汽轮机通流部分热力参数在线计算方法

第55卷第3期2013年6月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVO155NO3JUN2OL3汽轮机通流部分热力参数在线计算方法曹小玲，李帆，鄢晓忠，王运民，唐世斌，张航长沙理工大学能源与动力工程学院，长沙410076摘要介绍了特征通流面积的相关表达式，结合该表达式和相对内效率提出一种基于热力参数汽轮机通流部分在线计算方法。该方法是一种不需要知道机组几何参数，主要基于压力、温度和主蒸汽流量即可实施。以某电厂310MW汽轮机为对象，对多个工况下的计算结果进行对比，结果显示计算结果满足工程计算精度和实用性的要求。关键词级组；特征通流面积；相对内效率；监测分类号TK2文献标识码A文章编号10015884201303019903ONLINECALCULATIONMETHODFORTHERMALPARAMETERSOFTURBINECAOXIAOLING，LIFAN，YANXIAOZHONG，WANGYUNMIN，TANGSHIBIN，ZHANGHANGCOHEGEOFENERGYANDPOWERENGINEERING，CHANGSHAUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY，CHANGSHA410076，CHINAABSTRACTINTRODUCINGTHERELEVANTEXPRESSIONOFCHARACTERISTICFLOWAREA，ANDCOMBININGTHISEXPRESSIONANDRELATIVEINTERNALEFFICIENCY，THISTHESISWILLPROPOSE，BASINGONTHERMALPARAMETER，ANONLINECOMPUTATIONALMETHODOFSTEAMTRIBUNEFLOWPASSAGECHARACTERIZEDBYHIGHCOMPUTATIONSPEEDANDACCURACY，THISCOMPUTATIONALMETHODWORKSMAINLYBASEDUPONPRESSUREANDTEMPERATUREWITHOUTHAVINGTOKNOWTHESETGEOMETRICALPARAMETERUSINGTHE310MWSTEAMTRIBUNEOFATHERMALPOWERPLANTFORRESEARCH，ANDCOMPARINGTHERESULTOFDIFFERENTWORKINGCONDITION，THISTHESISHASDRAWACONCLUSIONTHATTHERESUHCANMEETTHEREQUIREMENTSOFENGINEERINGCALCULATINGPRECISIONANDPRACTICALITYKEYWORDSSTAGES；CHARACTERISTICFLOWARE8；RELATIVEINTERNALEFFICIENCY；MONITOR0前言火电汽轮机通流部分由于其长时间处于高温高压状态下极易发生故障，因此人们对汽轮机的状态监测和故障诊断进行了大量的研究。火电汽轮机故障诊断方法有振动诊断和热力参数诊断。热力参数诊断可以在级组有故障征兆时判断出故障可能的原因及位置，为运行和检修提供依据，振动诊断在级组故障严重情况下才会发生J。热力参数诊断是一种在级组运行过程中随时可以发生的，最直接的反应是压力、温度、流量等热力参数的变化，这就要求热力参数的采集和处理要有连续性，且数据处理时间短，计算精度高。目前汽轮机通流部分的故障诊断方法主要应用模糊数学方法和BP神经网络方法J，虽然这两种方法具有很强的适应性，但是这两种方法计算时间相对较长，很难实现在线监测。为此本文提出一种主要基于压力、温度和主凝结水流量的汽轮机通流部分在线计算方法，该方法编制的软件，通过对热力参数的处理来实现实时监测。1特征通流面积的概念特征通流面积定义为11P01一7“利用理想气体状态方程进行代换后得到用比容表示的特征通流面积表达式2其中，C为通过级组的流量，TH；P。为级组前的压力，MPA；7“O为级组前的温度，K；V。为级组前蒸汽比容，MKG；仃为级组前的压力与级组后的压力比。文献通过实例证明了用表示的特征通流面积比用T表示的特征通流面积精度大大提高。因此，本文采用表示的特征通流面积进行分析计算。级组的特征通流面积变化的偏差率定义为等其中为基准工况；6为变动工况；为第I个级组。级组相对内效率定义为一4叼P【4其中，H。为级组前实际焓，KJKG；H、HI,为级组后实际焓和理想焓，KJKG。收稿日期2012一LO24基金项目国家重点基础研究发展计划973计划基金资助项IB2009CB21980303。作者简介曹小玲1974一，男，博士，副教授。主要从事电厂热力系统优化运行、燃烧理论与低劣煤的高效稳燃技术等研究。200汽轮机技术第55卷2方法和思路21计算条件在热力计算时，需要提供的计算条件包括1根据电厂提供的热力系统图建立热力系统档案。2建立系统各不明漏气量与工况之间的函数关系。3实测的同一时间下主凝结水流量，各抽汽点压力、温度，各缸进排汽点压力、温度，加热器侧各管道进出口压力、温度。22基本思路特征通流面积具有重要特点只要相应级段的几何参数不变，特征通流面积在不同工况下保持常数，且有较高的精确度；反之，如果特征面积有改变，原因一定来自级段几何参数的变化，由于计算误差的存在，湿蒸汽区特征通流面积变化的偏差率在10以内，其它级组的偏差率在5以内就可以认为是没有故障的。相对内效率是级组通流部分工作情况的一个重要技术指标，相对内效率的变化情况可以反映通流部分的工作情况。根据这些特点，拟定这样一种汽轮机故障在线诊断方法通过汽轮机实际运行过程中测得的实时工况下各级组和各抽汽口压力、温度及主给水流量；通过热平衡计算主蒸汽流量、各抽汽口的抽汽量和各级组蒸汽流量；计算各级组的特征通流面积和相对内效率并与设计工况或检修后某一工况为基准建立的热力档案比较，并根据热力参数的变化判断级组内可能出现的一些故障原因。该方法的计算流程如图1所示。数据采集计算各抽汽口抽汽量计算主蒸汽流量计算特征通流面积II计算相对内效率与热力档案比较FI与热力档案比较故I是否故障严重是降L是判断故障级组返回主程序图1故障诊断计算流程23计算方法231各进抽汽口水和蒸汽焓值的确定通常当主蒸汽参数达到设计参数，级组负荷低于70时，最末两级抽汽可能处于湿蒸汽区，否则，只有最后一个级组处于湿蒸汽区。湿蒸汽区焓值的确定通过建立焓值与压力和温度之间的函数关系式，T,P，在计算过程中通过调用该函数求得。其它级组蒸汽焓值和水的焓值直接调用IAPWSIF97计算得到。232各段抽汽量、主蒸汽流量及各级组蒸汽流量的计算以主凝结水流量作为基准流量，通过除氧器热平衡及高加热平衡的计算得到主给水流量，再由主给水流量和各段抽汽量、过热器、再热器减温水流量及系统不明漏量计算主蒸汽流量、高压缸排汽流量、再热汽流量及各级组蒸汽流量。233特征通流面积的计算由公式1计算各级组特征通流面积F，压比、温度和流量都在前面的计算过程中已求得，机组前蒸汽比容通过调用IAPWSIF97由级组前压力和温度确定。234相对内效率的计算汽轮机低压缸末级抽汽和排汽通常为湿蒸气，其比焓值难以由压力和温度直接确定，其它级组直接通过调用公式4计算得到。其中理想焓的计算通过调用IAPWSIF97函数包内相应函数计算得到。最后两个级组相对内效率通过以下方法计算得到。机组前实际比焓H。在前面计算过程中已经求得，可根据热力档案估计一个低压缸效率田，预测末级抽气比焓值H和终点比焓值H啦，即CL1HO一。一九CF】叩H5HH0一H0一HN叼低压缸末级内效率可以根据下式计算776叼。叼舰与叩不符时，用式6计算的叼代替叩重复计算。3计算对象及编制程序以某电厂310MW级组作为计算对象，其额定功率为310MW，最大功率为34121MW，额定转速为3000RMIN。该汽轮机组共有36级，高压缸13级，中压缸9级，低压缸L4级，以抽汽口为依据划分为12个级组，编号为I到。该机组的原则性热力系统图及级组划分如图2所示。采用C语言对该机组的计算方案进行了程序编制。计算中水和蒸汽热力参数的计算，通过调用根据IFC67和IAPWSIF84以及IAPWSIF97编写的专供VISUALC一CC一语言使用动态链接库的函数。程序主界面如图3所示。4计算结果比较与分析本文选取5VWO工况、75滑压工况和50滑压工况，计算的结果与制造厂提供的热平衡图建立的热力档案进行比较。41各级组特征通流面积的计算以制造厂给定的热平衡图建立的热力档案为基准与该方法计算的特征通流面积利用公式3计算特征通流面积偏差率。计算了5VWO工况、75滑压工况和50滑压工况下各级组的特征通流面积偏差率，结果如表1和图4所示。由表1和图4可以看出13种工况特征通流面积计第3期曹、玲等汽轮机通流部分热力参数在线计算方法2011LFIGILP1B一锅炉C、TTP一汽轮机高压缸TD如扪IBT1。趣G发电机LU_JL、JIBDIC凝汽器H11121I5H6I7CP凝结水泵L三呸FP图2310MW机组原则性热力系统图表L各设计工况下级组特征通流面积偏差率级组IH1VVVLVIIVMIXX5VWO工况75THA工况50THA工况005200140188022918970393001400LL165808541229040900481851652910S0图3计算程序主界面0123456789101112级组图4各设计工况下级组特征通流面积偏差率算精度较高，除和级组偏差率较大外，其它级组4均在精度要求范围内；2前面L0个级组计算精度很高，均在3范围内，低压部分偏差较大是低压部分蒸汽参数偏离理想气体太远和计算时汽轮机背压均取O00539MPA所致。42各级组相对内效率的计算以制造厂给定的热平衡图为基准，用该方法计算各工况下级组相对内效率。计算了5VWO工况、75滑压工况和1009080706詈0_50403020L00012345678910111213级组图5各工况下级组相对内效率50滑压工况下各级组相对内效率，结果如表2和图5所示。由表2和图5看出13种工况下各级组的相对内效率均在正常范围以内；2第V级组相对内效率有明显的降低，是由于计算对象低压缸为非完全对称结构，计算时按对称进行处理所致。5结论本文结合特征通流面积和相对内效率，提出一种汽轮机通流部分的热力参数计算方法，针对某310MW汽轮机进行了几种典型工况下的特征通流面积和相对内效率与热力档案比较得出以下结论1本文拟定的汽轮机通流部分热力参数在线计算方法，具有计算条件少，操作简单的特点；2该方法编写的程序，计算精度能够满足工程应用的精度要求，软件还可以在其它机组上实行，只需对源代码做少量修改；下转第204页285O27O15889O15OOO一一一793OOO一一L38卯OO0一一8O7MOOO一一137叭“O00一OOO204汽轮机技术第55卷表2不同转速半径下叶轮的许用不平衡量转子校正半径分别为510MM与715RAM时，不同转速下许用不平衡量的比值口分别为，口04053UPERL，04054U肿R2由式3和式4可知，转速为370RMIN时，转子的许用不平衡量是转速为150RMIN时的25。由此可见，同样结构和工作条件下的转子，其高转速时的许用不平衡量比低转速时偏低很多。23分析结果经过上述计算可知，汽轮机循环水泵的工作转速为370RRAIN时，许用不平衡量07710GMM，而由叶轮出厂的动平衡试验可知，水泵叶轮在转速为150RMIN下的许用不平衡量为19010GMM，剩余不平衡量为161710GMM，很明显超过了工作转速370RMIN下的许用不平衡量，因此，出厂动平衡试验不再适用。动平衡试验不合格将导致附加动反力产生，转动部分受横向力作用，瓦面油膜厚度不等，推力瓦受力不均，个别或少数瓦受力特别大，最终弓L起瓦温过高、烧瓦而停止运行。循环水泵轴承上导瓦超温甚至烧毁的原因有很多，如上摆度过大等。但经过检查和现场处理，可判断上述原因并不是造成本文所述上导瓦超温的主要原因，而是水泵叶轮动平衡不合格。3结论1由叶轮出厂的动平衡试验可知，水泵叶轮在转速为150RRAIN下的许用不平衡量为19010GMM，剩余不平衡量为161710GMM，而在工作转速370RMIN下叶轮的许用不平衡量为07710GMM，仅为试验转速下的25，因此当转速提高到370RRAIN时动平衡试验不再适用。2对于不同转速下的同一叶轮，转速越大，转子许用不平衡量越小。因此，转子转速低于实际运行转速的动平衡试验合格，并不能保证转子的运作安全。当实际运行转速大大高于试验转速时，其许用不平衡量会随之减小，致使轴与上导瓦摩擦加剧，上导瓦温度骤升，甚至烧毁。所以动平衡试验转速不应小于实际运行速度，才能保证安全生产。3此次故障的主要原因是超过了许用不平衡量而引起的摩擦过大，该厂经过出厂动平衡试验合格后，再未出现过烧瓦事故，故叶轮出厂检测时，应注意提高监测标准，降低安全隐患。参考文献1李录平汽轮机组故障诊断技术M北京中国电力出版社20012李慧剑，杜国君理论力学