采用汽輪機(jī)速度級(jí)測量蒸氣流量的試驗(yàn)研究

盧 鑫，盧 津，盧有成

（1.內(nèi)蒙古京寧熱電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 烏蘭察布 012000；2.大唐國際內(nèi)蒙古托克托發(fā)電有限責(zé)任公司，呼和浩特 010216；3.內(nèi)蒙古科迪自控有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 鄂爾多斯 014300）

0 引言

過去，在火電廠熱力生產(chǎn)過程中，對鍋爐進(jìn)入汽輪機(jī)組的主汽流量測量普遍采用節(jié)流法進(jìn)行測量，用測量數(shù)據(jù)作為監(jiān)視和機(jī)爐協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)燃燒工況的判別依據(jù)。這種測量方法若要適應(yīng)機(jī)組的滑參數(shù)運(yùn)行，需用溫、壓補(bǔ)償構(gòu)成測量系統(tǒng)，方可準(zhǔn)確測量。該方法因?yàn)楣?jié)流元件對初蒸汽造成節(jié)流損失，從熱力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)角度分析，都不希望初蒸氣的初壓損失，從而降低初蒸汽的做功能力。

對于單元機(jī)組或者母管制并列式汽機(jī)側(cè)的主汽流量監(jiān)視，往往對于運(yùn)行人員不太迫切。作為機(jī)組運(yùn)行安全監(jiān)測來講，在工況變動(dòng)時(shí)能夠反應(yīng)靈敏，對于其測量誤差不像母管式鍋爐主汽流量那樣要求嚴(yán)格。應(yīng)用汽輪機(jī)固有的雙列速度級(jí)作為主汽流量測量元件，可使測量過程簡單，并能滿足機(jī)組運(yùn)行的正常監(jiān)視，取消了鍋爐和汽輪機(jī)之間的測量元件，對過熱器后的初蒸汽不存在節(jié)流損失。因此，這是一項(xiàng)有效可行的節(jié)能措施，目前已經(jīng)在各大電廠設(shè)計(jì)中得到了普遍的推廣應(yīng)用。

本文作者依據(jù)汽輪機(jī)通流量計(jì)算的斯托多拉流量錐三維曲線，經(jīng)過簡化而來的弗留格爾公式，從20世紀(jì)90年代開始在新投產(chǎn)單元機(jī)組上實(shí)施應(yīng)用，此科研課題曾經(jīng)過專家鑒定，獲得原電力部科技成果獎(jiǎng)。經(jīng)過幾十年的推廣應(yīng)用表明，該測量方法完全能夠滿足機(jī)組的運(yùn)行監(jiān)視和單元機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)需求。

1 測量原理

汽輪機(jī)制造完畢以后，其級(jí)組通流狀態(tài)與其機(jī)組前后蒸汽介質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)存在一定的函數(shù)關(guān)系。簡單形象地說，汽輪機(jī)的每一級(jí)都是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化的節(jié)流元件，在熱能通過葉片改變流速（流速是矢量，包括方向）轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的那一刻，就把一部分熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，產(chǎn)生焓變或者是熵變。研究中，對汽輪機(jī)內(nèi)的每一級(jí)組均視為當(dāng)量噴嘴，按照能量轉(zhuǎn)換的守恒定律，很容易得出以下狀態(tài)前后各參數(shù)的方程公式，也就是通常所用的斯托多拉流量錐。

在工況變動(dòng)時(shí)，其級(jí)組前后的壓力、溫度與流量的關(guān)系，可用斯托多拉流量錐表示，通常所用的解析關(guān)系為：

其中：βN——流量變化的相對比值，βN=G/GN

由此可得，在變工況下：

其中，G1、εo1、ε21為工況變化后的流量和壓力比。對于級(jí)組在臨界狀態(tài)時(shí)背壓較低的情況下，通常認(rèn)為級(jí)組的臨界壓近似為0，此時(shí)級(jí)組中各級(jí)均處于亞臨界狀態(tài)。式（2）可簡化為：

表1 變送器及顯示儀表的對應(yīng)關(guān)系Table 1 Corresponding relationship between transmitter and display instrument

PⅡ、PⅠ為工況變化后的級(jí)組前、后壓力。對于上式適用凝汽方式的汽輪機(jī)時(shí)，無論在級(jí)組是否發(fā)生臨界工況，其關(guān)系式均可成立，其流量均與級(jí)前壓力成正比。由此，可根據(jù)測得級(jí)組的壓力來計(jì)算流過級(jí)組的流量。對于雙列速度級(jí)而言，流過級(jí)組的流量便是汽輪機(jī)的進(jìn)汽流量。對于采用節(jié)流調(diào)節(jié)式汽輪機(jī)，測量主汽流量所應(yīng)用的是最初級(jí)組。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

根據(jù)上述關(guān)系式，按照機(jī)組的設(shè)計(jì)工況，即可求得壓力與流量的對應(yīng)關(guān)系，并且以此來確定壓力變送器與顯示儀表的對應(yīng)量程范圍。

1990年包頭二電廠7號(hào)機(jī)組的設(shè)計(jì)工況：

且經(jīng)實(shí)際測量，實(shí)際工況（即設(shè)計(jì)壓力Pm）時(shí)流量與壓力基本滿足近似線性關(guān)系，若不相符，應(yīng)以實(shí)際工況壓力溫度參數(shù)代替公式中的Pm、Gm。

則：

式（6）中，G、P為某變動(dòng)工況下的流量壓力。

根據(jù)1990年在100MW的新建單元機(jī)組的額定參數(shù)，由此確定壓力的測量范圍為（0～6）MPa時(shí)，對應(yīng)的流量顯示范圍是（0～500）t/h，其對應(yīng)關(guān)系見表1。

顯示流量與理論流量的差值，主要是在選擇顯示儀表范圍時(shí)，取整數(shù)時(shí)產(chǎn)生的誤差。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)方法

依照以上原理，用壓力變送器測取汽輪機(jī)入口的第一級(jí)雙列速度級(jí)的壓力，通過數(shù)字電壓表DVM轉(zhuǎn)化為運(yùn)行人員所需要的鍋爐出力。在單元機(jī)組運(yùn)行工況變動(dòng)時(shí)，值班員通過DVM現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)能夠快速掌握汽輪機(jī)用汽流量的變

圖1 測量系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of measurement system

化，而對于流量的精確度不像母管制機(jī)組那樣嚴(yán)格。采用速度級(jí)壓力測取對應(yīng)汽流量，完全能適應(yīng)機(jī)組的運(yùn)行監(jiān)視，測取汽輪機(jī)的進(jìn)汽量也就是鍋爐的供汽量。

3.1 測量系統(tǒng)構(gòu)成

該測量系統(tǒng)比較簡單，僅由一臺(tái)壓力變送器，配之以相應(yīng)的顯示儀表，如圖1所示。

根據(jù)測量所依據(jù)的關(guān)系式，可得變送器及顯示儀的校驗(yàn)數(shù)據(jù)，具體見表2。

3.2 運(yùn)行及使用情況

該測量系統(tǒng)投入運(yùn)行后，一直在原包頭第二熱電廠連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行。從使用角度來看，總結(jié)有以下特點(diǎn)：

1）在滑壓運(yùn)行及額定工況下，能夠滿足運(yùn)行人員的全程監(jiān)視。

2）在負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，能夠迅速地反映出負(fù)荷的變動(dòng)趨向及變動(dòng)幅度。

3）針對火電廠的特點(diǎn)，將汽輪機(jī)固有的級(jí)組當(dāng)量噴嘴用來測量汽機(jī)的進(jìn)汽量，因此不用再增設(shè)節(jié)流元件，減少了鍋爐初蒸汽的壓力損失，有效地間接減少了發(fā)電煤耗。

4）采用平、乙兩聯(lián)箱供汽的鍋爐，可直接測得主汽流量，便于運(yùn)行監(jiān)視或作為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的采樣信號(hào)直接控制燃燒。

5）測量系統(tǒng)簡單，便于維護(hù)并能滿足長期穩(wěn)定運(yùn)行。

6）在DCS系統(tǒng)模塊里，方便進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)拈_方運(yùn)算。

3.3 存在的問題

1）測量精度受諸多因素影響，如公式的近似簡化、級(jí)后溫度變化及汽機(jī)通流面積（結(jié)垢）變化等。所以，各因素帶來的誤差還需進(jìn)一步修正，以提高測量精度。

2）標(biāo)準(zhǔn)化問題。在適應(yīng)熱工測量方面，汽輪機(jī)機(jī)組的設(shè)計(jì)制造尚沒有標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的技術(shù)文件。因此，每臺(tái)機(jī)組都要通過試驗(yàn)測取流量與級(jí)內(nèi)狀態(tài)參數(shù)之間的實(shí)際關(guān)系，不利于對其的標(biāo)定校驗(yàn)。

3.4 運(yùn)行統(tǒng)計(jì)紛析

經(jīng)過近年的推廣運(yùn)行，將其測量結(jié)果與原有的節(jié)流式差壓流量計(jì)的測量結(jié)果進(jìn)行對比，對各不同時(shí)期統(tǒng)計(jì)數(shù)值得出如下結(jié)果：

1）節(jié)流法與應(yīng)用速度級(jí)法測量，在工況變動(dòng)中，兩者的變動(dòng)速率不同。在電負(fù)荷變化的擾動(dòng)下，速度級(jí)測量較節(jié)流法反應(yīng)迅速，以致于兩者的變化過程存在著時(shí)間差。所以在統(tǒng)計(jì)以上數(shù)據(jù)時(shí)，盡可能在負(fù)荷穩(wěn)定的情況下進(jìn)行比較分析，讀取測量數(shù)據(jù)。

表2 變送器及顯示儀的校驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Calibration data of transmitter and display instrument

2）顯示所用的儀表態(tài)是數(shù)字儀表，所以存在約± 2個(gè)字的量化誤差。

3）由表2可以得出，在額定工況時(shí)誤差最小，基本為零。在負(fù)荷大于額定工況時(shí)，其誤差為正值；當(dāng)負(fù)荷低于額定工況時(shí)，其誤差為負(fù)值，且偏離額定工況愈多，誤差絕對值愈大。

4）在啟動(dòng)過程中的對照分折

滑參數(shù)啟動(dòng)中，在負(fù)荷較小時(shí)誤差較大，在負(fù)荷較大時(shí)，誤差較小。

其誤差與主汽溫度偏離額定的大小有關(guān)，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到70%以上時(shí)，溫度基本接近額定值時(shí)，誤差有明顯地減小。

從記錄曲線來看，其變化趨向及幅值基本上完全對應(yīng)，經(jīng)過各種擾動(dòng)試驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)，其兩曲線的形狀基本一致。

5）精度分析

由以上運(yùn)行分析可知，共誤差隨運(yùn)行工況偏離額定工況的幅度有關(guān)。對于負(fù)荷在70%以上時(shí)，其最大引用誤差在3.5%以內(nèi)。對于低負(fù)荷及啟、停機(jī)過程中，其最大引用誤差約5%。

4 測量誤差分析

4.1 P-G曲線

根據(jù)上述公式G=Gm(P/Pm)，可做出機(jī)組的P-G曲線，稱之為理論曲線。另外，還可以根據(jù)機(jī)組運(yùn)行中的變動(dòng)工況，通過試驗(yàn)測得實(shí)際P-G曲線。測量過程是依公式進(jìn)行的，即與理論曲線相對應(yīng)。相同壓力下，理論曲線與實(shí)際曲線的差值，即為測量的系統(tǒng)誤差，如圖2所示。

由P-G曲線可知，理論曲線與實(shí)際曲線基本近似重合，也就是說在變動(dòng)情況下，測量結(jié)果與機(jī)組實(shí)際通流近似吻合，趨勢相一致，其最大誤差為5%以內(nèi)。

4.2 機(jī)組結(jié)垢對測量的影響

在機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后，葉片容易被蒸汽腐蝕和結(jié)垢，

圖2 理論曲線和實(shí)際曲線的比較Fig.2 Comparison of theoretical curve and actual curve

葉片及噴嘴結(jié)垢后，則會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的通流面積發(fā)生變化。假定結(jié)垢后各級(jí)面積變化是均勻的，程度是相同的，則只須加一修正系數(shù)K。

針對實(shí)驗(yàn)新投產(chǎn)的機(jī)組和運(yùn)行一年以后的機(jī)組，做了一個(gè)對比。運(yùn)行一年結(jié)垢后的通過流發(fā)生一些變化，做了幾種試驗(yàn)，并將其試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)后處理得到如圖3的曲線。這時(shí)的計(jì)算公式應(yīng)修正為：

即結(jié)垢后的測量誤差是隨工況負(fù)荷增加而增加，系數(shù)K可以在結(jié)垢后通過實(shí)驗(yàn)測取。

4.3 溫度的影響

對于采用調(diào)節(jié)方式為噴嘴的凝汽式汽輪機(jī)，其P-G曲線受調(diào)節(jié)級(jí)后溫度變化的影響，所以實(shí)際P-G曲線與理論P(yáng)-G曲線的誤差也有蒸汽溫度方面影響因素，其影響關(guān)系可以從以下修正關(guān)系式得出：

其中：T——運(yùn)行工況的蒸汽溫度；Tn——設(shè)計(jì)的額定溫度。

圖3 結(jié)垢前后P-G曲線對比Fig.3 P-G Curve comparison before and after scaling

其誤差特性存在著非線性關(guān)系，當(dāng)溫度在額定工況下偏離20℃時(shí)，測量誤差為±3.5%左右。但通過試驗(yàn)，其工況變化50%，最大誤差約為3%左右。在進(jìn)一步改進(jìn)測量儀表的情況下，應(yīng)用DCS智能模塊開方計(jì)算，加入實(shí)際工況的溫度修正，其誤差可予以消除。

4.4 公式的近似和簡化

斯托多拉流量錐的公式在推導(dǎo)中做了若干簡化，但利用該式所測得結(jié)果與實(shí)際基本相符，這是因?yàn)楹喕杏性鰷p互補(bǔ)，故影響不大。

5 結(jié)語

這一實(shí)驗(yàn)研究方法，經(jīng)過近30年的推廣應(yīng)用，得到了汽輪機(jī)制造廠和電力設(shè)計(jì)院的采用和認(rèn)可，也得到了電廠運(yùn)行實(shí)踐的考驗(yàn)，是一種簡單易行的測量手段。更為主要的是，作為把一次石化能源轉(zhuǎn)化為二次電力能源的熱力生產(chǎn)過程，每年節(jié)省數(shù)以萬計(jì)的石化能源，其效益通過單元機(jī)組的熱焓可以算出來，在此不做重點(diǎn)羅列，以下就實(shí)驗(yàn)結(jié)果概述幾點(diǎn)：

1）當(dāng)初試驗(yàn)研究者側(cè)重于測量方法，對于所選擇的測量儀表非常簡單。因此，沒有引入溫度補(bǔ)償功能。

2）該測量方法作為機(jī)組的滑壓運(yùn)行監(jiān)視是非常簡便的，在汽輪機(jī)流道結(jié)垢或其它異常運(yùn)行情況下，應(yīng)采取必要的修正。

3） 希望在汽輪機(jī)制造中，雙列速度級(jí)設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)化，逐步適應(yīng)熱力參數(shù)測量的要求。

編者注：本文系作者盧有成于1990年在內(nèi)蒙古包頭第二熱電廠的科研項(xiàng)目，經(jīng)過鑒定和現(xiàn)場試驗(yàn)，證明是個(gè)好的節(jié)能降耗方法，曾獲得原電力部的科技成果獎(jiǎng)，現(xiàn)為了更好地進(jìn)一步推廣應(yīng)用，特此由作者盧鑫和盧津根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人盧有成提供的原始資料歸納整理總結(jié)，以餐讀者。