時(shí)的壓力損失，調(diào)節(jié)閥后均設(shè)計(jì)有擴(kuò)壓管。在計(jì)算通過閥門的蒸汽流量時(shí)，由于閥門在不同的開啟位置時(shí)，閥門的最小通流面積不是常數(shù)，同時(shí)因擴(kuò)壓管的存在，使閥門喉部壓力與閥門后（擴(kuò)壓管后）壓力不相等，并且擴(kuò)壓管的擴(kuò)壓效率隨工況的變化而變化，使得蒸汽壓力沿?cái)U(kuò)壓管流程的變化規(guī)律也跟隨變化。這樣，通過閥門的流量就不能簡單地看成和噴嘴流動(dòng)一樣是閥門前后壓力比的函數(shù)，這給理論計(jì)算帶來了困難。所以在閥門流量計(jì)算時(shí)，通常借助試驗(yàn)曲線[3]。在利用實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)注意繪制曲線時(shí)各參變數(shù)的定義。圖1為多用于中壓機(jī)組的球形閥的原理圖，其公稱直徑為擴(kuò)壓管的喉部直徑，相對(duì)流量系數(shù)是真實(shí)流量和按閥門公稱面積和閥前參數(shù)計(jì)算的理論臨界流量之比：

（1）

（2）

式中，、分別為調(diào)節(jié)閥前的蒸汽壓力和比容；為按閥門公稱直徑計(jì)算出的公稱面積，。

圖2為球形閥的相對(duì)流量系數(shù)與、的關(guān)系曲線（其中由調(diào)節(jié)級(jí)變工況計(jì)算決定）。從圖中可以看出，在同一壓力降的條件下，相對(duì)流量系數(shù)降隨著升程的增大而增大。但當(dāng)閥門基本開足（～）后，閥門升程雖繼續(xù)增大，但通流面積已基本上不再增大，故流量的增加趨于緩慢，值接近為一水平線。另外，在同一升程下，壓力降越大，越大，通過閥門的流量也越大，但當(dāng)增達(dá)到某一范圍后，流量的增加變慢，這表示閥門喉部已接近臨界壓力，當(dāng)，后，流量的增加已很少，這時(shí)雖然上高于臨界壓力，實(shí)際上由于擴(kuò)壓管的存在，高于閥芯后的最低壓力，在最小通流截面處已達(dá)或者近于臨界，故流量不再增加，或者增加很小了。

2.2 調(diào)節(jié)閥組的升程流量特性

在一只調(diào)節(jié)閥開啟過程中，當(dāng)閥的升程時(shí)，；當(dāng)閥門的升程很小時(shí)，閥后壓力很低，閥門內(nèi)為超臨界流動(dòng)，當(dāng)閥門前壓力不變使，流量和面積成正比，即隨著的增大而增大，當(dāng)閥門繼續(xù)開大時(shí)，通流面積雖還在變大，但閥后壓力也不斷增大，使變小，故的增大隨著的增大就趨于緩慢。隨后，雖閥門開度繼續(xù)增大，但由于受到閥門后部直徑的限制，將漸趨飽和。先線性增大后慢慢過渡到飽和區(qū)。汽輪機(jī)采用噴嘴調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)節(jié)閥是依次啟閉的，如果后一個(gè)閥門是在前一個(gè)閥門全開后在開啟，那么閥門總的升程和流量特性曲線就將是一根曲折很大的線，這是不希望的。因此，通常是在前一閥尚未完全開啟，后一閥便提前打開，這個(gè)提前開啟的量，稱為閥門的重疊度。重疊度的選取一般以前一閥門開至閥門前、后蒸汽壓力比～時(shí)，后一閥便開始開啟為合適。那樣閥門的流量特性就趨于一跟較為光滑的直線。但由于閥門同時(shí)部分開啟節(jié)流損失增大，經(jīng)濟(jì)性稍有下降。因此，重疊度的選擇應(yīng)適合。

閥門開度和流量特性曲線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮重疊度的問題，應(yīng)該設(shè)置合理的重疊度，盡量使曲線的平滑。有些機(jī)組，為了避免由于第一組噴嘴的部分進(jìn)汽度過小，引起調(diào)節(jié)級(jí)的動(dòng)葉片應(yīng)力過大，將第一組噴嘴的進(jìn)汽度增大，即讓兩個(gè)閥門同時(shí)向一組噴嘴供汽，一般仍讓第一個(gè)閥門先開啟，待第一閥門的前后壓差剛減小至15%～20%或者更大些時(shí)，便開始開啟第二個(gè)閥門，具體數(shù)據(jù)應(yīng)根據(jù)葉片強(qiáng)度計(jì)算決定[10]。

3 結(jié)語

汽輪機(jī)必須經(jīng)常調(diào)整其功率，以便與外界變動(dòng)的負(fù)荷保持平衡。決定汽輪機(jī)功率的最主要的也是最容易控制的因素是汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，配汽就是專指改變汽輪機(jī)進(jìn)汽量來改變汽輪機(jī)功率的方式。大功率火電機(jī)組的深度變負(fù)荷運(yùn)行在當(dāng)前大規(guī)模新能源電力安全高效運(yùn)行的現(xiàn)實(shí)需求下顯得更加有必要，因此，噴嘴調(diào)節(jié)方式下的配汽特性曲線規(guī)律設(shè)計(jì)需要更加嚴(yán)謹(jǐn)。這需要大功率汽輪機(jī)噴嘴調(diào)節(jié)方式下的調(diào)節(jié)閥特性計(jì)算方法來實(shí)現(xiàn)。文章在分析噴嘴配汽熱力特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)調(diào)節(jié)閥特性的計(jì)算方法進(jìn)行了探討分析。通過調(diào)節(jié)閥的流量特性分析，總結(jié)了噴嘴配汽規(guī)律的重疊度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。這對(duì)噴嘴調(diào)節(jié)配汽規(guī)律優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義。

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