CN101307698A

CN101307698A - 一种汽轮机的喷嘴配汽方法

Info

Publication number: CN101307698A
Application number: CNA2008101501666A
Authority: CN
Inventors: 戴义平; 徐亚涛; 高林; 张俊杰; 王江峰; 王志强
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2008-11-19

Abstract

本发明涉及汽轮机领域，尤其公开了一种汽轮机的配汽方法，首先从汽轮机的轴向观察，其转子顺时针方向旋转时，所述汽轮机径向分布有左下方蒸气室、左上方蒸气室、右上方蒸气室、右下方蒸气室，以及与各蒸气室相对应连通的左下方调节阀、左上方调节阀、右上方调节阀、右下方调节阀，其特征在于，当汽轮机负荷增大时，先同时开大左下方调节阀和右上方调节阀的开度，再依次开大右下方调节阀和左上方调节阀的开度；当汽轮机负荷减小时，先关小左上方调节阀，再关小右下方调节阀，然后同时关小左下方调节阀和右上方调节阀的开度；最后，通过上述方式逐渐调节调节阀开度，直到汽轮机负荷稳定。

Description

一种汽轮机的喷嘴配汽方法

技术领域

本发明涉及汽轮机领域，尤其涉及一种汽轮机的喷嘴配汽方法。

背景技术

高参数大功率汽轮机主要有节流配汽和喷嘴配汽两种配汽方式。节流配汽是指所有调节阀同步动作，开度相同，等效于一个调节阀工作，机组在偏离设计工况运行时，调节阀存在严重的节流损失，降低了机组运行的经济性。喷嘴配汽也称为顺序阀配汽，该配汽方式下多个调节阀依次开启，一个阀门开启后(存在一定重叠度)后面一个阀门开始开启，部分负荷工况仅在开启的阀门存在节流现象，其余调节阀或完全开启或完全关闭，其经济性高于节流配汽方式，因而得到普遍应用。随着超临界、超超临界技术的应用，机组转子相对变轻，而喷嘴配汽时作用在转子上的汽流力增加，巨大的不对称汽流力使得轴系的稳定性降低、振动加大、瓦温升高，有些机组喷嘴配汽甚至无法投入，严重威胁机组的安全运行和经济运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽轮机喷嘴配汽方法，它能够极大提高喷嘴配汽时的轴系稳定性，解决喷嘴配汽时机组轴系稳定性的恶化问题，降低喷嘴配汽时轴承的振动幅值和轴承瓦温，提高机组的运行效率和安全性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种汽轮机的配汽方法，沿汽轮机的轴向观察，其转子顺时针方向旋转时，所述汽轮机径向分布有左下方蒸气室、左上方蒸气室、右上方蒸气室、右下方蒸气室，以及与各蒸气室相对应连通的左下方调节阀、左上方调节阀、右上方调节阀、右下方调节阀，其特征在于，当汽轮机负荷增大时，先同时开大左下方调节阀和右上方调节阀的开度，再依次开大右下方调节阀和左上方调节阀的开度；当汽轮机负荷减小时，先关小左上方调节阀，再关小右下方调节阀，然后同时关小左下方调节阀和右上方调节阀的开度；最后，通过上述方式逐渐调节调节阀开度，直到汽轮机负荷稳定。

本发明的进一步改进在于：当汽轮机运行时，优先同时同开度调整左下方调节阀和右上方调节阀，直到开度最大。

本发明的优点是，基于现有设备硬件，无需费用高昂的硬件设备改造，仅在控制逻辑中修改阀门开启的顺序设置，即可提高机组的运行效率和安全性。

附图说明

图1为大功率汽轮机调节级前配汽机构示意图；

图2为图1的A-A侧向剖视图；

图3为汽轮机工质流动示意图；

图4为传统配汽方法下调节级内产生的横向气流力和弯矩分析示意图；

图5为传统配汽方法下调节级内产生的横向气流力和弯矩变化示意图；

图6为不同配汽方法(1、2、3、4、节流配汽)下的轴系稳定性示意图；

图7为不同配汽方法(5、6、7、8、节流配汽)下的轴系稳定性示意图；

图8为不同配汽方法(9、10、11、12、节流配汽)下的轴系稳定性示意图；

图9为不同配汽方法(4、5、9、11、节流配汽)下的轴系稳定性示意图；

图10为本发明的配汽方法下瓦温变化示意图；

图11为本发明的配汽方法下轴振变化示意图；

图中标号说明如下：

1、左下方调节阀；2、左上方蒸汽室；3、左上方调节阀；4、右上方蒸汽室；5、右上方调节阀；6、右下方调节阀；7、右下方蒸汽室；8、左下方蒸汽室；9、连接通道；10、喷嘴叶栅；11、动叶栅；12、转子叶轮；13、轴气封；

图中符号说明如下：

F_1u——大开度调节阀对应弧段周向气流力；

F_2u——小开度调节阀对应弧段周向气流力；

F_1a——大开度调节阀对应弧段轴向气流力；

F_2a——小开度调节阀对应弧段轴向气流力；

F_L——不平衡横向气流力；

T_L——不平衡横向弯矩；

G——流量；

SM——稳定性域度；

T——瓦温；

1#T1——前轴承轴瓦1号传感器温度；

1#T2——前轴承轴瓦2号传感器温度；

2#T1——后轴承轴瓦1号传感器温度；

2#T2——后轴承轴瓦2号传感器温度；

V——轴振；

1#Vx——前轴承X方向轴振；

1#Vy——前轴承Y方向轴振；

2#Vx——后轴承X方向轴振；

2#Vy——后轴承Y方向轴振。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

参照图1、图2、图3，典型的大功率汽轮机有四个调节阀，从汽轮机的轴向观察，其转子顺时针方向旋转时，分别为左上方调节阀3，右上方调节阀5，左下方调节阀1，右上方调节阀6，由锅炉出来的高温高压蒸汽经过四个调节阀，进入汽轮机。左上方调节阀3、右上方调节阀5、左下方调节阀1、右下方调节阀6分别通过四条通道9连接到相应四个环形蒸汽室，即左上方蒸汽室2、右上方蒸汽室4、左下方蒸汽室8、右下方蒸汽室7，每个蒸汽室的出口都安装着一组喷嘴叶栅10，进入蒸汽室的蒸汽通过喷嘴叶栅10，降低压力提高速度并改变了流动方向，冲击到安装在转子叶轮上的动叶栅11上，推动转子叶轮转动。

在常规的喷嘴配汽方式下，为了降低热应力，先同时开启两个相邻的调节阀(如左上方调节阀3、右上方调节阀5)，这样只有对应的两个蒸汽室(左上方蒸汽室2、右上方蒸汽室4)有蒸汽流过，对应的喷嘴叶栅只占半个环面，因此调节级内，推动转子叶轮转动的力也只存在于半个环面，这样蒸汽的作用力除了形成推动转子转动的力外还会合成一个不平衡的横向汽流力。该汽流力很大，会改变转子轴承系统两端轴承载荷的大小和方向，影响轴系的稳定性。随着负荷的增加，两个调节阀(左上方调节阀3、右上方调节阀5)逐渐全开，调节级内的不平衡汽流力达到最大。负荷进一步增大时，左下方调节阀1开始开启，直至全开。负荷再增加，最后右下方调节阀6开启。当四个调节阀均全开时，高温高压蒸汽均匀通过四个调节阀进入四个蒸汽室(2、4、8、7)，并经静叶栅10改变压力和速度，冲击到动叶栅形成周向均匀的推力，推动转子叶轮旋转。此时调节级喷嘴叶栅出口汽流均匀，蒸汽的作用力除推动转子转动外，其余作用互相抵消，对转子系统的稳定性影响最小。在负荷波动过程中，喷嘴配汽，相邻两个阀门同时调节，使得转子系统承受很大的不平衡汽流力，该汽流力导致轴系稳定性恶化，振动幅值加大瓦温升高。

本发明对喷嘴配汽的配汽方法进行改进，在低负荷时先开启处于对角位置的左下方调节阀1、右上方调节阀5，与之连通的左下方蒸汽室8、右上方蒸汽室4有等量的蒸汽进入，此时左上方蒸汽室2、右下方蒸汽室7没有蒸汽进入，经过喷嘴叶栅10的蒸汽汽流呈现轴对称分布，蒸汽的作用力除推动转子旋转外其余作用相互抵消，对转子稳定性几乎不产生影响。当负荷增大时，同时开启左下方调节阀1、右上方调节阀5开度达到全开位置后，再开启处于右下方调节阀6，负荷进一步增加时，最后开启左上方调节阀3，直至四个阀门全开。

当负荷减小时，先关闭左上方调节阀3，负荷继续降低则关闭右下方调节阀6，最后同时关闭左下方调节阀1和右上方调节阀5，直到关闭停机。

发明人在实践中发现：满负荷时，喷嘴配汽稳定性较好；部分负荷时节流配汽的稳定性较好；当部分负荷时，配汽方式由节流配汽切换为喷嘴配汽时，往往轴振增大，瓦温升高，稳定性恶化。

发明人经过认真分析和研究，部分负荷下喷嘴配汽与节流配汽的主要区别在于，喷嘴配汽时，调节级因不同喷嘴组对应的调节阀开度不同，使得蒸汽气流沿周向不均匀，气流在形成推动转子转动的气流力外还会产生一个径向的不平衡气流力(横向气流力)和横向弯矩。如附图4所示，上半个弧段对应的调节阀开度较大，对叶片的作用力较大，下半个弧段对应的调节阀开度较小，对叶片的作用力较小，其合力会形成一个不平衡横向气流力F_L和一个不平衡横向弯矩T_L。该横向气流力和弯矩会影响转子在支撑轴承上的载荷大小和不同轴承上的载荷分配，从而对轴承的动态特性产生影响，最终影响到轴系的稳定性。

喷嘴配汽时轴系稳定性恶化的问题是气流激振问题，属于气动弹性力学范畴，其振动激励是由气流的流动产生的，因此对转子振动稳定性的求解必须先求解对轴系产生作用力的蒸汽流场。除调节级外，其它透平级可以认为气流沿周向均匀，不会产生影响轴系稳定性的不平衡气流力，因此流动的求解仅需在调节级内进行。

由于部分负荷时，调节级内的蒸汽流动沿周向不均匀，且调节级动叶片高度与调节级静叶片相差较多，很多大功率机组中两高度甚至相差超过20％，因此气流沿径向的流动变化也不能忽略，所以对喷嘴配汽条件下调节级内流动的分析只能是全三维的，基于二维层面的定量分析是没有太大意义的，而由于计算条件的限制，目前国内外关于调节级部分进汽条件下的分析研究基本都分析的是非全周模型或采用二维模型。

目前应用广泛的流动数值分析方法中，最为先进和完善的是采用二阶全隐式有限体积(或有限元)方法，求解完整的N-S方程，并加入合适的紊流方程，同时求解温度、压力和速度场。但这样的分析方法对于全周调节级内部这样复杂的流场进行全三维分析在现阶段几乎是不可能的，这也是目前国内外的研究都没有进行大功率机组调节级全三维数值模拟的原因。由于本发明涉及的内容主要是转动轴系的受力，而非流动细节和流动效率，且同一喷嘴组内的叶片周围的流动具有高度的相似性，因此发明人采用有限体积方法，对每一个喷嘴组内的一片动叶片周围的全三维流场求解完整的N-S流动方程，采用先进的SST紊流模型(该模型集合了工程领域应用最广泛的两种紊流模型的优点)，二阶全隐式迭代，同时求解温度场、压力场和速度场的分布，得到该动叶上受到的气流力。然后采用坐标旋转的方法，得到同一喷嘴组对应的其它动叶片上受到的气流力。这样，只需在每个喷嘴组内的一个流道进行上述的流动数值模拟，即可矢量合成为轴系所受气流力。

目前国内外关于调节级内不均匀流动的分析主要集中于200MW以下的机组或小型实验透平，本发明采用上述方法对一600MW亚临界大功率机组的调节级内流场进行了分析求解，得到给定配汽方法下不同负荷工况的轴系所受横向气流力和横向弯矩，如附图5所示。从该图中可以看出，随着流量(负荷)的变化，横向气流力和横向弯矩不断发生变化，因此单个工况的稳定性分析不能反映该配汽方法下轴系的稳定性，必须对日常可能存在的工作负荷范围进行全面的稳定性分析。

为分析不平衡气流力作用下汽轮机转子系统的稳定性，本发明利用汽轮机高压转子的转子轴承有限元分析模型，根据阀门开启顺序的排列组合，对包括节流配汽在内的全部共13种阀门开启顺序(为了较低负荷下降低气缸和透平部件的热应力，仍采用先同时开启两个阀门的方案，不同的顺序阀配汽方法共12种，如下表1所示)进行了运行负荷范围的稳定性分析，得到稳定域度的分布，如附图6、7、8、9所示。

表1

从图6、7、8、9中可以看出，节流配汽的稳定性最好，但是节流配汽损失较大，不利于长期运行的提高效率节能降耗。12种喷嘴配汽方法中，9-12的对角阀门进汽结构由于对角阀门开度相同，产生的横向气流力基本抵消，因此在低负荷下具有很好的稳定性，但当左上方调节阀开启以后，再次出现进汽的不均匀，使得稳定性发生恶化。国内也有文章提出过对角进汽的配汽方式，但未进行系统完善的理论分析，且并非所有的对角阀门进汽方式的稳定性都优于相邻阀门的稳定性。如图9中配汽方法11在较大负荷时稳定性恶化显著，与相邻阀门进汽的配汽方法5相比稳定性差。仅调节阀开启顺序为1，5-6-3的配汽方法9在大部分运行工况具有最好的稳定性。

发明人在宁海电厂的大功率汽轮发电机组上进行了实验，该机组在变更配汽方法之前，从节流配汽切换为喷嘴配汽时，轴振大幅增大，瓦温显著升高，很快超过报警界限，无法在喷嘴配汽条件下运行。采用本发明后，实验结果如图10和图11所示。从图中的轴振和瓦温的实验结果可以看出，与节流配汽相比，新的喷嘴配汽方法的轴振和瓦温较节流配汽变化不大，在安全的范围内，大幅提高了部分负荷下的运行经济性，每度电的煤耗最多下降超过4g标准煤。发明人还将该配汽方法在国华电力超过20台同类大功率机组上进行实验，使得不能切换为喷嘴配汽的机组成功实现了喷嘴配汽，原来可以实现喷嘴配汽运行的机组轴系稳定性也普遍提高。

Claims

1、一种汽轮机的喷嘴配汽方法，从汽轮机的轴向观察，其转子顺时针方向旋转时，所述汽轮机径向分布有左下方蒸气室、左上方蒸气室、右上方蒸气室、右下方蒸气室，以及与各蒸气室相对应连通的左下方调节阀、左上方调节阀、右上方调节阀、右下方调节阀，其特征在于，当汽轮机负荷增大时，先同时开大左下方调节阀和右上方调节阀的开度，再依次开大右下方调节阀和左上方调节阀的开度；当汽轮机负荷减小时，先关小左上方调节阀，再关小右下方调节阀，然后同时关小左下方调节阀和右上方调节阀的开度；最后，通过上述方式逐渐调节调节阀开度，直到汽轮机负荷稳定。

2、根据权利要求1所述的一种汽轮机的喷嘴配汽方法，其特征在于，当汽轮机运行时，优先同时同开度调整左下方调节阀和右上方调节阀，直到开度最大。