汽轮机通流能力诊断指标基准值的确定方法

第56卷第2期2014年4月汽轮机技术TURBINETECHN0L0GYVOL_56NO2APR2014汽轮机通流能力诊断指标基准值的确定方法席莉，李录平，高鹏，黄琪，龙建平1湖南有色金属职业技术学院，株洲412006；2长沙理工大学能源与动力工程学院，长沙410014；3大唐湘潭发电有限责任公司，湘潭4L1100；4大唐先一科技有限公司，长沙410007摘要利用特征通流面积进行汽轮机通流部分的故障诊断时，确定诊断指标的基准值是一项重要的基础工作。研究了汽轮机通流能力诊断指标基准值的选择方法，并且根据汽轮机级组特征通流面积的变化规律，将汽轮机通流部分分为调节级、中间级组和末级，对这三段分别选用不同的方法确定其基准值。关键词汽轮机；通流部分；特征通流面积；基准值分类号TL262文献标识码A文章编号10015884201402012805DIAGNOSTICINDEXSTANDARDVALUECALCULATIONMETHODSFORFLOWCAPABILITYOFSTEAMTURBINEXILI，LILUPING，GAOPENG，HUANGQI，LONGJIANPING1HUNANNONFERROUSMETALSVOCATIONALANDTECHNICALCOLLEGE，ZHUZHOU412006，CHINA；2SCHOOLOFENERGYANDPOWERENGINEERING，CHANGSHAUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY，CHANGSHA410014，CHINA；3DATANGXIANGTANPOWERGENERATIONCOMPANYLIMITED，XIANGTAN411100，CHINA；4HUNANDATANGXIANYITECHNOLOGYCOMPANYLIMITED，CHANGSHA410007，CHINAABSTRACTASCERTAININGTHEBASICVALUEOFDIAGNOSISINDEXISANIMPORTANTFOUNDATIONWORKWHENCFACHARACTERISTICFLOWAREAISUSEDTODIAGNOSESTHEFAULTSOFFLOWPATHOFSTEAMTURBINEINTHISPAPER，THESELECTIONMETHODSOFDIAGNOSTICINDEXSTANDARDVALUEFORFLOWCAPABILITYOFSTEAMTURBINEARESTUDIED，ANDFLOWPATHOFSTEAMTURBINEISDEVIDEDINTOREGULATINGSTAGE，INTERMEDIATESTAGEGROUPANDFINALSTAGE，ACCORDINGTOTHECHANGEREGULARITYOFCFAINEVERYSTAGEGROUP，WHICHAREANALYZEDBYDIFFERENTMETHODSTODETERMINETHEBASICVALUEKEYWORDSSTEAMTURBINE；FLOWPASSAGE；CHARACTERISTICFLOWAREA；BASICVALUE0前言汽轮机在一定的蒸汽参数、负荷和转速等设计条件下运行时，其效率达到最高，此工况称为设计工况。在实际生产中，汽轮机通常偏离设计工况运行，因此，监测变工况下级组通流部分的运行状态显得尤为重要。当级组通流部分发生故障时，直接引起通流面积变大或变小，最早反映在压力、温度、流量等热力参数发生变化，根据这些参数计算出各级组的特征通流面积，并与基准值进行比较，可以判断出通流部分发生故障的类型、位置及劣化程度。利用特征通流面积进行汽轮机通流部分的故障诊断时，确定诊断指标的基准值是其中一项重要的基础工作。只有在保证基准值精确的前提条件下，将级组的实测值与基准值进行比较，才能准确判断通流部分的工作状态。在实际运行中，汽轮机通流部分各级组的特征通流面积变化规律有所不同。根据其变化特点，可将汽轮机通流部分分为调节级、中间级组和末级，对这三段分别采用不同的方法进行分析，确定准确的基准值。1级组通流能力诊断指标与通流部分故障诊断模型11通流能力诊断指标对于凝汽式汽轮机，当级组内流动未达到临界状态时，级组前后的蒸汽参数与流量之间满足弗留格尔公式PPO。XTO11E11GPO11一S、式中，G为级组蒸汽流量，KGS；P。为级组进口压力，MPA；TO为级组进口温度，K；表示级组前后压力之比，P2P。，P为级组出口压力；G、PTO、分别表示变工况后级组蒸汽流量、进口压力、进口温度和压力比。将式1两边变形，可得到一F，、PO,1一POL,1一因此，定义特征通流面积的表达式为F一3兰兰PN1一S收稿日期20130502基金项目湖南省职业院校教育教学改革研究项目ZJB2012067。作者简介席莉1982一，女，河南偃师人，硕士研究生；指导教师李录平教授；研究方向动力机械状态监测与故障诊断。第2期席莉等汽轮机通流能力诊断指标基准值的确定方法L29对于同一级组，当几何参数不变，特征通流面积保持为常数；当通流部分出现故障时，级组的通流能力发生变化，特征通流面积也随之改变。因此，可用特征通流面积来表征级组通流能力的大小及变化。12通流部分故障诊断模型利用特征通流面积来诊断汽轮机通流部分的故障时，其数学模型可用特征通流面积偏差率来表示6，100464式中，为级组特征通流面积的偏差率；F为级组特征通流面积的实际计算值；为级组特征通流面积的基准值。根据某个级组的占F变化大小可判定级组故障的严重程度。因此，确定特征通流面积的基准值，是准确诊断通流部分故障的基础和重要条件。2诊断指标基准值的选择方法选择不同的基准值，所得到的对比结果也不相同，可以根据不同的研究目的选择对应的运行工况参数来确定基准值。21根据设计和试验工况选择基准值1基准工况选为设计工况的理论值选择设计工况的理论值作为基准值，通过比较实际值与理论值的差异，可以判断机组实际工况下的通流性能偏离理论值的程度。如果指标的实际值大于基准值，则说明级组的通流性能达到或优于设计要求。相反，如果实际值小于基准值，则说明级组的通流性能没有达到设计要求。2基准工况选为热力性能试验工况的试验值由于汽轮机制造安装后的实际参数会与设计参数有所差异，对于新投产机组和技术改造后的机组，为了获取机组的实际热力性能指标都必须在规定的运行工况下进行热力性能试验。选择机组的热力性能试验工况作为基准工况，通过计算实际值与试验值的差值，可以得到级组当前通流性能相对于实际无故障工况的变化量，对变化量进行监测，可以判断级组是否发生故障。22根据额定负荷和部分负荷选择基准值1基准工况选为额定负荷的运行参数机组在额定负荷下运行的效率最高，如果选用额定负荷作为基准工况，可以说明机组在大范围变工况时通流性能变化的平稳性。在一定的负荷条件下，实际值与基准值偏差越小，则说明级组的通流性能变化越平稳。2基准工况选为部分负荷的运行参数选用不同负荷下的参数作为基准工况，可以表征级组不同负荷下通流能力随时间变化而偏离基准值的大小，可用来诊断各级组通流性能随时间的劣化程度。23根据投产运行的时间选择基准值1基准工况选为刚投产时的参数机组刚投产时，汽轮机通流部分各部件是完好无损的，选择此时的参数作为基准工况，可以反映出级组现在的通流能力与投产时的差别。2基准工况选为运行一段时间后的参数随着机组服役时间的延长，通流部分在汽流的长期作用下会发生改变，为了能够准确监测级组通流部分的运行状态，基准值应选择最近一次检修后的参数。3调节级特征通流面积基准值的确定方法调节级特征通流面积基准值的确定与运行方式有关，即机组采用定压运行还是滑压运行。采用滑压运行时，调节阀门的开度不变，通过调节主蒸汽的压力来改变负荷；采用定压运行时，主蒸汽的压力和温度保持不变，通过改变调节阀门的开度来调整进入汽轮机通流部分的蒸汽流量，从而改变机组负荷。在不同的运行方式下，调节级的热力特性不同，特征通流面积的变化规律也不相同。机组滑压运行时，调节级的特征通流面积的变化规律与中间级组相同，其基准值的确定可以采用中间级组的基准值确定方法；定压运行时，特征通流面积的变化与负荷有关如图1所示，为了得到调节级特征通流面积在不同负荷时的基准值，可以选择实际主蒸汽流量与设计主蒸汽流量的比值为自变量，利用最小二乘法拟合得到调节级特征通流面积基准值的计算公式FRFN01185X一01107X1018X一00265式中，表示调节级额定工况时的特征通流面积。褂JILLJ图1定压运行时调节级特征通流面积偏差率与负荷的关系曲线表1中列出了300MW和600MW机组定压运行时调节级特征通流面积在几种不同负荷下的计算值和公式拟合值，对比两组数据发现，拟合值和计算值的误差非常小，可以满足工程需要。因此，可以用式5来确定定压运行时调节级特征通流面积的基准值。表1定压运行时调节级特征通流面积计算值和拟合值的对比130汽轮机技术第56卷4中间级组特征通流面积基准值的确定方法研究表明，汽轮机负荷从100至30较大范围内变化时，中间级组的特征通流面积基本不变，即负荷变化时，中间各级组的通流部分几何尺寸没有发生改变，特征通流面积保持不变。因此，可将中间各级组特征通流面积在不同负荷时的平均值取为基准值，作为故障诊断的评价基准。在热力试验和实际运行过程中，为了监视汽轮机的运行状况，在各蒸汽段的主要位置都布置了压力测量仪表和温度测量元件，通过各级组的蒸汽压力和温度可以直接测得。但是，汽轮机中不可能布置流量测点，要想直接获得通过中间各级组的流量存在困难，只能由热平衡得到各段回热抽汽流量，再根据流量平衡计算得到通过各级组的实际流量。按照汽轮机热力性能试验的要求，通常采用主凝结水流量作为试验的基准流量，在进入除氧器的凝结水管道上安装流量测量装置进行测量。给水流量则通过对1、2、3号高加及除氧器的热平衡和流量平衡计算求得，再由给水流量和各段抽汽流量、过热器、再热器减温水流量及系统不明泄漏量计算主蒸汽流量和再热汽流量等。41高加与除氧器的进汽量计算汽轮机各段抽汽流量的计算需要以回热加热器的能量平衡式为基础，以如图2所示的某600MW机组为例，运用易于编程的矩阵算法来分析求解。图2某6OOMW凝汽式机组回热系统局部简图图2中，D表示I段抽汽流量，D、D、D分别表示给水器的进汽量和给水流量，在此基础上，可由下面各式求得到流量、凝结水流量和减温水流量；H表示I段抽汽比焓，H和主蒸汽流量、再热蒸汽流量和通过一、二、三、四级组的蒸汽表示I级加热器出口水比焓和疏水比焓，表示除氧器出流量。口水比焓，表示凝结水比焓。1主蒸汽流量计算为了便于热力系统计算，将加热器的蒸汽放热量、给水DNDD，9焓升和疏水放热量分别表示为Q、R，对于疏水自流式加式中，D6为主蒸汽流量，TH；D为给水流量，TH；D为过热热器，其表达式为器减温水流量，TH。如果过热器减温水从最终给水管道处抽QHIHDI、H一H6RH一H“1J对于汇集式加热器，其表达式为QIHI11H一H17RH一H“L1J第四段抽汽中一部分进入小汽轮机，一部分进入除氧器，D仅表示进入除氧器的蒸汽流量，进入小汽轮机的蒸汽流量放到级组的流量平衡计算中进行考虑。高压加热器和除氧器的能量平衡方程式和流量平衡方程式可写成矩阵方程AXT，变换为XAT8其中，AQ1000一R12Q200一R233Q30一3444G4一JR411111X，T000D目JR4D目一D通过式8的矩阵计算，可以求得3个高压加热器、除氧出，则给水中包含了减温水，因此主蒸汽流量等于给水流量。2再热蒸汽流量计算DDOD一DLDLD2一D艘DRF10式中，D为再热蒸汽流量，TH；D为高压门杆漏汽量，TH，门杆漏汽包括主汽门、调门的总漏汽量；D为高压前轴封漏汽量，TH；DGAI高压后轴封漏汽量，H；D为第一段抽汽流量，TH；D为第二段抽汽流量，TH；D，为再热器减温水流量，TH。3通过各级组的流量计算LD0一DG一D1一DD一DGDGD一D3式中，为通过第I级组的蒸汽流量，TH；D为第I段抽汽流量，TH；DG3为高压前轴封漏汽至中压缸流量，TH。42低压加热器的进汽量计算由于凝结水流量已知，可以从压力最高一级的低压加热器开始，根据各加热器的能量平衡方程，逐级向后计算进汽量。第2期席莉等汽轮机通流能力诊断指标基准值的确定方法1311五号低压加热器进汽量警2六号低压加热器进汽量D6二丛F13Q3七号低压加热器进汽量NDH一H勰一D5D6H一H一一一一二二14Q74八号低压加热器进汽量D盟二F15Q0忽略轴封加热器对给水焓值的影响，最末级加热器入口水焓值等于凝结水焓值，即HH。通过低压缸各级组的流量分别为DD碑一D4DG、一D5【16DD一D6IDL盘D日一D1|式中，D为通过第I级组的蒸汽流量，H；为第I段抽汽流量，H；D为高压后轴封至中排流量，H。式12一式16是计算低压加热器进汽量和通过各级组蒸汽流量的通用公式。用它们进行计算的前提条件是，公式中除了进汽量以外的其它参数均已知。在进行最末两级加热器的能量分析时，末级抽汽和次末级抽汽可能是湿蒸汽，不能通过测量压力和温度直接得到抽汽焓，给低压加热器抽汽流量的计算增加了难度。43湿蒸汽区抽汽焓值的确定按照汽轮机试验规程的规定，通过测量的蒸汽压力和温度确定焓值时，蒸汽过热度至少为15。位于饱和区和湿蒸汽区的蒸汽低压缸排汽和最末两级抽汽一般只布置压力测点，其焓值可以通过其它方法确定，如测量湿度或通过能量平衡计算确定。由于目前尚不具备在线测量湿蒸汽湿度的条件，当低压缸的抽汽及排汽处于