（动力机械及工程专业论文）深度调峰下汽轮机最优控制参数基准值研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着目前电网峰谷差逐渐加大，发电机组调峰乃至深度调峰已经成为不争的事 实，故对汽轮机低负荷工况下快速准确地核算变得尤为重要。本文深入研究了汽轮 机热力计算理论，在此基础上建立了深度调峰下汽轮机最优控制参数计算模型，并 基于模块化思想，以某电厂6 0 0 m w 汽轮机组为研究对象，利用d e l p h i 平台开发 了计算程序。针对该机组进行了具体的深度调峰试验，验证了该模型的工程实用价 值。这为火电厂深度调峰下机组的经济、安全运行提供了坚实的基础和依据。 关键词：深度调峰，汽轮机，控制参数，基准值，数值计算 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，a st h ee n l a r g i n go ft h ed i f l f e r e n c e sb e t w e e nw a v ep e a k 龃dw a v ev a l l e y ， t h eu n i t sr e g u l a t i n gl o a da r l dt h ed e e pr e g u l a t i n gl o a dh a v eb e c o m eu r l a r g u i n gf a c t s oi t i sv e 巧i m p o i r t a n tf o rs t e a mt u r b i n e st oc a l c u l a t et h el o wl o a dw o r k sw i t hf a s ts p e e da n d h i g ha c c u r a c y o nt h eb a s i co fs t e 锄t u r b i n e st h e r m a lp o w e rc a l c u l a t i n gt h e o r y t h e c p t i m a lc o n t r o lp a r a m e t e rc a c u l a t i n gm o d e lo fd e e pr e g u l a t i n gl o a di sb u i hi nt i l i sp 印e r u s i n g 廿l eo b j e c to f6 0 0 m ws t e a mt u r b i n e s ，t h ec a c u l a t i n gp r o g r 锄i sd e v e l o p e db a s e do n m o d u l a rm i n da n dd e l p h ip l a t f o m t h r o u g ht h es p e c m ce x p e r i m e n to fd e e p r e g u l a t i n gl o a df b rt h i so b je c t ，i th a sb e e nv e r i f i e dt h ee n g i n e e r i n gv a l u eo f t h i sm o d e l i t p r o v i d e s as o l i db a s i sa n da c c o r d a n c ef b rs t e a mt u r b i n e s o p e r a t i n g s a f e l y a n d e c o n o m i c a l l y h 啪gh a i d o n g ( p o 、e rm a c h i l l ea n de n g i n e e r i l l 曲 d i “x 沌e db y p r o z h a n gc h u r l f i aa j ms e l l i o re n g i n e e rc h a n gs h u p i n g k e yw o r d s ：d e e pl o a dc h a n g i n g ，s t e a mt u r b i n e ，c o n t r o lp a r a m e t e r s t a n d a r d v a l u e s ，n u m e r i c a lc a l c u i a t i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着目前电网峰谷差逐渐加大，发电机组调峰乃至深度调峰已经成为不争的事 实，故对汽轮机低负荷工况下快速准确地核算变得尤为重要。本文深入研究了汽轮 机热力计算理论，在此基础上建立了深度调峰下汽轮机最优控制参数计算模型，并 基于模块化思想，以某电厂6 0 0 m w 汽轮机组为研究对象，利用d e l p h i 平台开发 了计算程序。针对该机组进行了具体的深度调峰试验，验证了该模型的工程实用价 值。这为火电厂深度调峰下机组的经济、安全运行提供了坚实的基础和依据。 关键词：深度调峰，汽轮机，控制参数，基准值，数值计算 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，a st h ee n l a r g i n go ft h ed i f l f e r e n c e sb e t w e e nw a v ep e a k 龃dw a v ev a l l e y ， t h eu n i t sr e g u l a t i n gl o a da r l dt h ed e e pr e g u l a t i n gl o a dh a v eb e c o m eu i l a r g u i n gf a c t s oi t i sv e 巧i m p o i r t a n tf o rs t e a mt u r b i n e st oc a l c u l a t et h el o wl o a dw o r k sw i t hf a s ts p e e da n d h i g ha c c u r a c y o nt h eb a s i co fs t e 锄t u r b i n e st h e r m a lp o w e rc a l c u l a t i n gt h e o r y t h e c p t i i i l a lc o n 缸d lp 扰吼e t e rc a c u l a t i n gm o d e lo fd e 印r e g u l a t i n gl o a di sb u i hi n 仳sp 印e r u s i n g 廿l eo b j e c to f6 0 0 m ws t e a mt u r b i n e s ，t h ec a c u l a t i n gp r o g r 锄i sd e v e l o p e db a s e do n m o d u l a rm i n da n dd e l p h ip l a t f o m t h r o u g ht h es p e c m ce x p e r i m e n to fd e e p r e g u l a t i n gl o a df b rt h i so b je c t ，i th a sb e e nv e r i f i e dt h ee n g i n e e r i n gv a l u eo f t h i sm o d e l i t p r o v i d e s as o l i db a s i sa n da c c o r d a n c ef b rs t e a m t u r b i n e s o p e r a t i n gs a f e l y a n d e c o n o m i c a l l y h 啪gh a i d o n g ( p o 、e rm a c h i l l ea n de n g i n e e r i l l 曲 d i r i 。c t e db y p r o z h a n gc h 曲a j l ds e l l i o re n g i n e e rc h a 【l gs h u p i n g k e yw o r d s ：d e e pl o a dc h a n g i n g ，s t e a mt u r b i n e ，c o n t r o lp a r a m e t e r s t a n d a r d v a l u e s ，n u m e r i c a lc a l c u i a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文深度调峰下汽轮机最优控制参数基准 值研究，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： 期：兰! ! 里! 三：! 乡 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：导师签名： 日期：圣! ! 量：! ：! 苎日期：圣! ! 翌：兰! ! 篓 兰j i 皇垄查堂亟主堂笪堡皇 第一章引言 1 选题背景和意义 近几年来- 我国电力生产以前所未有的速度迅猛扩张，电力装机容量从2 0 0 2 年底的3 6 亿千瓦提高到2 0 0 5 年底的5 1 亿千瓦( ”。但另一方面随着目前生产和生 活用电量的不断提高，用电结构也发生了很大的变化，全国电网负荷曲线的峰谷差 逐渐加大。电网运行的主要矛盾，已经由缺电正在向着在某个特定时期的调峰能力 不足转变。 以河北南网峰谷差变化来看，2 0 0 4 2 0 0 6 年，河北南同年平均峰谷差2 4 6 、3 0 3 、 3 6 3 万千瓦( 见图1 1 ) ，最大峰谷差分别为3 4 4 、4 5 9 、5 2 4 万千瓦( 见图1 2 ) 。 并且随着河北南网电力供应形势的缓和，河北南网的目负荷率和日最小负荷率都将 出现减小的趋势，峰谷差将进一步拉大，电网调峰的压力将更大。 夭；乏 = ；：；嚣；：嚣一4 8 5 两“ 圈卜1 河北南网近三年月平均蜂谷差图卜2 河北南阿近三年月最大峰谷差 全国的情况也是如此，最大峰谷率和平均峰谷率也在逐年增加，可以表明电网 对调峰的要求越来越迫切。 从长远的观点来看，最佳的调峰方案是大力建设一系列专门设计带中间负荷的 调峰机组，建设大型抽水蓄能电站、蒸汽一燃气联合循环机组，并加快建设全国连 网，充分利用我国幅员辽阔，东西时差和南北季节差所形成的错峰效应。但由于现 阶段我国的实际情况和电网自身的特点，对于国外的调峰手段尚没有形成较大的应 用范围【4 】。 目前阶段t 我国的火电占到总装机容量的7 44 咀上，并且预计到2 0 5 0 年我国 装机容量将达到1 6 亿千瓦，其中火力发电机组仍将占总装机容量的6 0 咀上【”。 由此可见现阶段乃至于未来相当长的一段时间内，调峰任务都将由带基本负荷的火 彰霆 一* 裟 攀 华北电力大学硕士学位论文 电机组承担。中小型火电机组由于受到厂用电、燃料和供热地区等众多因素的影响， 调峰能力有限，此外由于设计问题，主机、辅机均难以适应大幅度调峰运行的要求。 因此，目前调峰问题特别是深度调峰主要由大容量火电机组来解决。 早在九十年代我国能源部就明确规定【3 】：大型火电机组的调峰能力不应该低于 额定负荷的3 5 4 0 ，并且要求定期核定其调峰能力，明确最低出力等。 但是，目前深度调峰在我国仍没有引起足够的重视，尚缺乏深度调峰的相关研 究，许多电厂甚至缺少深度调峰下汽轮机基准值等重要的数据。 那么，为了深入了解大型火电机组在低负荷运行时的能耗特性、安全特性以及 寿命特性等等，进而有效地优化运行，快速准确地进行深度调峰下汽轮机基准值的 计算变得尤为重要。 1 2 课题的研究现状 汽轮机变工况的计算是了解机组运行情况、预测设备性能，乃至分析事故原因 的重要手段，同时也是火电厂节能工作的一个重要方面，可以通过计算进一步优化 运行参数，使其能够在最佳的状态下实现安全、经济运行【8 】。 目前国内外计算方法主要有以下几种： ( 1 ) 近似计算方法 常用的近似计算模型的一般做法是：抽汽压力计算采用原始形式的弗留格尔公 式，认为除调节级外的其它压力级在工况变动时效率基本保持不变；汽态线呈平行 移动的过程线；末级效率关联成末级机组平均湿度的函数，认为平均湿度每增加1 ， 效率就将下降l 等。这种方法通用性好，但从精度的要求来看是不够的。随着计 算机的快速发展和应用，对汽轮机变工况热力计算的逐级详细计算已成为可能，进 而更加能够体现出其准确性和可靠性高。 ( 2 ) 详细计算方法 汽轮机通流的详细计算以级为基础，目前级的计算中所采用的方法有两种：模 拟级法和速度三角形法，不同的国家根据自己具体的情况采用了不同的方法。 a ) 模拟级法 模拟级法是通过对与真实特性相似的模拟级进行热力模拟试验，得到有关因素 对效率影响的曲线或者计算模型，供计算机使用，由于那些与模拟级不完全相似的 汽轮机级，可以通过不同的系数加以修正，因此该方法既可以用于设计，也可以用 于变工况的计算。但是这种方法试验工作量很大，在我国没有被广泛使用。 b ) 速度三角形法 速度三角形法只研究平均直径基元级处的汽流参数变化规律，并建立起该处的 2 华北电力大学硕士学位论文 速度三角形，沿叶片高度其它基元级的汽流参数认为与平均直径处相同，由此可求 得级前后状态参数、汽流速度和级的功率、效率等数值。该方法在我国和其他一些 国家广泛应用，大量的文献、资料等也通用此法，因此是普遍接受的方法。 ( 3 ) 逐级计算方法 逐级计算，按照计算的方向有两种典型的计算方法：倒序计算和顺序计算。 a ) 倒序计算方法 倒序计算方法是由级后的状态为计算起点，向级前计算，并以级前状态点作为 下一级的级后状态，继续计算上一级，以此类推，由后向前，逐级进行计算。倒序 计算是比较经典的计算方法，但是由于倒序计算中一般是假设级的各种损失，如余 速损失、湿汽损失、摩擦损失、漏汽损失、撞击损失等，然后分别对这些损失进行 迭代，直到计算值与假设值相等或充分相近为止。由于多层次嵌套迭代，使得倒序 计算工作量极为繁重，即便使用计算机，其计算的收敛性也很难保证，即使收敛， 其计算速度也永远不能满足机组性能在线监测的需要【6 】。 b ) 顺序计算方法 顺序计算方法是由级前的状态点为计算起点，向级后计算，并以级后状态点作 为下一级的级前状态，继续计算下一级，以此类推，由前向后，逐级进行计算。顺 序计算，不需要试算和反复修正，使得计算方便快捷。但算到叶栅发生临界现象时， 叶栅后面的压力可以是低于临界压力的任意值，不能唯一确定，这是目前顺序算法 的主要的缺陷。 本论文主要研究深度调峰下汽轮机控制参数基准值的计算，当负荷降低到一定 程度的时候，末级很有可能转变为亚临界工况。如果全机均处于亚临界工况下，进 行逐级的顺序计算是最方便的。 1 3 本论文主要研究内容 本论文在汽轮机热力计算理论深入研究的基础上，建立深度调峰下汽轮机控制 参数基准值的计算模型，并且编制计算程序，快速准确地完成计算，为深度调峰下 汽轮机组经济，安全可靠运行提供科学有力的参考依据。 根据上面的论述，本论文将以某电厂汽轮机热力系统为研究对象，以汽轮机热 力计算理论为基础，并以确定深度调峰下汽轮机控制参数基准值为主要目标，主要 研究如下三个方面的内容： ( 1 ) 深入研究汽轮机热力计算理论，并且拟采用顺序计算的方法，建立调峰深 度下汽轮机控制参数基准值计算模型。 ( 2 ) 以某电厂6 0 0 m w 亚临界、中间再热凝汽式汽轮机为研究对象，应用深度 3 华北电力大学硕士学位论文 调峰下汽轮机热力计算理论，基于模块化的思想编制计算程序，并且完成调峰深度 为4 0 典型工况下的汽轮机基准值的计算，探讨该计算模型的收敛性。 、 ( 3 ) 参照a s m ep t c 6 1 9 9 6 汽轮机性能试验规程，针对该电厂6 0 0 m w 汽轮 机组进行4 0 负荷的深度调峰试验，通过试验探讨该计算模型的准确性。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章深度调峰下汽轮机热力计算理论 2 1 级流型的划分 。当级的初参数不变，级后压力逐渐降低时，有两种物理现象发生：一种是动叶 先达到临界；另一种现象恰好相反，喷嘴先达到临界，同时动叶为亚临界。这是两 种不同的流型，研究级的流型对临界压比的计算，以及对级的计算具有重要的指导 意义。 2 1 1 级流型判别图解法 文献 1 4 】给出了一种判别级喷嘴和动叶谁先达临界的图解法，其原理如图2 1 所示。 图2 1 级流型判别图解法示意图 a 式 该方法用反动度p 的概念，利用定熵关系式，做出喷嘴恰为临界状态时级压比 办醒与反动度p 关系曲线，如图2 1 中m = 1 曲线，若级的热力学状态点落在m = 1 曲线左侧，如阴影部分，喷嘴为超临界，若在m = 1 曲线右侧，喷嘴为亚临界；类似 地，作出动叶恰为临界时级压比与反动度关系曲线，如图中瞄= l 曲线，若级状态 点在曲线左侧，则动叶为超临界，在曲线右侧为亚临界。然后，针对不同级具体作 出变工况下反动度与级压比关系曲线，如图2 1 中的a d 、e g 、h k 三条不同级的 曲线。 对于一类级，设计工况点为a ，此时喷嘴动叶均为亚临界( m l ，鸠 1 ，地 1 ) 。 对于另一类级，情况完全不同。当级前参数固定，背压降低时，级压比与反动 度变化沿h i j k 进行，如图2 1 所示，级状态变化顺序是：喷嘴亚临界动叶亚临界 ( m l ，鸠 1 ) 、动叶先达临界喷嘴亚临界( m 1 ) 、最后达到 喷嘴和动叶均为超临界( m 1 ，尥 1 ) 。 对于某特殊级，如图中e f g 曲线。当背压降低时只经历三个状态：喷嘴动叶均 为亚临界、均恰为临界、均超临界。 这种图解法优点是详尽描述了跨音速级变工况的复杂性。两条特征线( 必= 1 ， 坂= 1 ) 把反动度p 和级压比占构成的物理平面分成四个区，两条特征线被其交点 分成四条辐射曲线。四个区、四条曲线连同曲线交点，构成了跨音速级变工况全部 可能遇到的9 种状态，每一种状态都对应着一种喷嘴与动叶的流态组合。 但这种方法还不能解决工程问题，因为变工况曲线户一占( 占= p ：砖) 是近似 的，它是用级亚音速变工况统计平均规律得到的【1 4 1 。对于跨音速级变工况计算误差 很大，甚至连变化趋势也是不准确的。由于动叶在喷嘴的下游，动叶出口一旦达到 音速，背压再降低时产生的小扰动不会再向上游传播。因此，当动叶出口达到临界 状态后，无论背压再降低到何种程度，始终会使喷嘴出口的马赫数保持不变。定性 描述，图中三条曲线a b c d 、e f g 、h i j k ，应修改成a b c d 、e f g7 、h i k7 。 2 1 2 临界状态下级流型的划分 级内喷嘴叶栅或动叶栅两者之一的流速达到或超过临界流速，就称该工况为级 的临界工况。对纯凝汽式机组，除容量很小的机组外，末级在设计工况下均为临界 工况。 一般2 0 0m w 及以下的机组记为i 型机组，设计工况下，末级喷嘴处于亚临界， 动叶处于超临界状态。一般3 0 0m w 及以上机组记为i i 型机组，设计工况下，末级 喷嘴和动叶均处于临界状态。由于设计的不同，末级为临界工况时，其流动状态可 归纳为如下两种类型【6 j ： i 型机组：喷嘴亚临界，动叶恰为临界或超临界。 i i 型机组：喷嘴恰为临界、动叶亚临界，喷嘴超临界、动叶亚临界，喷嘴超 临界、动叶恰为临界，喷嘴超临界、动叶超临界。 根据上面临界状态下级流型的划分，对于i 型机组当末级的初参数不变，级后 压力逐渐降低时动叶先达到临界，对于型机组现象恰好相反，喷嘴先达到临界， 同时动叶为亚临界。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 2 级临界压比的计算 在深度调峰的计算中会遇到一些与级的临晃压比有关的问题，如调节级的热力 计算，凝汽式汽轮机末级是否为临界状态，这些问题都与确定汽轮机的单级临界压 比有关。 2 2 1 级临界压比的含义 级临界压比的含义是：在级前参数岛、r o 、及滞止参数嗣、瑶、记一定时， 逐渐降低级后的压力仍，当喷嘴或者动叶出口刚刚出现临界现象时，则比值办露称 为级的临界压比，用。表示。 在级前参数不变而降低级后压力时，不同的级流型，出现临界的部位不同。对 于喷嘴先达到临界状态的级来说，级的临界压比就是喷嘴恰为临界，动叶为亚临界 时的级的压比；对于动叶先达到临界状态的级来说，级的临界压比就是动叶恰为临 界，喷嘴为亚临界时候级的压比。 级的临界压力比是只与级的结构尺寸及汽轮机转数有关的不变量【2 2 1 。本文只研 究定转速汽轮机，故级的临界压力比只与级的结构尺寸有关，即级变工况时，级的 临界压力比不变。+ 2 。2 2 级临界压比的解析法 文献【1 4 】给出了计算级临界压比的解析公式： 当喷嘴先达到临界时，喷嘴压比等于临界压比，此时级的压比便为级的临界压 比，为： 2 ( 2 1 ) 当动叶先达到临界时，动叶的压比等于临界压比，此时级的压比便为级的临界 压比，为： 饼2p 卟竿惜 ( 2 - 2 ) 上式中，对一定的级，曩e 为常数，当级的反动度已知时，便可根据级前参数 8 上h p 一 一 一p即 华北电力大学硕士学位论文 及p 值查出“段，则可用上式求出当动叶刚达临界时，级临界压比屯和反动度的 关系。但是这种方法是不准确性的，在图解法的论述中已有说明，这里不再赘述。 2 2 3 级临界压比的数值计算方法 级临界压比的数值计算方法【2 2 1 具体的思路是：在已知的级前参数下，在喷嘴临 界流量瓯的范围内，假设一系列的喷嘴流量g n ，由前向后顺序计算，平行算出各 个流量下喷嘴叶栅及动叶栅的各种数据，并从中判断是喷嘴先达到临界还是动叶先 达到临界，也就是说，这将视流量达到某值时是喷嘴的压力比p 1 p ：还是动叶的压 力比岛钟首先达到临界压力比而定，若喷嘴压力比比动叶先达到临界压力比则喷 嘴先出现临界，若动叶压力比比喷嘴先达到临界压力比则动叶先出现临界，同时可 得到级的临界压比气= 岛露。 这种方法在求解过程中都是在亚临界或者临界的条件下进行的，不适用于超临 界条件，事实上在计算临界点的过程是单向渐进的，并不涉及到超临界流动的范围， 在接近临界点的时候，加密所假设的流量，以得到临界工况点。 但是该方法是要求流量迭代和压力迭代同时进行，在一个程序中难以实现，需 采用两部计算接力完成，所以程序的稳定性不易控制。 2 2 4 末级临界压比数值计算方法 计算喷嘴的临界流量g n cl 士 假设一系列喷嘴流量g l l 0 通过流量比计算喷嘴压比矗并 由此确定喷嘴后压力p l 士 喷嘴部分的计算并确定动叶前参数 i 由动叶压比毛= 厶确定动叶出口压力p 2 l 计算级的临界压比f = 岛肼输出i 图2 2i 型机组末级临界压比计算程序框图 9 图2 3i i 型机组末级临界压比计算程序框图 华北电力大学硕士学位论文 根据临界状态下级流型的划分，对于i 型机组末级临界压比数值计算方法如图2 2 所示；对于i i 型机组末级临界压比数值计算方法如图2 3 所示。 在计算中要求算出的动叶流量g h 等于喷嘴流量g n ，或是在允许的控制误差如 内，为了提高计算的准确性和稳定性，流量的控制误差应尽量取小些，如g = o 0 0 1 。 这样的方法计算末级的临界压比避免了流量和压力同时进行迭代，提高了数值 计算的收敛性和稳定性。 2 3 调节级数值计算方法 喷嘴配汽是目前电厂广泛采用的配汽方式。在调节级变工况的计算中，由于其 特殊性使得计算变得复杂烦琐，本节根据调节级的工作特点重点研究了调节级的计 算方法。 2 3 1 喷嘴调节与调节级工作特点 2 3 1 1 喷嘴配汽方式 在喷嘴配汽调节中，新蒸汽经过主汽门，及若干依次开启的调节汽门进入汽轮机， 如图2 4 所示。 图2 4喷嘴调节汽轮机示意图 在部分负荷下，只有流过未完全开启调节阀的那个部分汽流才受到节流作用， 而通过全开汽门中的蒸汽节流已经减到最小。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 3 1 2 调节级工作特点 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) 的压力为巧， 1 0 华北电力大学硕士学位论文 因节流损失很小，g 接近于主蒸汽压力，一般为0 9 6 0 9 5 a ；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，喷嘴组前的压力为碍，调 节阀开度越小，节流作用越大，目就降得越低。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昱，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2 5 所示。 图2 5调节级的热力过程线 混合后的比焓降h 2 可由下式求得： 五2 = g 7 + g 盟掣笋趔小晤酬+ 罟卅沼3 ) 式中g 、g 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 = g + g 。； 叫、噬流经全开调节阀门汽流在调节级的有效比焓降及级后比焓降； 卅、z 锍经部分开启调节阀门汽流在调节级的有效比焓降及级后比焓降。 2 3 2 调节级特性曲线计算理论 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， 主要包括一s 、q 肿一g 及仇一屹等曲线。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【3 0 1 。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，计算调节级的特性数 据，绘出特性曲线，而后借助特性曲线提供的相关数据，进行调节级的变工况计算。 2 3 2 1 理论依据 对于调节级全开的喷嘴组，喷嘴前的参数基本上可以认为是一定的，而级后的 11 华北电力大学硕士学位论文 压力随工况而变，从而引起这部分喷嘴组前后的压力比、理想比焓降等的变化。对 于理想气体，在节流后压力降低时温度和焓值不变，对于蒸汽，在节流后，焓值不 变化，但是新汽温度稍有降低，使得在同一个压力比条件下，理想焓降会稍有降低。 将理想比焓降表示为： 从= 击盛呓( 1 也) = 击删也) ( 2 - 4 ) 式中 五，表示全开调节阀后的压力和比体积。 可以得到因为丁。的变化引起焓降变化的百分数为： 亟坐：坚l o o ( 2 5 ) 忍l o 材料【1 4 】表明对于初参数为1 2 7 5 3 m p a 、5 5 0 的蒸汽，当节流后的压力降低到 9 8 1 m p a 时候，丁。约为1 2 k ，因温度下降引起的理想比焓降下降的百分数仅为： 盟塑：! 兰1 5 若忽略这一误差，理想比焓降便只是压力比的函数了。因为节流比焓不变，则 有p o1 ，o = 印。1 ，。= p o 仇，即喷嘴组前压力和比体积的乘积为常数。如果将压力比换为 办瓦，那么式( 2 4 ) 也同样适用于部分开启的调节阀。 由于厶= 2 拓，因此级的速比二= z f c 4 也是压力比的函数，并且由速比所决 定的反动度、轮周效率、叶轮摩擦损失、部分进汽损失、叶高损失、内效率都是压 比的函数，也就是说当压力比确定后，级的特性就随之而定。 调节级的特性曲线就是通过计算得到以压比岛赢为自变量的一组曲线，当需 要时，就可以在图中查出有关数据，进行调节级的变工况计算。 2 3 2 2 调节级特性曲线快速计算模型 在调节级做功的蒸汽由于温度、压力较高，若视其为理想气体，则使计算过程 大大简化，应用在程序计算中，可以提高计算的速度，又有较好的准确性。 蒸汽通过喷嘴时的流动，是有摩擦损失的，这种不可逆流动可近似由多变过程 描述如下： h = 慨p 。) 1 7 ( 2 6 ) 1 2 华北电力大学硕士学位论文 = 再赢同 ( 2 7 ) 类似，蒸汽通过动叶时的流动也可以由多变过程表示，式中各参数的意义参考 文献【2 2 1 。 计算中为了方便通常假设调节阀全开，阀门后的压力磊= ( o 9 5 0 9 7 ) 风( 为主蒸汽压力) 并且取单位喷嘴面积( 即1c m 2 ) 进行计算。具体过程如下： ( 1 ) 首先计算1 c m 2 喷嘴面积的临界流量，即为： 瓯= o 6 4 8 l o 一拓万 ( 2 8 ) ( 2 ) 设定一系列喷嘴后的压力p l ，由喷嘴压比= a 五计算流量比，从而得 到通过l c m 2 喷嘴实际流量 艮= 嚼 g n = 8 孤 ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 3 ) 计算喷嘴的理想比焓降 吃= 南武椰一万) ( 2 - 1 1 ) ( 4 ) 利用速度三角形计算喷嘴出口速度 ( 5 ) 计算撞击损失觇和动叶有效进口动能觇。，进而确定动叶进口比焓群 ( 6 ) 将蒸汽看作理想气体时，气体的比焓可表示为矗= 与，于是得到动 叶进口比体积“ 杷+ 畚鲁 协 ( 7 ) 假设动叶后的压力岛，计算动叶的理想比焓降 觇= 南川1 - ( 胁) 等) ( 8 ) 计算动叶出口汽流速度，并计算得到通过动叶流量g 6 1 3 ( 2 1 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 g = 4 w 2 1 ，2 ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 式中4 一与1 锄2 喷嘴面积相对应的动叶出口面积。 由上可见，对应每一个设定的a 值，可以计算出相应的喷嘴流量g ，此时若假 设仍值，也可以求得相应的动叶流量q 。为满足q = g 的要求，p 2 需要一个迭代 的过程，只有当q 与q 的差值满足允许误差的条件时，即 g ( 2 - 1 6 ) 时，迭代过程才算结束。为保证计算的准确性，g 应尽量取小些，本文在计算中， 取g = 0 0 0 1 。 ( 9 ) 确定了扔后，就可以根据这些数据计算、q 脚、仇等数据，利用这些数 据就可以得到一占、q 册一s 和仇一而等特性曲线。 2 3 2 3 喷嘴超临界的调节级的计算方法 汽轮机在低负荷时，喷嘴有可能达到超临界【1 4 】( 调节级动叶一般不会超临界) ， 喷嘴为超临界流动时，即喷嘴后压力功小于临界压力a 。，此时喷嘴膨胀至喉部截面 时，其压力等于临界压力p l c ，速度为临界速度c 。，由于存在压差( p l 。一a ) ，故 蒸汽在喉部之后斜切部分继续膨胀，速度增加为彳，超过临界速度q 。，同时汽流的 方向偏转一个角度磊，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) 反、已知，在设定喷 嘴后参数珐后，则喷嘴压比s 。= p l 成可确定，临界速度c 1 。可由下式确定。 铲居两= 脬 ( 2 1 7 ) 在已知喷嘴压力比、蒸汽定熵指数及喷嘴出口角，利用下式就可算出偏转角磊； 1 4 华北电力大学硕士学位论文 咖。州，量监咖嘶 i 厂可 矗v l 一毛t q = q 。 m = 屑i e 丽忑丽 屏= a r c s i n 【q s i n ( q + 4 ) 】 ( 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) 利用式( 2 1 9 ) 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，其中屏为动叶进汽角。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。 2 3 3 喷嘴配汽下调节级温度的变化 采用喷嘴配汽汽轮机在调峰时会引起调节室及高压缸各级蒸汽温度发生较大 波动，使得转子和汽缸的金属中产出较大的温度梯度和热应力，这也是限制汽轮机 迅速改变负荷的重要原因。 负荷的变化引起调节级温度变化在计算中同样也是不能忽视的，为进一步说明 问题，对n 6 0 0 一1 6 7 5 3 7 5 3 7 机组进行了一系列试验，得到不同工况下调节室内的 压力仍和温度如。如下表2 1 ： 表2 1 调节室蒸汽参数的变化 不同工况调节室内的压力m p a调节室内的温度 3 v w 0 1 2 6 3 4 9 8 4 9 0 1 1 4 44 9 4 3 8 0 9 9 l4 9 2 5 5 0 6 3 34 7 8 1 4 0 5 1 34 7 1 5 可以看出，负荷由额定工况到4 0 工况时，调节级室温度变化2 6 9 ，这种情 况下在计算中必须加以考虑的。如使用弗留格尔公式计算压力级级前压力、温度与 流量的关系时，对于节流调节的汽轮机，可以认为，级前的温度在级流量变化时仍 等于定值，不会引起大的误差。但是对于喷嘴调节的汽轮机，就必须考虑级前温度 的变化，如果仍然取定值，就会在计算中产出较大的误差。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 2 3 4 调节级变工况计算 调节级特性曲线的计算，并不是调节级变工况计算的本身。在调节级变工况计 算时，仍需要根据已知条件，借助特性曲线提供的相关数据，进行调节级的变工况 计算。具体计算步骤如下： ( 1 ) 先取互。= 五，根据弗留格尔公式，计算变工况后的调节级室的压力p 2 l 值。 ( 2 2 2 ) 式中g l 、g 、p 2 、p z 、p ：l 、p 2 l 卅别为变工况下的主蒸汽流量、额定工况下主蒸 汽流量、调节级室压力、设计背压、变工况下 背压、变工况下调节级室压力。 ( 2 ) 根据主汽门前参数岛、v 。，假设调节阀全开时，扣除进汽节流损失后，阀前 压力为厩= ( o 9 5 o 9 7 ) 风，调用= ( g ) 特性曲线方程，由压力比，= 仍。矗得通 过全开阀门的流量为 g ：= 彳乡2 l ( 2 2 3 ) 彳，：o 。6 4 8 ；垒l l l o l 心p q ( 2 2 4 ) ( 3 ) 通过部分开启调节阀门的流量为q = g l q ，由式q = 见t 得2 j 著， 再次调用特性方程= 厂( s ) ，得到与。对应的占。值： ( 4 ) 根据压比占= 岛l 掰得出部分开启阀门后的压力硝= 段占” ( 5 ) 分别求全开阀门调节级理想比焓降群和部分开启阀门调节级理想比焓降 酬旮：用 沼2 5 ) 叫却爿 协2 6 ， 华北电力大学硕士学位论文 ( 6 ) 调用7 7 = 厂( s ) 特性曲线方程，分别求全开阀门和部分开启阀门两部分汽流在 动叶出口的实际焓值 h ：= h o 一h ：珑+ 锄，蛐 h ；= h o 一h ：，巧+ 锄 ( 7 ) 根据能量守恒计算调节级动叶出口的混合焓 ”孚 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 在前面讨论过喷嘴配汽下调节级温度的变化，因此为准确计算，在得到红。后 需要调用水蒸汽程序，由p ：。、红，得到互，如果乏。与假设的值不相等，就用新的互。 代替旧值，经过几次迭代就可以得到准确的p ：。值。 ( 8 ) 根据能量守恒计算调节级总的理想比焓降忽，并计算调节级的效率，完成调 节级的计算 2 4 压力级的顺序计算方法 触= 罟叫+ 罟从” 。2 3 。) 。一h o h 2 1 2 百 ( 2 3 1 ) 顺序计算由于不需要试算和反复修正，计算快捷方便。在深度调峰时，当负荷 降低到一定程度时，末级的压比大于其临界压比时，末级的喷嘴、动叶均处于亚临 界状态，在这种情况下，进行逐级的顺序计算方便可行。 2 4 1 压力迭代法与流量网图法的比较 顺序计算有两种方法：压力迭代法与流量网图法，现将这两种方法做一简单比 较。 ( 1 ) 压力迭代法 压力迭代法是在己知流量g l 后，首先任意假设喷嘴后的压力a 。，求得q 。以及 喷嘴损失后，得到喷嘴出口的状态点，根据喷嘴出口的连续方程，校核喷嘴流量是 否与已知流量q 。相符合，若不符合，就改变a ，的值，重新计算，直满足流量符 1 7 华北电力大学硕士学位论文 合为止。动叶的计算与喷嘴计算相同。 ( 2 ) 流量网图法 流量网图法是利用彭台门系数和压比之间的近似椭圆方程关系，求得喷嘴和动 叶后的压力。首先由喷嘴前的滞止参数求得临界流量瓯。，将已知流量q ，与瓯。相 比，得到彭台门系数展，这样便可以算出喷嘴压力比岛。，进而得到喷嘴后的压力 a 。动叶的计算与喷嘴相同。 彭台门系数和压比之间的椭圆关系式是一个很准确的近似关系式【l4 1 ，其精度足 以满足工程需要。因此利用流量网图法只需一次顺序计算便可以确定喷嘴和动叶后 面的压力，计算中避免了压力的反复迭代，能够直接快速地完成压力级变工况计算。 2 4 2 压力级计算的起点 采用顺序计算时，要求事先给出级前的初始状态，如流量、蒸汽的压力和温度。 高压缸第一压力级组前的参数是通过调节级的变工况计算得到。在考虑到喷嘴 配汽下调节级温度的变化后，按照上面调节级变工况的计算方法，经过几次迭代， 就可以得到准确的调节级后的蒸汽参数，为顺序计算做好准备。 2 4 3 压力级顺序计算模型 压力级的计算从调节级后开始，也是建立在单级工作原理和喷嘴动叶出口截面 连续流动方程式的基础上的。 计算前已知级前的参数岛。、。、| l d 。，滞止参数露。、镰、碲及级的流量g l ， 计算从喷嘴叶栅开始，其膨胀过程线如图2 6 所示，计算步骤如下： ( 1 ) 确定喷嘴后的压力a 。，完成喷嘴部分的计算 由级前的滞止参数露。、坛求得喷嘴的临界流量g 二。 瓯l = o 6 4 84 l 厮 ( 2 3 2 ) 由于此处讨论的是亚临界工况，在这种情况下喷嘴是亚音速流动，喷嘴压比毛。大 于其临界压比，因此有g 。 瓯。通过彭台门系数孱。和喷嘴压比岛，的关系，得到 喷嘴压比l 即为 舻急2 毛。：+ ( 1 一) 厩 由此便可以确定喷嘴后的压力a 。 1 8 ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 a i = 毛i 砧 ( 2 - 3 5 ) 调用水蒸汽子程序，根据a 。和站得到喷嘴出口的理想比焓，喷嘴的滞止理想比 焓降为 蛾= 磕一。 ( 2 - 3 6 ) 喷嘴的出口流速q 。以及喷嘴损失万魂。通过下式便得 式中矿喷嘴的速度系数。 喷嘴出口的比焓 红l = 红n + 万九。 s 图2 6 级的膨胀过程线 1 9 0 2 l 仍1 ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) 皿侈 矿 -=l 2删每 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 建立动叶进口速度三角形并计算撞击损失，确定动叶入口状态点。 为了建立动叶进口速度三角形，先算出喷嘴出口进入动叶的相对速度w l 。及进 汽角届。 则动叶进口处汽流的冲角为 。= 归i f 面i 面 ( 2 4 0 ) 进一步算出动叶进口的撞击损失 动叶进口的动能 属l = a r c s i i l 世 m l p = 屈一届。 嘶= 丢( 彻) 2 ：譬等 ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) ( 2 - 4 3 ) ( 2 4 4 ) 从喷嘴的出口状态点，考虑了撞击损失和动叶进口动能后就可以确定动叶的进 口状态点z 和碡，然后便可以进行动叶部分的计算。 ( 3 ) 确定动叶后的压力p 2 ，并完成动叶部分的计算 此部分的计算与喷嘴相同。确定阢，后便可以得到动叶的出汽速度w ，和动叶损 失万吃。 ( 4 ) 建立动叶出口速度三角形。 动叶出口速度三角形中，出口绝对速度c 2 及其方向角口：。可按下式计算得到 乞。= 归i 不五而 ( 2 4 5 ) 同时也得到了级的余速损失眈2 。 。：a r c s i n 啦 c 2 l ， 2 觇：。= 睾 z 2 0 ( 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 ( 5 ) 计算反动度 到这里完成了喷嘴以及动叶汽道的计算，得到了喷嘴的理想比焓降、滞止理想 比焓降、动叶的理想比焓降以及滞止理想比焓降，所以可算出级的反动度 = 焉= 惫 沼4 鼬 ( 6 ) 计算级内其它各项损失 主要包括叶高损失、叶轮摩擦损失、湿汽损失以及漏汽损失。 ( 7 ) 计算隔板漏气量和叶顶漏汽量 计算隔板漏汽量g 口。和叶顶漏汽量g f 。后，通过喷嘴叶栅实际的蒸汽量为 q 一= g l q t ( 2 4 9 ) 通过动叶栅实际的蒸汽量为 g 6 ，= q - 一g ，t ( 2 5 0 ) 将计算得到q 。和q 。与前面初值比较，如果不相等或不充分相近，就要用新得到 的瓯和g 6 。来代替旧值，重复计算相关各步骤，经过多次迭代，就可以得到喷嘴和动叶 的流量。 ( 8 ) 计算级的特性 级的速度比芘。 级的轮周有效比焓降 级的有效比焓降 x a l = h c n ；h ? 皿 ( 2 5 1 ) 吃l = 域一万一万一万吃2 l ( 2 - 5 2 ) 触