CN101644173A - 一种汽轮机配汽方式优化方法 - Google Patents

Abstract

一种汽轮机配汽方式优化方法，其特点是：根据调节级的结构参数，计算调节级特性曲线；测量汽轮机在原配汽方式下的各调节汽门前的蒸汽温度和压力、调节汽门后的蒸汽压力、调节级后的蒸汽温度和压力，计算得到通过各对应调节汽门的蒸汽流量；结合各调节汽门前后的蒸汽压力比值、调节汽门前的蒸汽压力和温度、通过调节汽门的蒸汽流量，计算得到各调节汽门的开启面积；任意给定两调节汽门间的重叠度值，给定两个调节汽门前的蒸汽温度和压力及各自的开度，计算各调节汽门后的蒸汽压力、调节级后的蒸汽压力、各调节汽门的蒸汽流量及调节级的相对内效率；依据相对内效率最高、调节汽门组的升程和流量间的关系曲线为直线的原则，选择汽轮机最佳配汽方式。

Description

一种汽轮机配汽方式优化方法

技术领域

本发明涉及热力设备优化运行领域，是一种汽轮机配汽方式优化方法。

背景技术

随着我国电力事业的发展，电网容量逐渐扩大，电负荷峰谷差也随之增大，已达到最高负荷的30％～50％。一般电网中水电比重较小且多为径流式，并以灌溉、工业及生活用水为主，不宜弃水调峰；另外，电网内中小容量火电机组所承担的容量开始减少，即使全部调峰仍不能满足峰谷差的容量要求；此外，大容量核电站动力单元机组，由于其经济和技术特性的原因，核电站动力单元必须带基本负荷。这样就要求原本带基本负荷的高参数大容量火电机组参加调峰运行。

目前，我国有部分汽轮机，尤其是部分国内汽轮机制造厂家根据国外公司提供的技术制造的汽轮机，由于对电网峰谷差估计不足，不少大机组是按照承担基本负荷设计的，汽轮机的配汽方式为节流配汽方式。近几年来，随着火电机组参与调峰，机组经常处于部分负荷下运行，致使在原设计的节流配汽方式运行下产生很大的节流损失，造成汽轮机长期低效率运行，浪费了大量的有效热能，使发电成本增加。为了提高汽轮机的运行经济性，必须将现有的节流配汽方式改造为喷嘴配汽。这样，就需要改变汽轮机现有的配汽方式，机组进行阀门管理环节改进，实现对汽轮机配汽方式的优化。在顺序阀控制方式下，为了保证调节汽门组的升程-流量特性线近似一条连续平滑的直线，在各调节汽门开启或关闭时有一定的重叠度。重叠度过大，造成调节汽门的节流损失过大，汽轮机的热经济性降低；反之，重叠度过小，调节汽门组的升程-流量特性近线会成为曲线，从而不利于汽轮机对电功率的控制。现有的汽轮机调节汽门之间重叠度的选择方法均是通过对汽轮机配汽系统进行试验得到的。由于受汽轮机实际运行条件的限制，试验方法不便于对多个配汽方案进行优化选择，导致汽轮机实际配汽方式不能达到最佳状态。因此，本发明对于机组的优化运行和火力发电厂的节能，具有重要的意义。

发明内容

本发明的构思的基础

(1)理论和实践均证明，在喷嘴调节方式下运行的汽轮机，当各调节汽门之间的重叠度过大时，造成汽轮机调节汽门的节流损失增大，汽轮机热经济性降低；反之，重叠度过小，则造成汽轮机调节汽门组升程与流量之间的关系为非线性曲线，不利于汽轮机负荷控制，因此，汽轮机各调节汽门之间的重叠度存在着最佳值，汽轮机配汽方式的优化，就是为了得到各调节汽门之间重叠度的最佳值。

(2)中国电力出版社出版的《电厂汽轮机原理及系统》教科书(2006年9月第二版第三章第四节)中，公开的汽轮机调节级变工况计算方法均不考虑调节汽门之间重叠度，而实际上，汽轮机运行过程中，各调节汽门之间均存在着一定的重叠度，由于现有的变工况计算方法均没有考虑重叠度，不能采用理论计算方法对汽轮机配汽方式进行优化，只能采用试验方法，不能真正实现对汽轮机配汽方式的优化。

(3)当考虑到重叠度的影响后，汽轮机配汽方式优化的关键问题是如何确定两个部分开启调节汽门间的流量分配。从机械的角度看，确定调节汽门的重叠度是调节系统设计中预选凸轮转角位置的必不可少的手段，从数学的角度来看，建立重叠度的数学模型，实际上属于对流过调节汽门的总蒸汽流量进行非线性分配，将总的蒸汽流量分配到每个调节汽门的问题，根据以上数学思想建立数学模型。

本发明的目的是：提供一种汽轮机在喷嘴调节方式下，使调节汽门之间为最佳重叠度，以实现最佳配汽的汽轮机配汽方式优化方法。

实现本发明目的所采取的技术方案是：

一种汽轮机配汽方式优化方法，其特征是，它包括以下步骤：

(a)汽轮机调节级特性曲线的计算：根据调节级的结构参数，对汽轮机调节级特性曲线的计算，得到调节级在各前后压力比下对应的压力比系数以及各速度比下的轮周效率，通过多项式拟合，得到调节级前后压力比与压力比系数、速度比与轮周效率之间的函数关系式；

(b)通过各调节汽门蒸汽流量的计算：测量实际运行汽轮机在原配汽方式下的各调节汽门前的蒸汽温度和压力、调节汽门后的蒸汽压力、调节级后的蒸汽温度和压力，结合各调节汽门所控制喷嘴组喷嘴数量、喷嘴喉部截面积，计算通过各喷嘴组的蒸汽流量，该蒸汽流量既是通过各对应调节汽门的蒸汽流量；

(c)各调节汽门开启面积的计算：结合各调节汽门前后的蒸汽压力比值、调节汽门前的蒸汽压力和温度、通过调节汽门的蒸汽流量，计算得到各调节汽门的开启面积，各调节汽门的升程由仪表直接读出；

(d)各调节汽门的特性曲线的确定：分别选取100％、90％、80％、70％和60％额定负荷下的运行工况，重复进行步骤(b)和(c)，得到各调节汽门的系列开启面积和升程数值；利用多项式拟合方法，得到各调节汽门升程与开启面积之间的函数关系式，并由此得到汽轮机各调节汽门的特性曲线；

(e)给定重叠度下汽轮机调节级变工况计算：选定两调节汽门之间的重叠度值为0.05，给定两个调节汽门前的蒸汽温度和压力以及各自的开度，计算得到各调节汽门后的蒸汽压力、调节级后的蒸汽压力以及各调节汽门的蒸汽流量，根据各组喷嘴的蒸汽流量，计算出调节级的相对内效率，并给出调节汽门组的升程和流量之间的关系；

(f)汽轮机配汽方式的优化：重叠度的取值范围分别在0.05～0.95之间，分别选择调节汽门之间不同的重叠度，重复(e)步骤，依据相对内效率最高、调节汽门组的升程和流量之间的关系曲线为直线的原则，得到汽轮机各调节汽门之间的最佳重叠度，从而得到汽轮机的最佳配汽方式。

本发明的一种汽轮机配汽方式优化方法是利用对流过调节汽门的总蒸汽流量进行非线性分配的数学思想，建立重叠度的数学模型，最终使考虑重叠度的调节级变工况计算方法得以实现，该方法科学合理，计算精确可靠，汽轮机在喷嘴调节方式下，能够使调节汽门之间为最佳重叠度，实现了汽轮机的最佳配汽方式。

附图说明

图1为一种汽轮机配汽方式优化方法的方框图。

图2为调节级p₂₁/p′₀-μ的回归曲线。

图3为调节级p₂₁/p′₀-μ的回归曲线。

图4为调节级x_a-η_u曲线。

图5为1号调节汽门的特性曲线。

图6为2号调节汽门的特性曲线。

图7为3号调节汽门的特性曲线。

图8为重叠度过小调节级流量曲线(ξ_p＝0.45)。

图9为重叠度过大调节级流量曲线(ξ_p＝0.92)。

图10为合理重叠度调节级流量曲线(ξ_p＝0.861)。

具体实施方式

下面对一种汽轮机配汽方式优化方法作进一步说明。

参照图1：本发明的具体实施步骤包括：

1.汽轮机调节级特性曲线的计算：根据调节级的结构参数，对汽轮机调节级特性曲线的计算，得到调节级在各前后压力比下对应的压力比系数以及各速度比下的轮周效率，通过多项式拟合，得到调节级前后压力比与压力比系数、速度比与轮周效率之间的函数关系式。

2.通过各调节汽门蒸汽流量的计算：测量实际运行汽轮机在原配汽方式下的各调节汽门前的蒸汽温度和压力、调节汽门后的蒸汽压力、调节级后的蒸汽温度和压力，结合各调节汽门所控制喷嘴组喷嘴数量、喷嘴喉部截面积，计算通过各喷嘴组的蒸汽流量，该蒸汽流量既是通过各对应调节汽门的蒸汽流量。

3.各调节汽门开启面积的计算：结合各调节汽门前后的蒸汽压力比值、调节汽门前的蒸汽压力和温度、通过调节汽门的蒸汽流量，计算得到各调节汽门的开启面积，各调节汽门的升程由仪表直接读出。

4.各调节汽门的特性曲线的确定：分别选取100％、90％、80％、70％和60％额定负荷下的运行工况，重复进行步骤(2)和(3)，得到各调节汽门的系列开启面积和升程数值；利用多项式拟合方法，得到各调节汽门升程与开启面积之间的函数关系式，并由此得到汽轮机各调节汽门的特性曲线。

5.给定重叠度下汽轮机调节级变工况计算：这里以两个调节汽门的开启情况为例，选定两调节汽门之间的重叠度值为0.05，对考虑调节汽门重叠度的调节级变工况计算方法建立数学模型：

第一个部分开启调节汽门的流量方程

$G_{10}=0.648{\mathrm{\β}}_{l1}{A}_{l1}\sqrt{p_0{\mathrm{\ρ}}_0}---\left(1\right)$

式中，G₁₀为通过第一个部分开启调节汽门的蒸汽流量，kg/s；β_l1为第一个部分开启调节汽门流量比系数；A_l1为第一个部分开启调节汽门的开启面积，m²，其为第一个调节汽门开度的函数；

第二个部分开启调节汽门的流量方程

$G_{20}=0.648{\mathrm{\β}}_{l2}{A}_{l2}\sqrt{p_0{\mathrm{\ρ}}_0}---\left(2\right)$

式中，G₂₀为通过第二个部分开启调节汽门的蒸汽流量，kg/s；β_l2为第二个部分开启调节汽门的流量比系数；A_l2为第二个部分开启调节汽门的开启面积，m²，其为第二个调节汽门开度的函数。

通过第一喷嘴组的流量方程

$G_{10}=0.648{\mathrm{\β}}_{n1}{A}_{n1}\sqrt{p_{01}{\mathrm{\ρ}}_{01}}---\left(3\right)$

式中，β_n1为第一个喷嘴组的流量比系数；A_n1为第一个喷嘴组喉部截面积，m²；p₀₁为第一喷嘴组前(第一个部分开启调节汽门后)的蒸汽压力，Pa；ρ₀₁为第一喷嘴组前(第一个部分开启调节汽门后)的蒸汽密度，kg/m³。

通过第二喷嘴组的流量方程

$G_{20}=0.648{\mathrm{\β}}_{n2}{A}_{n2}\sqrt{p_{02}{\mathrm{\ρ}}_{02}}---\left(4\right)$

式中，β_n2为第二个喷嘴组的流量比系数；A_n2为第二个喷嘴组喉部截面积，m²；p₀₂为第二喷嘴组前(第二个部分开启调节汽门后)的蒸汽压力，Pa；ρ₀₂为第二喷嘴组前(第二个部分开启调节汽门后)的蒸汽密度，kg/m³。

第一个部分开启调节汽门在某一开度下的流量比系数方程

${\mathrm{\β}}_{l1}=\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{l1}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{cr}}}{1-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{cr}}}\right)}^2}---\left(5\right)$

式中，ε_l1第一个部分开启调节汽门前后压比；当通过调节汽门的蒸汽为亚临界流动，即ε_l1＞ε_cr时β_l1为式(5)计算所得，当通过该调节汽门的蒸汽为临界或超临界流动，即ε_l1≤ε_cr时β_l1＝1。

第二个部分开启调节汽门在某一开度下的流量比系数方程

${\mathrm{\β}}_{l2}=\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{l2}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{cr}}}{1-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{cr}}}\right)}^2}---\left(6\right)$

式中，ε_l2为第二个部分开启调节汽门前后压比；当通过该调节汽门的蒸汽为亚临界流动，即ε_l2＞ε_cr时β_l2为式(6)计算所得，当通过调节汽门的蒸汽为临界或超临界流动，即ε_l2≤ε_cr时β_l2＝1。

通过第一喷嘴组的流量比系数方程

${\mathrm{\β}}_{n1}=\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{n1}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{cr}}}{1-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{cr}}}\right)}^2}---\left(7\right)$

式中，ε_n1为第一个喷嘴组的前后压比；当通过该该喷嘴组的蒸汽为亚临界流动，即ε_n1＞ε_cr时β_n1为式(7)计算所得，当通过该喷嘴组的蒸汽为临界或超临界流动，即ε_n1≤ε_cr时β_n1＝1。

通过第二喷嘴组的流量比系数方程

${\mathrm{\β}}_{n2}=\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{n2}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{cr}}}{1-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{cr}}}\right)}^2}---\left(8\right)$

式中，ε_n2为第二个喷嘴组的前后压比；当通过该喷嘴组的蒸汽为亚临界流动，即ε_n2＞ε_cr时β_n2为式(8)计算所得，当通过该喷嘴组的蒸汽为临界或超临界流动，即ε_n2≤ε_cr时β_n2＝1。

调节级后压力与流量方程

$\frac{G_{10}+G_{20}}{G_{\mathrm{vwo}}}=\frac{p_{21}}{p_2}---\left(9\right)$

方程中未知数为G₁₀，G₂₀，p₀₁，p₀₂，β_l1，β_l2，β_n1，β_n2，p₂₁。方程封闭。

求解得到上述各未知数后，即能够对调节级相对内效率进行计算。同时，得到调节汽门组的升程与总流量之间的关系曲线。

6.汽轮机配汽方式的优化：重叠度的取值范围分别在0.05～0.95之间，分别选择调节汽门之间不同的重叠度，再重复第5步的给定重叠度下汽轮机调节级变工况计算，依据相对内效率最高、调节汽门组的升程和流量之间的关系曲线为直线的原则，得到汽轮机各调节汽门之间的最佳重叠度，实现对汽轮机配汽方式的优化。

本发明的一种汽轮机配汽方式优化方法在某600MW汽轮机配汽方式改造中的应用。

1.汽轮机调节级特性曲线的计算：采用某600MW汽轮机调节级的结构参数，对其调节级的通用特性曲线进行了计算，得到该汽轮机调节级级前后的压比p₂₁/p′₀与系数μ之间的函数关系如图2和图3所示。同时，为了便于对调节级轮周效率的计算，将计算得到的速度比与轮周效率之间的关系示于图4中。

2.通过各调节汽门蒸汽流量的计算：根据汽轮机运行过程中的主蒸汽压力、主蒸汽温度、调节级级后压力，得到通过第i个调节汽门所控制喷嘴的流量为

G_i＝E_iμ_ip₂₁    (10)

其中

$E_i=0.648\frac{A_{\mathrm{ni}}}{\sqrt{p_0{v}_0}}---\left(11\right)$

${\mathrm{\μ}}_i=\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ni}}}{p_{21}/p_{0i}^{\′}}---\left(12\right)$

上述诸式中，E_i为系数；μ_i是调节汽门所对应喷嘴组的前后压力比p₂₁/p′₀的函数；p₂₁、p′_0i分别为运行中调节级级后压力、调节汽门后的压力，Pa；v₀为主蒸汽的比容，m³/kg；A_ni为调节汽门对应的喷嘴组的通流面积，m²；β_ni为调节汽门所对应喷嘴的流量比系数。

3.各调节汽门开启面积的计算：通过调节汽门的实际蒸汽流量为

$G_i=0.648{\mathrm{\β}}_i{A}_i\sqrt{p_0{\mathrm{\ρ}}_0}---\left(13\right)$

上述诸式中，p₀为调节汽门前的蒸汽压力，Pa；ρ₀为调节汽门前的蒸汽密度，kg/m³；A_i调节汽门的实际开启面积，其为调节汽门开度的函数，m²；β_i为调节汽门的流量比系数，其表示在相同调节汽门前的蒸汽压力及调节汽门开度条件下，通过调节汽门的流量与其实际临界流量之比，其可以表示为调节汽门前后压力比的函数，即

当通过调节汽门的蒸汽为亚临界流动，即ε_vi＞ε_cr时

${\mathrm{\β}}_i=\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{vi}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{cr}}}{1-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{cr}}}\right)}^2}$

当通过调节汽门的蒸汽为临界或超临界流动，即ε_vi≤ε_cr时

β_i＝1

其中，i为调节汽门的序号；ε_vi、ε_cr分别为调节汽门的前后压力比和临界压力比，对于过热蒸汽，ε_cr＝0.546。

对于调节汽门的前后压力比

${\mathrm{\ϵ}}_v=\frac{p_{0i}^{\′}}{p_0}$

其中，p′_0i为调节汽门后的压力，Pa。

由式(13)，即得到在一定调节汽门开度下的调节汽门进汽面积为

$A_i=G_i/\left(0.648{\mathrm{\β}}_i\sqrt{p_0{\mathrm{\ρ}}_0}\right)---\left(14\right)$

4.各调节汽门的特性曲线的确定：得到各调节汽门的一系列开启面积和升程数值；利用多项式拟合方法，得到各调节汽门升程与开启面积之间的函数关系式，并由此得到汽轮机各调节汽门的特性曲线。

表1单阀控制方式下各调节汽门的试验数据

用表1中的测量数据，得到该600MW汽轮机1号、2号和3号调节汽门的进汽面积与开度之间关系曲线，如图5、图6和图7所示。4号调节汽门与1号调节汽门的特性相同，故未单独列出4号调节汽门进汽面积与开度之间关系曲线。

5.给定重叠度下汽轮机调节级变工况计算：汽轮机的进汽量随着电负荷的变化而需要调节，采用喷嘴调节时，多个调节汽阀依次开启。在前一阀门尚未全开时，下一阀便提前打开。当前阀全打开时，下阀提前开启的量称为阀门的重叠度。这里，采用压力重叠度ζp来表示汽轮机调节汽门之间重叠度的大小。压力重叠度表示为

ξ_p＝1-p₁/p_1max    (15)

式中，p₁为对应于部分开启调节汽门的阀后压力；p_1max为对应于全开调节汽门的阀后压力。重叠度过大，即前一阀门开度较小时，下一阀门就已开启，此时节流损失最大，机组的经济性降低幅度也较大。重叠度较小或无重叠度时节流损失较小，能提高机组经济性。重叠度的取值范围分别在0.05～0.95之间，分别选择调节汽门之间不同的重叠度。采用喷嘴调节方式时，当调门的开启次序及单个调门的升程流量特性一定时，调节汽门组的联合特性就只取决于阀门开启的重叠度。若已知单个调节汽门的升程-流量特性(见图5～图7)，则在喷嘴调节方式下运行时，在本应用实例中，选择重叠度值分别为0.45、0.92和0.861，得到调节汽门组的流量-升程特性曲线分别如图中8、图9和图10所示。图8可见，当重叠度较小时，调节汽门组的流量-升程特性是一条曲线，对调节显然是不利的。图9和图10可见，当重叠度较大时，调节汽门组的流量-升程特性趋于一条直线，有利于对汽轮机负荷的调节。

6.汽轮机配汽方式的优化：喷嘴调节方式方式下，通过各调节汽门蒸汽的流量、各调节汽门后的压力可以通过本文所得方法确定，由于蒸汽通过调节汽门的过程为节流过程，所以各调节汽门后汽流的焓值均等于主蒸汽的焓值，同时应用各调节汽门前的蒸汽热力参数，等熵膨胀到调节级后压力即可求出各调节汽门的理想焓降。通过各调节汽门的理想焓降可以求出各调节汽门的速比，根据调节级特性曲线能够求出各调节汽门的轮周有效焓降。各调节汽门的轮周有效焓降乘以各自的流量求和后，再与总流量相除即可得到调节级的轮周有效焓降。调节级的轮周有效焓降减去调节级的叶高损失和部分进汽损失，得到调节级的有效焓降，调节级的有效焓降除以主蒸汽的理想焓降即为调节级的相对内效率。通过计算得到对应图8、图9和图10，0.45、0.92和0.861三个不同重叠度下，汽轮机调节级的相对内效率分别为0.71、0.62和0.65。

依据汽轮机调节级相对内效率最高和调节汽门组的流量-升程特性曲线趋于直线的原则，得到该汽轮机调节汽门的最佳重叠度为ξ_p＝0.861。通过在某电厂600MW汽轮机的运行实践，证明了本发明的一种汽轮机配汽方式优化方法科学合理，计算精确可靠，汽轮机在喷嘴调节方式下，能够使调节汽门之间为最佳重叠度，实现了汽轮机的最佳配汽方式。

Claims (1)

1.一种汽轮机配汽方式优化方法，其特征是，它包括以下步骤：

(a)汽轮机调节级特性曲线的计算：根据调节级的结构参数，对汽轮机调节级特性曲线的计算，得到调节级在各前后压力比下对应的压力比系数以及各速度比下的轮周效率，通过多项式拟合，得到调节级前后压力比与压力比系数、速度比与轮周效率之间的函数关系式；

(b)通过各调节汽门蒸汽流量的计算：测量实际运行汽轮机在原配汽方式下的各调节汽门前的蒸汽温度和压力、调节汽门后的蒸汽压力、调节级后的蒸汽温度和压力，结合各调节汽门所控制喷嘴组喷嘴数量、喷嘴喉部截面积，计算通过各喷嘴组的蒸汽流量，该蒸汽流量既是通过各对应调节汽门的蒸汽流量；

(c)各调节汽门开启面积的计算：结合各调节汽门前后的蒸汽压力比值、调节汽门前的蒸汽压力和温度、通过调节汽门的蒸汽流量，计算得到各调节汽门的开启面积，各调节汽门的升程由仪表直接读出；

(d)各调节汽门的特性曲线的确定：分别选取100％、90％、80％、70％和60％额定负荷下的运行工况，重复进行步骤(b)和(c)，得到各调节汽门的系列开启面积和升程数值；利用多项式拟合方法，得到各调节汽门升程与开启面积之间的函数关系式，并由此得到汽轮机各调节汽门的特性曲线；

(e)给定重叠度下汽轮机调节级变工况计算：选定两调节汽门之间的重叠度值为0.05，给定两个调节汽门前的蒸汽温度和压力以及各自的开度，计算得到各调节汽门后的蒸汽压力、调节级后的蒸汽压力以及各调节汽门的蒸汽流量，根据各组喷嘴的蒸汽流量，计算出调节级的相对内效率，并给出调节汽门组的升程和流量之间的关系；

(f)汽轮机配汽方式的优化：重叠度的取值范围分别在0.05～0.95之间，分别选择调节汽门之间不同的重叠度，重复(e)步骤，依据相对内效率最高、调节汽门组的升程和流量之间的关系曲线为直线的原则，得到汽轮机各调节汽门之间的最佳重叠度，从而得到汽轮机的最佳配汽方式。

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