（工程热物理专业论文）火电厂单元机组变负荷运行方式热经济性分析.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 汽轮机低负荷运行是普遍存在的现象，低负荷下最优运行方式的选择一直倍受 争议。本文在对汽轮机调节级变工况理论深入研究的基础上，有效的简化了调节级 效率的计算方法;分析了 多年来人们在寻找机组最佳运行方式时的局限性，并在对 汽轮机热力系统进行详细计算基础上，建立了喷嘴配汽汽轮机最优运行初压的计算 模型。 该模型的建立为实现火电厂的最优控制提供了 基础，对火电厂最优经济运行 有明确的指导意义 。 关键词:汽轮机，调节级，最优初压，变工况，运行方式 abs tract i t s p o p u l a r f o r t h e s t e a m t u r b i n e t o o p e r a t e u n d e r a l o w l o a d , b u t f o r m a n y y e a r s , p e o p l e c o u l d n t a g r e e w i t h e a c h o t h e r o n t h e p o i n t o f t h e o p t i m a l o p e r a t i o n m o d e f o r t h e u n i t , a n d u p t o n o w , t h e r e i s n t a n a u t h o r i z e d c o n c l u s i o n . i n t h i s t h e s i s , b a s e d o n t h e r e s e a r c h o f o f f - d e s i g n c o n d i t i o n t h e o ry f o r t h e s t e a m t u r b i n e r e g u l a t i o n s t a g e , i t s i m p l i f i e s t h e c a l c u l a t i o n o f t h e e f f i c i e n c y . t h i s t h e s i s a n a l y s e s t h e l i m i t a t i o n w h e n p e o p l e r e s e a r c h t h e o p t i m a l o p e r a t i n g m o d e , a n d t h e o p t i m a l i n i t i a l s t e a m p r e s s u r e c a l c u l a t i o n m o d e l f o r t h e n o z z l e g o v e r n i n g s t e a m t u r b i n e i s f o u n d e d o n t h e b a s e o f d e t a i l e d c a l c u l a t i o n f o r t h e s t e a m t u r b i n e t h e r m a l s y s t e m . t h e m o d e l s u p p l i e s t h e b a s e t o r e a l i z e t h e p o w e r p l a n t o p t i m i z i n g c o n t r o l a n d i s u s e f u l t o d i r e c t t h e o p t i m i z i n g o p e r a t i o n f o r t h e c o a l - f i r e d p o w e r p l a n t . l i y o n g l i n g ( e n g i n e e r i n g t h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e d b y p r o f . z h a n g c h u n f a ke y wo r d s : s t e a m t u r b i n e , r e g u l a t i o n s t a g e , o p t i ma l i n i t i a l s t e a m p r e s s u r e , o f f - d e s i g n c o n d i t i o n , o p e r a t i n g mo d e 声明 本人郑重声明: 此处 所提交的硕士学位论文 火电 厂单元机组变负荷运行方 式热经济性分析 ， 是本 人在华北电力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行 的 研究工作和取得的 研究成果。据本人所知，除了文中 特别加以标 注和致谢之处 外， 论文中 不包含其 他人已 经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电 力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同 志对本 研究所做的 任何贡献均已 在论文中 作了明 确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名: 日期 : 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电 力大学有关保留、 使用学 位论文的规定，即:学校有 权 保管、 并向 有关部门 送交学位论文的原 件与复印 件; 学校可以 采用影印、缩 印 或其它复制手段复制并保存学位论文; 学校可 允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以学 术交流为目 的， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以 用不同方 式 在不同媒 体上发表、 传播学 位论文的全部或部分内 容。 ( 涉密的学 位论文在 解密后遵守此规定 ) 作者签名: 日期: 导师签名: 日期: 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 选题的背景和意义 能源是人类赖 以生存和推动社会进步的重要的物质基础。在人类当今所使用的 能源中，大约有百分之九十九的 来自煤炭、天然气、石油等化石矿物资源， 这些资 源在地球上的储量是有限的， 而且是不可再生的。 现有的资料表明 1 : 到 1 9 9 9 年末， 我国已 探明的煤炭储量为 1 1 4 5 0 0 x 1 护吨，占 世界总煤炭储量的 1 1 . 6 %，占 我国化 石矿物资源总量的比 例的9 0 %，因而，煤炭是我国的最主要的一次能源。 火力发电厂既是产能大户，又是耗能大户。 近年来，尤其是改革开放以后，我 国的电力工业得到了 迅猛的发展。 到 2 0 0 0 年底， 我国发电 设备总装机容量为 3 . 1 9 3 亿 k w，其中火电装机容量为 2 . 3 7 5亿 k w，火电容量占到总容量的 7 4 . 4 9 6 ，并且火 电机组基本上都是燃煤机组。目 前，我国是发电总装机容量和总发电量均为世界第 二位，但是，我国的 人均装机容量仅仅为 0 . 2 5 k w不到世界人均水平的一半。按照 我国电力工业发展的总目 标: 2 0 0 5 年发电 装机容量将达到 3 . 5 5 亿k w , 2 0 1 0 年发电 装机容量将达到 4 . 5 亿 k w ， 预计到2 0 5 0 年我国装机容量将达到 1 6 亿 k w ， 其中火力 发电 机组仍将占总装机容量的6 0 %以上【 2 , 3 , 4 3 。因此，我国以煤为主的能源消费格局 在 比较长的一段时间内不会改变。 但是应当看到，虽然我国发电总装机容量和总发电量均为世界第二位， 但其能 耗水平却不容乐观。 有资料表明，到 2 0 0 1年底，我国火电厂平均供电标准煤耗为 3 8 5 g / k w h ， 而国 际同 期 先进 水 平仅为 3 1 7 g / k w h u , 6i 。 我国 的 产值能 耗是世界 上产 值 能耗最高的国家之一。火电厂是一次能源耗费大户，提高火电厂的经济性，既是火 电企业自 身降低成本的需要，也是全国一次能源生产、运输和节约的大事，更关系 到整个国民经济的可持续性发展。以 2 0 0 0年为例，如果全年平均供电煤耗下降 l o g / k w h ， 则全年可节约标准煤 1 1 0 7 . 9 万吨，占到全年煤炭总产量的 1 . 5 5 %。由 此 可见，火力发电厂的节能潜力是巨大的。节能工作的经济效益和社会意义是不可估 量的。 由上面的分析可以 看到，火电厂节能工作理应成为国民经济发展的一项长期战 略任务 ，是实现可持续发展的一个重要环节。因此，我们要坚持 “ 资源开发与节约 并举的思想，把节约放在首位，依法保护和合理使用资源，实现永续利用” 。根据 这一 思想， 要 达到 在 “ 十五” 期 间火电 厂 供电 煤耗下 降 到3 8 0 g /k w h ， 火电 厂节能 降耗工作应从以下几个方面采取相应措施: 1 )通过对机组热力系统进行详尽的分析计算，进一步优化运行参数，使其 能够在最佳的状态下实现安全、经济运行【 卜 . : 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 )对火电机组主要设备的运行性能进行在线监测，以便找出导致机组设备 经济性降低的原因和部位， 指导运行人员进行运行调整，实行机组的状态维修，提 高 其 可 用 率 e, to, iq ( 3 ) 研究和开发节能设备，进一步挖掘设备的节能潜力。 ( 4 )加强对节能工作及设备维修工作的管理u z 因此，进行热力系统的分析与计算，优化其运行参数是实现火电厂节能降耗的 基本工作之一，也是在设备目前的状况下实现能源节约的一个行之有效的方法。 近几年，我国的电力工业得到了长足的 发展，长期严重缺电的局面得到了基本 缓解，国民经济和社会发展对电力的需求得到基本满足。随着我国电力工业电源容 量的增加和用电 侧负荷峰谷差的增大，大型火电机组经常处于低负荷工况下运行。 随之而来的问题是:低负荷下机组的能耗特性发生变化，运行方式发生变化，按照 机组额定工况条件设计的运行方式一般不能适应低负荷工况下安全经济运行的需 要。这就迫切需要研究机组在低负荷下的能 耗特性，以 机组节能降耗为目 标，设计 低负荷工况下的在线性能分析系统，选择最佳的运行参数，以达到机组在额定负荷 与低负荷下经济运行的目的。 汽轮机热力系统是火电机组的一个重要的组成部分，它的经济性在很大程度上 决定了整个火力发电厂运行的经济性，负荷变化时，汽轮机热力系统的经济性要发 生很大的变化。因此，把汽轮机热力系统作为整个火电厂低负荷能耗特性研究的核 心是很有现实意义的。 1 . 2 课题的国内外现状 火力发电厂节能降耗是多年来国内外十分重要的一个研究领域。 美国电科院 ( e p r i ) 研究 所指出， 机组 实际 煤耗 率高出 设 计煤 耗率 至少6 0 g 标准 煤 / k w h ， 因 此 把电厂节能降耗列为仅次于四管爆破的第二大研究课题。 电厂煤耗偏高的原因多种多样，可以分为四大类:系统原因、设备原因、运行 环境及运行方式。前两种只能通过系统和设备的改造完成，运行环境一般是不可以 改变的，只有运行方式可以随时进行调整。 9 0 年代以前， 我国发电量供不应求， 主 力机组承担基本负荷，绝大部分机组长期在额定负荷下运行，无所谓运行方式的选 择。因此有关运行方式对能耗影响的研究不多，一些研究也只是定性的，另一些研 究也只限于试验资料。 对这些资料进行比 较， 我们发现存在着截然相反的两种观点: 一种观点川 认为:如果单纯从热经济性上考虑，初压为临界压力以下的机组，都不 宜采用滑压运行。这是因为虽然初压较低时机组内 效率较高，再加上给水泵耗功减 少带来的收益也不足以抵消循环热效率降低带来的损失。另一种观点 1 4 1 认为:虽然 华北电力大学硕士学位论文 变压运行在低负荷时相当于降低了蒸汽初参数，使机组热效率有所降低，但由 于给 水泵耗功以及节流损失的减少，仍使机组效率提高。 就目前的情况看，无论国内还是国外有关这方面的 研究都存在以下几个方面的 问题: ( 1 )研究都是定性的，还不能定量描述。适用负荷范围内， 运行方式对能耗 影响的数值尚无方法进行准确的确定。上述一些研究结果都是在某些特殊条件下导 出的，因此存在一些结论相反的观点并不奇怪 。 ( 2 )机组初压不同，运行方式对能耗影响的规律就不同。一般来说超临界机 组滑压运行的优势更为明显。机组初压越低，定压运行的优势越明显。 ， 不同机组循 环热效率对能耗的影响需要定量研究。 3 )滑压运行优势的一个方面在于节省泵功。在变工况时泵的效率也是变化 的， 不同机组、不同负荷、不同 运行方式对给水泵能耗的影响以及对系统的影响需 要深入的分析。 ( 4 )滑压运行优势的另一重要方面在于汽轮机的内效率能保持较高的数值， 但不同的机组、不同负荷其内效率也不同， 这不仅需要理论分析，而且需要试验才 能确定。 ( 5 )运行方式会影响再热汽温。再热器欠温、再热器喷水减温对能耗的影响 较大。此项能耗偏差属于运行方式对能耗的影响，在目前的一些分析中该项能耗偏 差未计入运行方式对能耗率影响的因素，因此，得出的结论是定压运行更有节能优 势，这是不全面的。 运行方式对能耗的影响是以上各种原因的综合结果 。由于机组系统的复杂性以 及设备设计的特殊性，使得单纯的理论研究非常困难。因此，必须用理论和试验相 结合的方法才能更好的完成本项目内容。 由于目 前对火电 厂低负荷能耗特性研究的还不够深入，研究结果有时是相反的 规律，因此无论国内 还是国外都没有出现低负荷节能运行、特别是节能最优控制方 面的有关报导。 1 . 3 论文的主要研究内 容 本论文以大唐盘山发电厂 3 号机组汽轮机热力系统为研究对象，以热力发电厂 热力系统状态方程为计算基础，以 确定汽轮机最优运行初压为主要目 标，主要研究 如下三个方面的内容: 1 、建立火电 厂热力系统热经济性状态方程。该方程以最可靠的系统信息 ( 如 温度、压力等) 来确定机组当前能耗;对于不能 直接测量的参数，如汽轮机尾部湿 华北电力大学硕士学位论文 度，要采用变工况计算。 2 、深入研究汽轮机调节级变工况计算理论，简化调节级效率的计算方法。汽 轮机调节级的变工况，因需计算通过全开调节阀和部分调节阀两部分汽流而使计算 变 得复 杂。 通常需 要借 助制 造厂家 提供 的 调节 级特 性曲 线， 主 要包 括,u - c , 。 二 一 e 及y7 v - x , 等曲 线 对调节 级 进行计 算。 本文 将就 调节级 特 性曲 线以 及效 率的 计算 部 分 做一些探讨。 3 、确定汽轮机的最优运行初压。正如前文所述，到目 前为止， 对于汽轮机在 低负荷时以 何种方式运行更为经济还没有一个确定的结论。一般情况下，汽轮机在 出厂时都给出了 一个滑压运行曲 线，运行人员一般也是严格按照这个曲线控制主蒸 汽的压力。但这样做是否合理，汽轮机制造厂家所给 出的滑压运行曲线运行是否经 济性最佳 ，这需要进行商榷 。 机组运行时可以 选择不同的 运行方式 ( 定压还是滑压) 、 在同 一运行方式下可以选 择不同的 初压。 多年来， 人们在对机组运行方式的合理选择上一直争论不 休， 但本文认 为， 单从经济 性角度看讨论机组的运行方式是不必要的， 原因是确定机组运行方式的实 质就是 静态的确定机组的 运行初压，是企图 把一个在确定的 运行环境 ( 不包括负荷) 、 设备状况下确定的主汽压- 负荷曲线应用到所有的 运行环境、所有的设备状况下去， 企图“ 以 不变， 应万变” ，这样做的弊端是显而易 见的。 本文摒弃了 对机组运行方式的 讨论， 把问题的重心放到确定机组在当 前运行状况下 的最优运行初压上来， 研究 汽轮机热力系统实时的最优运行参数。 在汽轮机中，主蒸汽 压力是一个最为重要的参数， 也是允许的变化范围比较大的 一个参数。 与主蒸汽压力选 择密切相关的 是调节级的内 效率特性、 过热器的调温特性、 再热器的调温特性、给水泵 的变工况特性和系统结构及设备状态。 本文就是在综合考虑了 这些内容的 基础上， 确定 汽轮机最优运行初压，并确定与汽轮机初压密切相关的一系列的机组设备的运行参数。 华北电力大学硕士学位论文 第二章计算理论基础 2 . 1 常用的热力系统分析方法 近十几年，研究、分析、改进循环的有关专著作或论文越来越多，有较大影响 的 是 热 力 发 电 厂 (161 火 电 厂 热 力 系 统 节 能 理 论 cle7 电 厂 热 力 系 统 节 能 分 析 原 理 c v 1 节 能 原 理 g 6 7 . 国 外 代 表 该 领 域 的 主 要 论 著 有 s t e a m t u r b in e a n d t h e ir c y c l e ) ” ， 、 ( a g e n e r a l t h e o ry o f t h e r m o d y n a m i c ) xo . 目 前 有 关 节 能 降 耗 系 统 软 件 的开发模型是基于这些论著的基本思想而进行的。这些论著在一定程度上反映了热 力系统节能理论的前沿。以下概述这些论著在电厂节能理论及分析方法特点. 热力发电厂是 5 0年代由 前苏联引进的教材，在电站系统分析计算时，采 用逐级热平衡法串联求解抽汽量，从而确定系统的汽水分布，并利用功率方程及吸 热方程最终求解系统的热经济性指标。概念清晰，数值求解方便。但不便于分析局 部热力系统变化对热经济性的影响。原因是:5 0 年代初矩阵理论的应用尚不普遍， 对加热器从高压到低压逐级求解抽汽量时，其热平衡方程变得越来越复杂， 尤其最 末级，电 厂全部辅助系统( 如轴封汽、门杆漏汽、排污回收利用、喷水减温、厂用 汽等) 对其热平衡方程均有影响，因此难 以写出其解析式。 火电厂热力系统节能理论中的基本思想是 7 0年代由前苏联库兹涅左夫提 出， 后经我国学者逐步完善，形成了一套严密理论。其特点是可以 直接分析计算系 统局部改变对热经济性的影响， 对于定量查找系统的能损分布特别有力。虽然该系 统已进入系统分析问题的核心， 但是概念复杂， 特别是在应用时需要技巧。 电厂热力系统节能分析原理和 火电 厂热力系统节能理论中的思想方法 有较大差别， 但也能很好地解决局部定量分析这一难题。其不足之处仍是概念多， 公式复杂，不便于推广使用。 热力系统a m 分析及 节能原理以热力学第二定律的 火 用 分析方法为基础. 创 门 的共同贡献是明确定义了a m 的 基准态，解决了燃料朋 、化学a m 、工质a m 的计 算问题，但所涉及到的系统较为简单，不能解决复杂系统的能损分析。 西 班牙 学者v a l e 。 在论 文 a g e n e r a l t h e o ry o f t h e r m o d y n a m ic ) 中首 次应 用第 二定律分析方法研究复杂系统，对象是6 0 0 m w机组主系统。作者定义了子系统火 用 效率， 然后用复杂的矩阵理论， 导出了系统的 a m 效率. 这种方法中需对高阶矩阵用 符号计算机求逆阵， 这种计算机是分析推理型计算机，目前市场上少见，因此其基 本思想运用及发展受到限制 。 由以上分析可知， 目 前的热力系统分析方法，无论是第一宁律分析还县第-q ! 华北电力大学硕士学位论文 律分析，都是以 热力学定律为基础的，均属于系统的静态分析。即使是静态分析方 法，也滞后于其它一些学科， 例如信息系统的分析，电力系统的分析等。 系统是为了 达到某种目的而由多种设备或硬件组合起来的整体。系统的状态是 某一瞬时系统的 物理状况.系统的状态参数是描述系统状态的宏观物理量。 系统的 状态方程是使系统的目标值有唯一解的系统状态参数间相应关系的方程。如果热力 系统的研究，采用了 这些以及其它一些系统工程、信息工程的研究方法，并利用近 代数学，则可使研究过程大为简化，可能发现得出更为普遍的规律。 华北电力大学张春发教授在总结前人研究成果的基础上，突破了热力学第一定 律和热力学第二定律的禁锢，开拓性的把系统工程的思想引入到电厂热力系统分析 中来，结合矩阵理论，建立了反映火电厂热力系统拓扑结构的火电厂热力系统汽水 分布方程 2 1 1 和反映火电厂热经济性的火电厂热经济性状态方程 2 2 1 ，它们能够方便的 应用于电厂热经济性的计算、分析与综合，为火电厂热力系统分析提供了新的理论 基础和研究方法。 2 . 2 热力系统热经济性状态方程 系统工 程2 3 是 一种 对 所有系 统都 具 有普遍 意义的 科 学方 法。 热力 发电 厂是为 了 高效燃煤产电而由许多设备如锅炉、汽机、凝汽器、加热器用管道、阀门联系在一 起的有机整体。电厂热力系统是一个复杂的人工系统，因此可以用系统工程方法研 究电厂热力系统。系统工程中，研究系统的一个重要方法是建立系统的状态方程， 文献 2 2 ,2 4 针 对火电 厂 热力系 统建 立了 反映 火电 厂热 力系 统热 经济 性的 状态方 程. 2 . 2 . 1 热力系统状态方程 为了叙述方便， 记第 l 级抽汽量为d , 、 抽汽比烩为 h , 、 第 i 号加热器出口水比 怡为h . , 、 疏水比烩为 h a , .其它各处汽、 水比烩下标原则上与图 ( 2 - 1 )中所示流量 的 下 标犷 应。_ 此外，为叙述方便、结果简洁，还定义了以下术语: ( 1 ) 抽汽放热量: 对于疏水自 流面式加热器: 9 , = 权 - h d , ， 对于汇集式加热 器: 9 , = h , 一 h.(,+1) ( 2 ) 疏水放热 量: 对于 疏水自 流 面式 加热 器: y , = h d (,a ) - h d , ; 对于 汇集式 加热 器y , = h d (,- 1 一 h . (,+ 1) ; ( 3 ) 给 水比 焙 升: r , = 气- h.(,+1) ; 给 水泵烩 升指给 水 泵出口 水和 进口 水的比 烩 差) 。 按 照文 献2 2.24 ) 中 的 构 造原则， 盘山电 厂3 号 机组热 力系 统的 状态 方 程如式( 2 - 1 ) 所 示( 参 考图2 - 1 ) ， 上 述 方 程 简 记 为 : a i d + 畴卜1- r ， 本 文 给出 的 状 态 方 程结 构 6 华北电力大学硕士学位论文 与系统的结构 图同构，根据系统图可直接写出状态方程。 + ，.1.，.，.月，.月 + d fi 几几鸣鸣几几几d. t.11.es.1 乳 价y， 乳乙y 乳y入rs 叭几几介几 外乙几几升几 乳九入几几几几 队尸协卜以口尸卜卜匕 0 0 d ft ( h ft 一 h l ) d n (h f 一 h , ) 十 d fl ( h f : 一 h , ) 一 d . (h , 一 h , ) 0 0 0 d a (h p 一 h _ 卜d , 、一 h - ) 十 2 d o ( h j , 一 h _ ) + 2 今 ( 兮 一 h , ) + 丐 。 ( 标: 一 h - ) ( d o + d 一 d ) r , ( d o + d e , 一 d . . ) r , ( d o 十 d e , 一 d ) r , ( d o + d b , + d ,. ) r , ( d o + d e , + d) r , ( d o + d 8 , + d. ) t 6 ( d o 十 d b , + d fi r , ( d o 十 d b , + d r , (2 - 1) 2 . 2 . 2 热经济指标方程 与电厂热经济指标相关的方程包括内部功率 ( 汽轮机内 部轴功率)方程、工质 吸热量方程及循环效率方程， 用系统工程观点叙述， 它们是系统输入和输出的函数. 1 . 功率方程 对于只有再热， 无回热抽汽及轴封漏汽的机组，l k g主蒸汽 ( 主汽门前燕汽) 所 作的 功为h o + 。 一 k , h e 为主 蒸汽比 焙， h 。 为低 压缸 排汽 滞止恰，u 为l k g 工质在 再热器中的烩升。l k g蒸汽从高压缸离开汽轮机，因为该工质流未经过再热器，少 做的 功 为气十 ， 一 气 ， 从中 、 低 压缸 离开 汽轮 机， 少 做的 功为气- h :同 理: 对于有 回 热抽 汽的 汽轮 机， l k g 抽汽 从高 压缸 离开 汽轮 机少 做的功 为气 + 口 一 气 ， 从中、 低 压 缸离开 汽 轮机 少做的 功为h , - k. 记， 从 高 压 缸 离 开: 公= 气十 。 一 hc， 兀 。 二 h , + 。 一 h r ; 从中 低 压缸 离开:砂= h一 hc，兀 。 二 h , - k. 则内 部 功 方 程 可 写 为 : n = d o ( h o 十 o - h , ) 一 艺d ,补一 艺几砂， 或 者 是 : 二 一 。 。 ( * 。 + 。 一 。 。 ) 一 d , 坏 ， 一 d r h 峨 ， ( 2 - 2 ) 特别 注意， 离开 汽轮 机时d . 取 正值， 进 入汽轮 机时d s , 取负 值。 再 热器 喷水 减 温水 进入中 压 缸应以 负值 计 入d ., 内 。由 于在状 态方 程中，d , 已 经 计入从 i 级加热 器 抽 汽 管 路 离 开 的 辅 助 蒸 汽 马项 ， 因 此 在 d ., h 扮 1 中 不 再 包 括 马项 . 华北电力大学硕士学位论文 第三章调节级变工况理论 3 . 1 喷嘴调节与调节级的结构特点 目 前 ，发电厂的汽轮机中，喷嘴调节是应用的最为普遍 的一种配汽方法。 在喷嘴调节中，主蒸汽经过主汽门以 及若干个依次开启的调节汽门而进入汽轮 机，如图3 - 1 所示。 图3 - 1 喷嘴调节汽轮机示意图 假设 汽轮机有4 个调节阀门，正常运行时，主汽门是全开的，随着负荷由零逐 渐升高， 第 1 , 2 , 3 , 4调节阀 顺序开启，改变调节级的通流面积，从而使汽轮机 的通汽量增加，蒸汽经调节阀后，流向对应的喷嘴组，通常一个调节阀对应控制一 个喷嘴组。由于调节级的喷嘴分为若干个独立的喷嘴弧段 ( 即喷嘴组) ，所以调节 级都是做成部分进汽的。当只有一个调节阀开启时，因只有第 1 喷嘴弧段进汽，部 分进汽度最小，随着负荷的升高和第2 阀门的开启，则第 1 , 2 两组喷嘴同时进汽， 部分进汽度随之增大，其余阀门 依此类推。可见，在部分负荷下，只有通过未完全 开启调节阀的那部分汽流才受到节流作用， 而通过全开阀门汽流的节流作用己 很 小。 这与节流调节在部分负荷下全部进汽都受到节流作用是不同的。因此， 在部分 负荷下， 喷嘴调节汽轮机的经济性比较好， 比 较稳定， 这是喷嘴调节的主要优点(2 5 ) 由上可知，在分析调节级的工作原理时，必须分别讨论两部分汽流的工作:一 是通过全开调节阀的汽流，流量为g ，这部分汽流通过阀门时，阀后 ( 即喷嘴前) 的 压 力为写， 因 节流 损失 很小， p o 接 近于 主蒸 汽压 力; 另 一部 分是 通过部 分开 启 调 节阀的 汽 流， 流量为g ， 因 受到节 流作 用， 喷 嘴组 前的 压 力为p o ，调 节阀 开度 越 小， 节流 作 用越 大， p o 就降 得 越低。 这两 部 分汽 流在各自 的 喷嘴 和动叶 汽道内 膨 胀 到 调节 级室的 压 力p i ， 并 且在 调节级 室内 进 行混 合后， 流入以 后的 各个 非调 节级， 继续膨胀做功。如图3 - 2 所示. 华北电力大学硕士学位论文 只/，p o，d 州 w 从 叮 产 h 几 调节级的热力过程线 一沪91 -尸全，八j 混合后的比治降h 2 可由下式求得: h 2 = 黛+ g h z - g (h o - a h ,) + g (h o - o h ,) 一 、 一 ( a h ; + g a h .) ( 3 - 1 ) l i , 十 行一g一 l g g ) 式中， g ,g 口 分别为流过全开调节阀门和部分开启阀门的蒸汽量: g -汽轮机的总流量，g= 宁十 g 口 ; 州 ,形流经全开调节阀门 汽流在调节级的有效比烩降及级后比烩降; a h , , h 2 流经部 分开 启调 节阀 门 汽 流在调 节级的 有效比 烩降 及 级后比 恰降: 虽然调节级都做成是部分进汽的，但一般压力级都采用全周进汽，以提高汽轮 机的效率。为了实现这种过渡，通常，第一压力级的直径都小于调节级的直径，两 级之间的 直径差是导致调节级的余速损失未能被其后的压力级所利用的重要原因。 由于汽轮机的调节级做成部分进汽以及级的余速动能未被利用，使得在额定负荷 下，调节级的效率低于其后高压缸各非调节级。 3 . 2 调节级流动状态的分析 级内 喷 嘴叶 栅或 动叶 栅两者 之一 或 全部的 流 速达到或 超过临 界流 速， 就称该 工 况为级的临界工况，相应的流量为临界流量.临界工况的定义在许多文献中可见， 而级的临界压力概念和定义在目 前的文献中还没有见到。根据临界的意义，可认为 使级达到临界工况的最高背压称为级的临界压力。级临界压力与级前压力之比 称为 级的临界压力比。当级前参数一定时，级的临界压力有唯一确定的数值1 2 6 3 ，而级处 于临界工况时的级后压力不是唯一的，其背压为小于级的临界压力的任何数值。 华北电力大学硕士学位论文 对于 2 0 0 m w 及以 下的机组， 调节级的临界压力等于喷嘴亚临界、动叶恰为临界 时的级后压力:对于 3 0 0 m w及以上的机组，调节级的临界压力等于喷嘴恰为临界、 动叶亚临界时的级后压力2 6 3 。 用文献 2 6 中所提到的方法可计算得到，对于盘山电厂 n 6 0 0 - 1 6 . 7 / 5 3 7 / 5 3 7 - 1型汽轮机调节级喷嘴全开、定压运行时的级临界压力比为 0 . 5 4 0 1 ，当级的压力比小于计算得到的级临界压力比 0 . 5 4 0 1时，调节级为超临界 工况。 对于本文所涉及到的盘山电厂n 6 0 0 - 1 6 . 7 / 5 3 7 / 5 3 7 - i 型汽轮机调节级来说，由 于喷嘴先达到临界工况，因而在对调节级特性曲 线的计算过程中应对喷嘴部分的计 算分为亚临界工况与超临界工况按不同方法计算。众所周知，对于亚临界流动，汽 轮机变工况的相关资料上都有详细的计算方法，本文就超临界工况的喷嘴计算做简 单探讨 。 喷 嘴为 超临 界流 动时 ， 即 喷嘴 后 压力a小 于临 界压 力pie， 此时 喷嘴 膨胀 至喉 部 截 面时， 其压力 等于 临 界压力p ie ， 速度为 临界 速度c ,e ，由 于 存 在压差 ( p ie - a ) ， 故 蒸 汽在喉 部 之后 斜切 部分 继续 膨胀， 速度 增加 为c ; ， 超过 临界 速度c ,e ， 同时 汽 流 的 方向 偏 转一 个角度s , ， 称为喷 嘴 汽流 偏转 角. 汽流偏 转的 根本 原因 在于: 喉部 截 面之后继续膨胀的汽流是超音速汽流，超音速汽流膨胀时，比容的增大比流速的 增 大快，必须在渐扩通道内才能膨胀，在喷嘴高度变化不大而另一侧又有壁面阻挡的 情况下， 汽流只有偏向另外一侧才能扩大通流面积。在这种情况下，可以把喷嘴看 作一个不完整的缩放喷嘴，斜切部分相当于缩放喷嘴喉部之后的渐扩部分。 由 于调 节级 喷嘴 前参 数 ( 主 蒸汽 参数 扣除 主汽门 损失) p o - v ol 已 知， 在设定 喷 嘴后 参 数p i 后， 则喷 嘴压比e n = p t / 式可确定 ，临 界 速度c ,。 可由 式 ( 3 - 2 ) 确定。 c = k + lp ovo 司 k + lp ovo ( 3 - 2 ) sin(a, + 8,) - 觉唱sina, ( 3 - 3 ) k 了 1二 夏 k -ie 1- e k 。 一 。 。/、卜k - 1. k-1 丫 钵+1 人 1 一凡 k) ( 3 - 4) w , = v c j + : ， 一 2 c ,u c o s ( a , + s , ) a = a r c s i n ( c , s i n ( a , 十 s 0 i w , i 在己 知喷嘴压力比、蒸汽定嫡指数及喷嘴出口角， ( 3 - 5 ) ( 3 -6) 利用式 ( 3 - 3 )就可算出偏 华北电力大学硕士学位论文 转 角戊 ; 利 用式 ( 3 - 4 ) 确定喷 嘴出口 实际 速 度后 ， 便可确定 喷嘴出口 速度 三角 形以 及动 叶 进口 参数 的计 算， 其中月为动 叶进 汽角 。 在确定了 上述 参数后， 超临 界 工况 动叶的计算与亚临界工况相同。 3 . 3 调节级的通用特性曲线 3 . 3 . 1 调节级特性曲线的用途 在发电厂，汽轮机调节级的变工况计算，是汽轮机热力核算中最常遇到的问 题 之一。 调节级变工况的计算，要同时考虑两部分汽流的工作过程，即一部分是通过 全开调节阀的汽流，另一部分是通过部分开启调节阀门的汽流。而且在重叠度的范 围内，相邻两个调节阀都是部分开启的，两部分汽流都受到节流作用。另外，为了 改善蒸汽的流动性能， 提高级的效率， 调节级的动叶和导叶都设计成有少量反动度， 并且反动度的数值是随工况变化的。 由于以 上原因喷嘴配汽运行汽轮机调节级的变工况计算是比较复杂的，通常需 要借 助制 造 厂家 提供的 特性曲 线， 主 要包 括ji - e , 0 ， 一 及n . - x . 等曲 线。 利用 这 些曲线，就可以简便、准确地进行调节级变工况的计算。 但是，并不是所有的汽轮 机厂家都具备调节级特性的原始数据和 曲线的，在这种情况下，就要根据调节级的 原始资料 ( 包括汽轮机的蒸汽参数、调节级的几何结构及尺寸等) ，计算调节级的 特性数据，绘出特性曲线，而后根据他们进行变工况计算。 为解决计算中出 现的困难，本文在近似将工质视为理想气体的前提下， 应用一 种计算高压和超高压汽轮机调节级特性曲线的快速计算方法 2 5 1 ， 这种方法可以在微 机上进行计算，既提高了计算速度，又有较好的准确性。 3 . 3 . 2 调节级特性曲线的计算方法 计算调节级的特性时，为方便起见，通常假设:调节阀是全开的，阀门 后的 压 力端= ( 0 . 9 5 - 0 . 9 7 ) x p o ( p o 为主蒸 汽 压力) 取单位 喷嘴面 积 ( 即 1 c u ? ) 进行计算; 任意假设一系列喷嘴后压力药按顺序由级前向级后计算， 并要求通过 动叶的流量与喷嘴流量相等，由此可获得每个工况下的各种数据，根据这些数据， 就 可 绘出 f t - e , o ., - e 及ti. - x . 等曲 线。 现将计算中依据的主要公式讨论如下。 蒸汽通过喷嘴时的流动，是有磨擦损失的，这种不可逆流动可近似 由多变过程 描述如下: v , = y o 帆 / pl y “( 3 - 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 n = k一 p ( k . 一 1 ) (3 - 8) 同样，蒸汽通过动叶时的流动也可以由多变过程表示为: v = 叫 (a i p 2 ) 2 = v , (3 - 9) n 6= k b k b 一 y, 2 ( k k 一 1) (3 -1 0) 式中 各参 数的意 义参 考文 献【2 5 ， 由 于 计算 是以 单 位喷嘴 面积 ( l c m 2 ) 为 基准， 故 通 过 l c m z 喷嘴面积的临界流量为: g = 0 .6 4 8 x 石不。( 3 - 1 1 ) 由 此可得到通过 l c m 2 喷嘴面积的流量为 g = p . g -( 3 - 1 2 ) q . = 价 一 (e - 0 .54 6)21- 0.546 (3 -1 3) e= p i e 式 t/ rya 。 由 上面的 分 析可 知， 使 用这 种方 法就 可以 得到 滑压 运行时的 调 节级 效 率的具体数值。 表 3 - 5 :滑压运行时调节级效率计算结果 工 况 ( 滑压)7 5( 滑压 ) 5 0 % ( 滑压 )4 0 % ( 滑压 ) 设计值0 . 7 2 6 5 0 . 7 1 8 50 . 7 1 9 7 计算值0 . 7 2 7 90 . 7 1 40 . 7 01 相对误差 0 . 1 9 % 0 . 6 3 %2 . 6 6 % 利用上述方法先计算调节级特性曲线进而得到的调节级滑压运行时效率计算 结果见表3 - 5 所示。计算结果表明，调节级效率计算值与厂家给定工况图上所用调 节级效率相比， 相对误差较小， 也基本上能反映了变工况下调节级效率的变化规律， 符合实际工程计算的误差要求。 华北电力大学硕士学位论文 第四章汽轮机变工况运行参数的确定 参数的应达值是指在某一负荷下，设备运行正常条件下某一运行参数 ( 如主蒸 汽压力、真空等)在运行工况时应达到的最佳值 ( 或一个范围) 。当运行参数偏离 应达值时，系统将会造成各项能量损失。所以运行工况下主要参数应达值的确定， 有助于指导运行人员经济运行，并作为电厂能耗分析的重要依据和监视设备故障的 辅助手段。对火电机组进行经济性诊断，最重要的就是确定各种影响经济性因素的 应达值，若应达值确定不准，那么经济性诊断的结果就失去了意义和使用价值。 4 . 1 汽轮机通流部分的变工况分析 汽轮机的变工况热力计算，以精确程度分，有详细计算和近似计算两类。详细 计算以汽轮机逐级变工况计算为基础，其准确性、可靠性较高， 但计算繁杂，所需 原始资料繁多， 有时会因为原始资料不足而无法进行计算。 近似计算虽然不够准确 ， 但简便， 在机组的热系统变工况计算中，其精度也能满足要求，因在热系统的变工 况计算中不必要了解各级的变工况，故机组热系统的变工况计算所需的汽轮机变工 况拟采用简便的按抽汽口 划分级组的 近似热力计算方法. 在变工况的近似计算中，根据变工况中效率变化的程度，将汽轮机通流部分分 为调节级、中间级和末级( 或末段抽汽到排汽) 。在前面的章节中，重点分析了火电 厂调节级变工况，本章不再赘述。 4 . 1 . 1 中间级的变工况 “ 以 ” 汽 区 段 之 间 的 级 组 来 “ 论 的 各 中 间 级 ， 仍 ” 可 根 “ 会 _ _p otp o 式 ， 求 得 各 抽 汽压 力，即p , = .f (d ., ) . 当 认为 各中间 级级效 率不 变时， 可得到 变 工况后 各抽汽 状态点。 对于末 几段抽汽， 随 着抽汽区 段 之间级数的 减少，p / 几 的增 大， 这时 再使用 d , , d , = p o i 式， po 误差会增大 ，此 时可采用下式进行计算: d .i = p o _ t oo 厉s - c . ) l _行s, - e u l z d . p o n t o, v 1 - e . ) n - 1 - e .) ( 4 - 1 ) 式中， p o , p o ， 分 别为 变工 况前 、 后级或 级组 前的 滞止蒸 汽压力 : 为变工况前、 后级或级组前的滞止蒸汽压力:e , r e , ， 分别为变工况前、 t 00 i 瑞分别 后级或级组 华北电力大学硕士学位论文 压比; 级 或级组的 临 界压比 ;p ,， 第i 段抽 汽的 压力. 上式即为改进型弗留格尔公式，拓宽了原弗留 格尔公式的应用范围，改进了计 算精度。不仅可用于中间级的变工况计算， 而且可用于末几级，甚至末一级的变工 况计算。当然用于叶栅的变工况计算更为准确。 汽轮机在变工况运行时，其末几段抽汽可能会处于湿蒸汽区域，这时由于湿汽 损失的影响，级组效率的变化不能再忽略，需经湿汽损失的修正，如下式: 殊 =乳 2 x o + x , ( 4 - 2 ) ll dp 表 示不 考虑 干度时 的效 率， i d 包 括 湿汽损失 时的 效率，x p . x : 分 别为 级或 级 组前 、 后蒸 汽状 态点的 千 度。 在计 算中 首 先根 据上 式计 算出 设 计工 况下的17 d p ， 之 后 利用 计算出的、和上式 得到 变工况 后的效 率。 这样根 据改 进型 弗留 格 尔公式(28 7 和( 4 - 2 ) 式，可得到各中间级的状态点。 4 . 1 . 2 末级 ( 处于湿蒸汽区的级) 的变工况 变工况时，末级的流动状态会发生很大的变化，不仅存在亚临界( 或超临界) 状 态的变工况，而且可能会有亚临界向超临界( 或相反) 的变工况。相应引起末级的级 效率变化也比 较大，其中影响较大的有撞击损失、余速损失、湿汽损失的变化。这 样在末级级后的参数即排汽压力由 凝汽器的变工况计算求得，其级前参数根据改进 型弗留格尔公式得到之后，其级效率利用末级的特性 曲线通过拟合得到，从而最终 计算出末级变工况后的状态。如没有末级特性曲 线的资料，则需进行末级的详细变 工 况计 算， 参考 文 献27 中 提出 了 一种 简单的 汽轮机 末级的 详 细变工 况计 算方 法. 利用上述方法，可得到汽轮机通流部分各主要测点的状态，它们最终都可以表 示为 d o , 的函数。 4 . 2 加热器端差应达值确定 加热器端差是衡量加热器运行状态的重要指标，它直接影响回热系统的性能。 端差越小，机组运行的经济性就越好。 端差的大小主要与加热器本身性能有关，其 应达值来自 回热装置的变工况计算。当 机组工况变化时，各级抽汽压力随之变化， 各加热器的进出口水温也发生改变，从而引起各级抽汽量的变化。而抽汽量的改变 又反过来影响各级抽汽压力的数值。这样就使得加热器的变工况计算变得很复杂。 根据加热