回熱抽汽管道容積對汽輪機甩負荷時轉速飛升的影響

顧正皓，張寶，光旭，鮑文龍

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）2.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，杭州310012）

回熱抽汽管道容積對汽輪機甩負荷時轉速飛升的影響

顧正皓1，張寶1，光旭2，鮑文龍1

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）2.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，杭州310012）

通過對回熱抽汽管道系統進行建模和仿真，分析了各級抽汽系統對汽輪機甩負荷時轉速飛升的影響，計算了抽汽逆止閥不關閉以及不同的延時關閉時間，所引起的轉速飛升值，并按照甩負荷后轉速飛升的2種不同準則對抽汽逆止閥的關閉時間提出了建議。

回熱抽汽系統；逆止閥；甩負荷；轉速飛升

0 引言

汽輪機在運行過程中發生甩負荷，對汽輪機的安全運行有重大影響。當汽輪機的電負荷失去后，蒸汽繼續在汽輪機中做功，導致汽輪機轉速的飛升，嚴重時影響汽輪機本體的安全。為避免在甩負荷時汽輪機轉速飛升過高，汽輪機的安全保護系統設置了多種隔離裝置，在甩負荷發生時，同步關閉汽輪機的調閥以及抽汽管道上的逆止閥和電動閥，以防止鍋爐或管道中的蒸汽繼續進入汽輪機。抽汽逆止閥的關閉時間在DL/T 338-2010《并網運行汽輪機調節系統技術監督導則》第5.20條中規定：“甩負荷試驗前應測試抽汽止回門關閉時間，根據其結構制定相應的測試方案，關閉時間（包括延遲）一般應小于1 s”。該規定較為籠統，并未針對不同級的抽汽回熱系統做出具體的規定。不同等級的抽汽在汽輪機中做功能力有很大的不同，以下針對回熱抽汽系統在甩負荷時對于汽輪機轉速飛升的影響進行了建模和仿真。

1 回熱抽汽系統模型建立

甩負荷過程如下：當發電機甩去電負荷以后，控制系統開始關閉調閥以控制進入汽輪機的蒸汽量，汽輪機通流內部壓力開始下降；剛開始蒸汽流量是從汽輪機內流向抽汽管道的，當通流內部壓力小于抽汽管道壓力時，蒸汽流向發生改變，抽汽管道內的蒸汽反向流入汽輪機并增加，在汽輪機內做功，直到抽汽管道內的壓力與汽輪機內壓力相等時，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。當抽汽逆止閥未關閉時，蒸汽總容積等于從汽缸到加熱器的總容積，當抽汽逆止閥關閉后，蒸汽容積等于抽汽逆止閥前容積。將蒸汽容積作為一個集中環節進行建模。

（1）模型連續方程如式（1）所示：

（2）抽汽流量方程如式（2）所示：

（3）發電機運動方程如式（3）所示：

（4）汽輪機機械功率計算如式（4）所示：

通過以上4個方程建立抽汽管道內蒸汽在甩負荷后的模型，以評價抽汽容積和逆止閥關閉時間對汽輪機轉速飛升的影響。

采用SIMULINK仿真器解上述微分代數方程組，如圖1所示。在計算蒸汽流量中，采用一個信號發生器和一階慣性環節模擬甩負荷后汽輪機缸內壓力的變化情況，并且具有一個限幅塊，當缸內壓力大于抽汽壓力時，蒸汽流量為零。在求取Vdrhodp中，采用一個階躍信號模擬抽汽逆止閥的延時及關閉，其中Vdrhodp代表

2 660 MW超超臨界機組案例研究

2.1 各級抽汽的做功能力分析

以上海汽輪機廠660 MW超超臨界機組為例，超超臨界汽輪機共有8級抽汽。

7，8級抽汽上無逆止閥，且抽氣口與加熱器進口很近，對超速影響不大，因此可以忽略7，8級抽汽的影響。

高壓缸排汽及2級抽蒸汽（簡稱2抽，以下類推），在汽輪機甩負荷后，由于冷再及熱再壓力由旁路控制，壓力控制目標是維持當前的再熱器壓力，并且汽輪機的再熱器系統容積較大，實際的冷再壓力在短時間內基本保持甩負荷前的數值，因此缸內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入2抽高加的管道容積對于甩負荷后的轉速飛升無影響。

圖1 計算回熱抽汽系統的SIMULIINK模型

對于設置高排通風閥的機組，一般收到高排逆止閥關閉信號后方可開啟高排通風閥，兩者不可同時開啟。當開啟高排通風閥時，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通過高排通風閥進入凝汽器，由于不存在通路，蒸汽無法進入通流級，即使有通路進入高壓缸的壓力級，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，具有高排通風閥的機組，1抽的背壓應按凝汽器壓力來考慮，1抽蒸汽具有較高的做功能力。

4抽蒸汽聯接汽動給水泵的進汽，考慮到甩負荷后汽動給水泵用汽量增加，因此在計算中不考慮給水泵汽機到4抽母管的蒸汽容積，只考慮到除氧器的管道蒸汽容積，甩負荷時由于至除氧器的調節閥會保護關閉，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行調整。表1給出了回熱抽汽系統的基本數據。

表1 回熱抽汽系統基本數據

2.2 抽汽進入汽輪機的有效焓降

抽汽在汽輪機內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抽蒸汽在汽輪機中的有效焓降，可見1抽蒸汽在汽輪機中的做功遠小于3抽蒸汽。

圖2 3抽管道蒸汽在汽輪機中的有效焓降

圖3 1抽管道蒸汽在汽輪機中的有效焓降

2.3 3抽計算結果圖

以3抽計算結果，繪制抽汽流量，抽汽壓力以及飛升轉速圖，如圖4—6所示。

圖4 3抽蒸汽流量變化

圖5 3號抽蒸汽壓力變化

2.4 抽汽逆止閥不關閉的影響

由表2可知，5級抽汽總容積在逆止閥不關閉的情況下引起的總的飛升轉速為57.2 r/min。影響飛升轉速的主要是3，4抽管道的蒸汽容積，因此在日常檢修工作中應重視3，4抽逆止閥的關閉速度。

圖6 3號抽蒸汽引起的轉速飛升

表2 抽汽逆止閥完全不關閉時飛升轉速

2.5 抽汽逆止閥關閉時間的影響

在抽汽逆止閥關閉前，抽汽管道總容積（包括加熱器及抽汽逆止閥后管道）的蒸汽進入汽輪機，在抽汽逆止閥關閉后，僅抽汽逆止閥前管道內的蒸汽繼續進入汽輪機。將抽汽逆止閥的關閉特性簡化為一個階躍信號，根據甩負荷時的不同延時關閉時間，計算最大的飛升轉速。從表3來看，抽汽逆止閥延時關閉2 s后，其引起的轉速飛升趨于穩定。比如3抽逆止閥延時關閉時間在2 s以上時，其引起的轉速飛升為27.3 r/min。

表3 不同逆止閥延時關閉時間對飛升轉速的影響

2.6 抽汽逆止閥關閉標準的討論

在國家和行業標準中并沒有抽汽逆止閥關閉時間的計算和定義，在DL/T 711-1999《汽輪機調節控制系統試驗導則》中汽輪機飛升轉速的計算采用甩負荷瞬間的蒸汽功率。對于回熱抽汽來說，可以假設抽汽逆止閥的關閉時間由抽汽流量倒流回汽輪機所產生的功率與通過調閥的蒸汽功率加上倒流的功率的比例來確定。

由表4可知，回熱抽汽系統總的做功能力占汽輪機功率比例為9.63%，即由抽汽容積引起的飛升轉速占汽輪機總飛升轉速的9.63%。按甩負荷調門關閉后汽輪機飛升轉速不超過3 300 r/min計算，在300 r/min的飛升轉速中，歸屬于抽汽容積的飛升轉速不超過29 r/min，按主汽門關閉后汽輪機飛升轉速不超過3 540 r/min計算，歸屬于抽汽容積的飛升轉速不超過52 r/min。

表4 回熱抽汽的做功能力

按前者考慮，則3，4抽逆止閥的關閉速度應小于1 s較為合適，其他抽汽逆止閥引起的飛升轉速較低，其關閉速度影響不大。按后者考慮，則無需關閉抽汽逆止閥，因為五級抽汽容積引起的總飛升轉速僅為57 r/min，略大于按抽汽容積做功占汽輪機做功比例所計算出的52 r/min，在甩負荷時只需要確保各抽氣逆止閥能可靠關閉以滿足防進水的要求。

3 結語

通過分析抽汽管道容積系統在甩負荷時對轉速飛升的影響機理，對系統進行建模和仿真，計算了甩負荷時不同等級抽汽引起的轉速飛升值。分析得出：3，4抽管道容積是抽汽系統影響轉速飛升的主要因素，應重視3，4抽逆止閥的關閉速度；5，6抽對于汽輪機轉速飛升的影響較小，只需逆止閥能可靠關閉，以滿足防進水導則的要求。同時，對抽汽逆止閥的關閉時間標準進行了簡要的討論和分析。

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（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，高級工程師，從事汽輪機專業技術工作。