汽轮机流量特性试验原理及偏差、要点分析

第57卷第4期2015年8月汽轮机技术TURBINETECHN0LOGYVO157N04AUG2015汽轮机流量特性试验原理及偏差、要点分析万忠海，晏涛，吴杨辉，汪飞，王小波江西省电力科学研究院，南昌330096摘要基于汽轮机原理，对现场汽轮机流量特性试验原理以及偏差、要点进行了分析和总结。认为汽轮机流量特性配汽计算只是一个对汽轮机“实际流量一阀位开度”进行标记、映射、还原的过程，而非严格意义上的汽轮机配汽端流动特性的变工况计算。分析、阐述了直接法和间接法两种配汽函数组态模式能达到的理论精度和偏差控制方法，列举了汽轮机流量特性数据整理、应用以及重叠度整定等具体过程的相关要点。关键词汽轮机；流量特性；配汽计算；重叠度分类号TK267文献标识码A文章编号10015884201504028504ANALYSISOFTURBINEFLOWCHARACTERISTICSPRINCIPLEANDBIASANDKEYPOINTSWANZHONGHAI，YANTAO，WUYANGHUI，WANGFEI，WANGXIAOBOJIANGXIELECTRICPOWERSCIENCERESEARCHINSTITUTE，NANCHANG330096，CHINAABSTRACTBASEDONTHEPRINCIPLEOFTHESTEAMTURBINE，THETURBINEFLOWCHARACTERISTICSPRINCIPLEANDBIASKEYPOINTSWEREANALYZEDANDSUMMARIZEDFLOWCHARACTERISTICSSTEAMDISTRIBUTIONCALCULATIONISONLYONEPAIROFTURBINE“ACTUALFLOWVALVEOPENING”MARKING，MAPPING，REDUCTIONPROCESS，ISNOTSTRICTLYASTEAMDISTRIBUTIONVARIABLECONDITIONCALCULATIONANALYZINGANDELABORATINGTWOMETHODSOFSTEAMDISTRIBUTIONFUNCTIONCONFIGURATIONMODECANACHIEVETHEORETICALPRECISIONANDBIASCONTROLMETHOD，LISTINGTHERELEVANTPOINTSOFTURBINEFLOWCHARACTERISTICSDATAPROCESSING，APPLICATIONANDOVERLAPTUNINGOTHERSPECIFICPROCESSKEYWORDSSTEAMTURBINES；FLOWCHARACTERISTICS；STEAMDISTRIBUTIONCALCULATION；OVERLAP0前言采用喷嘴配汽的汽轮机在运行中，通过依次或同步开启若干个调节阀来增加汽轮机的进汽流量。通常将整个调节阀组的总阀位开度和各调节阀阀位开度与汽轮机的进汽流量的数值对应关系下文简称配汽函数视为汽轮机流量特性。运行中，汽轮机流量特性是建构机组的调速系统建模、一次调频功能以及主参数寻优等工作的基础。如果汽轮机配汽函数设定与实际流量特性相差较大，就会出现诸如调节阀晃动、阀切换负荷波动大、一次调频和AGC响应能力差等状况，甚至诱发电网低频振荡。合格的汽轮机配汽函数应能保证汽轮机在不同阀控方式下进汽流量的精确控制，以符合电网调频需求；并且调节阀重叠度设置能在确保调节阀及其配套设备的安全运行的前提下尽量减小调节阀的节流损失J，充分发挥喷嘴配汽机组的阀点效应在运行经济性方面的优势。汽轮机流量特性试验，是现场精确整定汽轮机配汽函数的有效手段，其原理及偏差、要点一直是试验调整人员普遍关心的重要问题。1汽轮机配汽端流动特性剖析汽轮机主阎调苴阎邳调节级，统称为汽轮机配汽端。在汽轮机工况变动时，配汽端工况变化最大，加上由几个调节阀一喷嘴组组成，各调节阀一喷嘴组的工作又不完全相同，使得配汽端变工况流动特性计算非常复杂。基于喷嘴的变工况分析，假设调节级的反动度为零P。P，且在各种工况下保持不变，对于全开的调节级喷嘴组的流量计算公式为G0648ACIBP。G，1式中，G，为喷嘴组I界流量；为喷嘴组流量比，卢厂1一F孚L；PP为喷嘴组前蒸汽参数；P为喷嘴组、1一OCR后压力；P为调节级压力；8为喷嘴组压比；8，为调节级临界压比由于假定反动度保持为零，调节级临界压比等于喷嘴临界压比，IR0546。由于在调节级特性计算过程中，通常假设调节阀是全开的，因而，可借用调节级特性计算数据检验始终全开的喷嘴组套用式1的准确性。以哈汽N2001275535535型及东汽N3001667537537型两种机组的调节级特性计算数据为例，在机组顺序阀常用阀控范围两阀全开至四阀全开内，取临界工况为基准工况，套用式1，可得出VWO工况下的1AM喷嘴计算流量。由表1可知当调节级临界压比取0546时，计算流量与实际流量的相对误差分别为95和40；当调节级临界压比取0512时，计算流量与实际流量的相对误差分别为68和16，均超出了工程计收稿日期20150127作者简介万忠海1975，男，汉族，江西南昌，高级工程师，从事电厂汽轮机专业节能工作。286汽轮机技术第57卷算的精度要求；而且在工况变化中，设计反动度变化越大，其计算流量的相对误差也越高。由于调节级内存在着一定的反动度，且随工况而变化，故调节级喷嘴流量不能直接简单地用级前后压比表示。事实上，汽轮机配汽端流动特性不仅与调节级流动特性直接相关，还与调节阀流动特性有着密切联系。客观地说，无论理论计算还是现场试验都难以简洁、快速并精确地获取汽轮机配汽端流动特性的真实情况。虽然汽轮机配汽端流动特性难以精确获取，但其流量特性实际流量一阀位开度可以很方便地被标记下来，并通过数值映射的方法予以高精度的还原。汽轮机流量特性试验恰恰就是这么一个“实际流量一阀位开度”的标记、映射、还原的过程。2汽轮机流量特性试验原理汽轮机流量特性试验是在初参数一定条件下，测取汽轮机实际流量与调节阀阀位开度的数值关系。理论和实践告诉我们，在初参数一定条件下，倘若汽轮机调节级后压力确定了，则通过调节级的总流量便确定了，各调节阀的开度以及通过各喷嘴组的流量及工作情况全开非全开喷嘴组前压力、动叶前压力、反动度等等也都确定了。也就是说，在既定阀序下，汽轮机配汽端变工况过程中各参数之间能够相互映射。这一规律可认为是汽轮机流量特性试验的理论基础。将汽轮机配汽端主汽阀、调节阀、全开非全开调节级喷嘴组及动叶假想为一个当量喷嘴，以该当量喷嘴前压力即主汽门前压力、喷嘴后压力即调节级压力以及当量喷嘴压比即调节级压力除以主汽门前压力等为变量，对汽轮机的“实际流量一流量比一调节阀阀位开度”进行间接映射当去除中间转换环节流量比时，即为直接映射，即可得到汽轮机的配汽函数。3当量喷嘴的配汽计算汽轮机DEH控制系统中的配汽函数负责将接收到的流量指令FDEM转化为每个调节阀的阀位开度指令。DEH配汽函数广泛采用“直接法”和“间接法”两种组态模式，分别对应前文的“直接映射”和“间接映射”两种不同实现过直接法，依据汽轮机流量特性试验，直接映射调节阀组的总阀位开度和各调节阀阀位开度与汽轮机的进汽流量的间接法，看似基于式1的相关假设而得到的一种类似调节级特性计算的简化求解办法。由于此方法引入了一些或有或无明确物理意义的中间函数，在实现过程中，若不妥善处理，其精度会受到一定影响。修正函数；函数F为顺序阀的重叠度函数；IXB流量分配函数为顺序阀下CV1LCV2一CV3一CV4各喷嘴组临界压修正函数；函数F丑为单个调节阀一喷嘴组的流量特性函数。LL正函数LL函数LI函数LYI函数1月单阀流量修正函数图1间接法组态示意图321背压修正函数F与F墨不论单阀抑或顺序阀，均可以该当量喷嘴前压力即主汽门前压力、喷嘴后压力即调节级压力以及当量喷嘴压比即调节级压力除以主汽门前压力等为变量，建立如式1的当量喷嘴椭圆方程，得到任一调节级压力下的当量喷嘴的实际流量、流量比和临界流量；将该曲线以VWO工况的实际流量为标幺值，即可绘制出单阀JL序阀下的实际流量一临界流量的关系曲线即背压修正曲线。322单个调节阀一喷嘴组的流量特性函数F依据既定阀序下的顺序阀流量特性试验去除重叠度，整理出单个调节阀一喷嘴组全关和全开时的当量喷嘴的临界流量，并以两者差值为标幺值，逐一计算，可得到该调节阀阀位从0至100过程中的相对临界流量百分比一阀位开度的函数关系，即单个调节阀一喷嘴组的流量特性函数。第4期万忠海等汽轮机流量特性试验原理及偏差、要点分析287需特别强调，函数F切不可理解为单个调节阀一喷嘴组的“实际流量百分比一阀位开度”的函数关系，否则失去了间接映射的本意。323KX日流量分配函数将既定阀序下的单个调节阀一喷嘴组全关和全开时的当量喷嘴的临界流量以及阀位开度进行线性折算，即可获得单个调节阀一喷嘴组的KB值。324调节阀组流量特性在获取F、F、F、FX4以及KX四等中间转换函数后，填人图1相应位置，即可实现间接法的配汽计算函数F见下文分析。4配汽计算的理论精度与偏差无论对于何种配汽计算实现过程，配汽计算的精度都离不开汽轮机进汽流量的准确计量。由于直接法不存在中间转换环节，因此，其精度主要取决于汽轮机进汽流量的数学表征。而对于间接法，由于增加了中间转换环节，并且存在一些共用函数，其理论精度与偏差需展开分析。41椭圆方程文中流量比的计算均运用了椭圆方程，而非理想气体方程。由于单阀顺序阀的背压修正函数和单个调节阀一喷嘴组的流量特性函数均运用了相同形式的计算公式和临界压比，因此，不会对配汽计算的结果产生偏差。42背压修正函数间接法通过“流量比”贯串并统一了单阀顺序阀的背压修正函数该函数仅用于数据标记与映射，并无实际物理意义。因此，有必要讨论一下相同调节级压力流量比下单阀顺序阀调节级温度的差异是否会对配汽计算产生偏差。表2给出了一组单阀顺序阀下的运行参数。由表2可知，在相同调节级压力下，单阀顺序阀的调节级温度最大相差近2OCC，相对应的实际流量与临界流量间均有明显差异。将表2中的计算数据绘制在图2上。这时，可以看到尽管同一流量比下的单阀顺序阀实际流量与临界流量存在一定差异，但单阀的数据基本能落在顺序阀的曲线之L。表2某机组的运行参数、咖媛M磐图2背压修正曲线示意图因此，在间接法配汽函数中，单阀函数FX直接取顺序阀函数F百分数化后的反函数，这种简化处理手段对配汽计算产生的偏差是微小不可察。应当指出，理论上，只要配汽计算过程中，遵循“依照既定阀序，按实际工况填写”的原则，单阀顺序阀的函数，X和F分别取各自的背压修正函数，且分别依照各自的汽轮机“实际流量一流量比一阀位开度”进行映射；那么，调节级温度的差异，是不会对配汽计算造成任何偏差的。43单个调节阀一喷嘴组的流量特性函数假定顺序阀阀序为CV1ICV2一CV3一CV4，且4个调节阀一喷嘴组结构完全一致，定义CV3在顺序阀下的运行工况、在单阀下的运行工况以及在单个调节阀一喷嘴组的流量特性试验时的运行工况其它调节阀保持全开状态，该工况与CV4在顺序阀所处工况可视为等同分别为工况A、B、C。通过前文分析可知，工况A、B、C下CV3的流动特性压比、焓降、反动度等彼此是不相同的。如此一来，取同一的临界压比代人式1，最终计算得到的3条“相对临界流量百分比一阀位开度”流量特性曲线虽大体趋势相同，但细节处会有明显差异见图3；同时，这3条曲线均与客观真实的流动特性存在差异。、求咖1媛磐图3某机组CV3在不同工况下的流量特性曲线由于CV3在工况A下的计算数据取自当量喷嘴的计算数据中的一段，满足既定阀序CV1ICV2一CV3一CV4下的参数映射关系，尽管与客观真实情况存在差异，但并不会影响到配汽计算的精度。但工况B、C与工况A之间的差异会288汽轮机技术第57卷对配汽计算造成些许偏差。因为工况B、C下的“阀位开度与流量比”的对应关系不满足既定阀序下的参数映射关系见图4，进而映射出来的进汽流量与实际情况不相符。遐墼螫删图4某机组CV3的阀位开度与流量比44间接法配汽技巧综上所述，间接法“是”又“不是”基于式1的相关假设而得到的一种类似调节级特性计算的简化求解办法。自然，该方法引入的一些中间函数，看似有，实际并没有明确的物理意义。虽然，其理论精度完全可以和直接法达成一致，但在实现过程中有诸多值得注意之处。一种比较理想的情形是能够依照既定阀序，按实际工况分别填写。比如，单阀顺序阀的函数FX1和FX3分别取各自的背压修正曲线；对于单个调节阀一喷嘴组的流量特性函数FX4，在顺序阀下，CV3的F取其在工况A下的数据；而单阀下，CV3的FX4取其在工况B下的数据等等。然而，在有的配汽函数组态中，函数F咒是单阀和顺序阀的共用函数，这时，函数FX4的填写就应当兼顾单阀和顺序阀两者的流量特性。确切的说，CV3的F咒取其在工况A下的数据，CV4的FX4取其所处工况类似工况G下的数据；考虑到顺序阀下低负荷通常采用阀点滑压运行方式，CV1CV2趋近全开状态，这样在顺序阀下的流量特性准确与否并无太多现实意义，因此，为兼顾单阀流量特性，CV1CV2的F应当使用在单阀工况下的数据类似工况曰。如此一来，汽轮机的整体流量特性与实际情况的偏差就会非常小，单阀顾序阀切换过程，负荷波动也较少。5重叠度整定对于调节阀重叠度，可能会有一种误解，认为是因为设置了重叠度，调节阀组的流量特性才能够线性平滑。理论上，对于数字电液调节系统，即便调节阀之间未设置重叠度，调节阀组的流量特性依旧能够做到线性平滑，这很容易从顺序阀去除重叠度流量特性试验数据得到验证。只不过，倘若不设置重叠度的话，调节阀在其非线性区会出现大幅晃动，影响调节阀及其配套设备的安全运行。而且，客观上由于协调控制系统的介入以及机组通常采用滑压运行方式，汽轮机流量特性即便未能做到全流量范围的线性平滑，也不会对机组运行控制产生恶劣的影响；但重叠度设置不合理却是直接影响到汽轮机阀点滑压运行的安全性、经济性以及调频响应能力的。因此，无论对于直接法还是间接法，重叠度整定都是配汽计算的重中之重。较为稳妥地做法是，以流量指令增减1，单个调节阀阀位开度变化不超5为安全原则，通过单个调节阀一喷嘴组流量特性的反向映射，来完成重叠区域内阀位开度的整定实施过程中，应当维持调节阀重叠区域的流量特性的线性平滑。众所周知，在一定范围内，适当提高重叠度有助于避免调节阀油动机的剧烈动作，但设置的重叠度越大不必要的安全富裕相应增多，调节阀的节流损失也越大，对汽轮机组的经济运行越是不利。因此，合理设置重叠度，必须仔细研究调节阀的流量特性和节流特性，把握安全性与经济性之间的平衡。从已有文献来看，在重叠度整定过程中，还存在一些人为因素J。对重叠度偏小，是较易从