CN114718663B - 可调抽汽汽轮机通流结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及汽轮机技术领域，尤其是涉及一种可调抽汽汽轮机通流结构及其设计方法。该可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法包括以下步骤：可调抽汽汽轮机通流结构包括前端均与抽汽点相连通的第一溢流阀、第二溢流阀和抽汽点后方第一预定数量的膨胀级，抽汽点后最上游第二预定数量膨胀级为第一级组，将第一级组后所有膨胀级作为第二级组；第一溢流阀和第二溢流阀的后端分别与第一级组和第二级组的前端相连通，第一溢流阀和第二溢流阀的最大流量均小于第二溢流量；计算第一预定数量、第二预定数量以及每个膨胀级的几何参数。该可调抽汽汽轮机通流结构由该设计方法设计而成。该可调抽汽汽轮机通流结构及其设计方法，提高装置运行的时间加权平均效率。

Description

可调抽汽汽轮机通流结构及其设计方法

技术领域

本申请涉及汽轮机技术领域，尤其是涉及一种可调抽汽汽轮机通流结构及其设计方法。

背景技术

带有可调抽汽的汽轮机广泛应用于工业领域，在对外提供动力的基础上，还能够对外提供稳定压力的蒸汽，该恒定压力的蒸汽可供热电联产、石油化工、纺织食品等行业使用，因其做到了能量的分级利用，增加了整个流程的经济性。

目前，可调抽汽汽轮机在抽汽点后由单组调节阀来控制流入下一级的流量，以维持抽汽口的压力，为满足所有运行工况溢流量的要求，抽汽后的汽轮机通流部分通常是按照最大溢流工况而设计。

如图1和图2所示，示出了一种现有的可调抽汽汽轮机通流结构，抽汽前级组的流量为M总^′，抽汽点的抽汽量为M抽_N ^′，采用单组调节阀1’将溢流蒸汽引入抽汽点后级组的前端，其中，图1是可调抽汽汽轮机在最大溢流工况运行的汽流分配示意图，当可调抽汽汽轮机以最大溢流工况运行的情况下，抽汽点的溢流量为M_N ^′，调节阀1’全部开启(以无填充的调节阀1’表示)，因而调节阀1’的最大开度按照最大溢流工况设计，然而结合图2给出的可调抽汽汽轮机在最大溢流工况运行的汽流分配示意图，可以知道，当可调抽汽汽轮机以额定工况溢流量运行的情况下，抽汽点的溢流量为M_K ^′，M_K ^′小于M_N ^′，需要将调节阀1’的开度根据抽汽点的溢流量调节至部分开启(以有填充的调节阀1’表示)。

有鉴于此，抽汽点的压力在额定工况和最大溢流工况相同且均等于P₀ ^′，也就是调节阀1’的前端压力在两种工况下相等的前提下，结合根据弗留格尔原理，可以知道，调节阀1’的后端压力(等于抽汽点后级组的前端压力)在额定工况的数值P_1K ^′小于在最大溢流工况的数值P_1N ^′，因而调节阀1’的前后压差在额定工况相较于最大溢流工况增大，导致高品质的蒸汽在额定工况被白白节流浪费，机组效率随之降低。

综上所述，从时间维度看，由于最大溢流工况点往往持续时间较短，其余较长的时间段内以额定工况运行，所以整套装置的时间加权平均效率不高。

发明内容

本申请的目的在于提供一种可调抽汽汽轮机通流结构及其设计方法，以在一定程度上解决现有技术中存在的可调抽汽汽轮机通流结构的时间加权平均效率不高的技术问题。

本申请提供了一种可调抽汽汽轮机通流结构，包括以下步骤：

将可调抽汽汽轮机通流结构配置为包括第一溢流阀、第二溢流阀和位于抽汽点的后方的膨胀级，所述可调抽汽汽轮机通流结构包括的膨胀级的总数为第一预定数量；

将所述抽汽点在额定工况的溢流量定义为第一溢流量M_K，将所述抽汽点在最大溢流工况的溢流量定义为第二溢流量M_N；

将所述抽汽点后的位于最上游的第二预定数量的膨胀级定义为第一级组，将所述第一级组后的所有膨胀级定义为第二级组，所述第二预定数量小于所述第一预定数量；

将所述第一溢流阀的前端和所述第二溢流阀的前端均配置为与所述抽汽点相连通，将所述第一溢流阀的后端配置为与所述第一级组的前端相连通，将所述第二溢流阀的后端配置为与所述第二级组的前端相连通，并将所述第一溢流阀和所述第二溢流阀在最大开度下的流量均配置为小于所述第二溢流量；

计算所述第一预定数量、所述第二预定数量以及每个所述膨胀级的几何参数。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述计算所述第一预定数量、所述第二预定数量以及每个所述膨胀级的几何参数的步骤具体包括：

选定所述抽汽点的压力P₀、所述第一级组的进汽压力P₁及所述第二级组的排汽压力P₃；

以所述抽汽点以后所有膨胀级在额定工况的效率最高为目标，计算所述第一预定数量以及每个所述膨胀级的几何参数；

以所述抽汽点以后所有所述膨胀级在最大溢流工况的功率最高为目标，计算所述第二预定数量。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述以所述抽汽点以后所有膨胀级在额定工况的效率最高为目标，计算所述第一预定数量以及每个所述膨胀级的几何参数的步骤具体包括以下步骤：

以所述抽汽点以后所有膨胀级在额定工况的效率最高为目标，计算所述第一级组在额定工况的流量M_1K以及所述第二级组在额定工况的流量M_2K；

根据所述第一级组在额定工况的流量M_1K和所述第二级组在额定工况的流量M_2K，计算所述第一预定数量以及每个所述膨胀级的几何参数。

在上述任一技术方案中，进一步地，将所述第一级组在额定工况下的流量M_1K与所述第二级组在额定工况下的流量M_2K配置为等于所述第一溢流量M_K。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述以所述抽汽点以后所有所述膨胀级在最大溢流工况的功率最高为目标，计算所述第二预定数量的步骤具体包括以下步骤：

根据最大溢流工况下的所述第二级组的前端压力P_2N与额定工况下的所述第二级组的前端压力P_2K之间的关系，计算额定工况下的所述第二级组的前端压力_P2_K的取值范围；

以所述抽汽点以后所有膨胀级在最大溢流工况的功率最高为目标，计算额定工况下的所述第二级组的前端压力P_2K；

根据额定工况下的所述第二级组的前端压力P_2K，确定第二预定数量。

在上述任一技术方案中，进一步地，计算到的所述额定工况下的所述第二级组的前端压力P_2K的取值范围为：

其中，β为所述第二溢流量M_N与所述第一溢流量M_K的比值。

在上述任一技术方案中，进一步地，在确保所述第一级组不发生鼓风且所述第二溢流阀的后端尽量靠近所述第一溢流阀的后端的前提下，以所述抽汽点以后所有膨胀级在最大溢流工况工作的功率最高为目标，计算额定工况下的所述第二级组的前端压力P_2K。

在上述任一技术方案中，进一步地，将最大溢流工况下所述第一溢流阀的流量M_阀1N和最大溢流工况下所述第二溢流阀的流量M_阀2N之和，配置为在所述第一溢流阀和所述第二溢流阀被同时开启至最大开度的情况下大于等于所述第二溢流量M_N；

将额定工况下所述第一溢流阀的流量M_阀1K，配置为在所述第二溢流阀处于关闭且所述第一溢流阀处于最大开度的状态下等于所述第一溢流量M_K。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法还包括以下步骤：

将所述第一溢流阀和所述第二溢流阀配置为在最大溢流工况下同时完全开启；

或者，将所述第一溢流阀配置为在所述抽汽点的溢流量处于所述第一溢流量M_K与所述第二溢流量M_N之间的工况下完全开启，将第二溢流阀配置为在所述抽汽点的溢流量处于所述第一溢流量M_K与所述第二溢流量M_N之间的工况下部分开启；

或者，将所述第一溢流阀配置为在额定工况下完全开启，将所述第二溢流阀配置为在额定工况下保持关闭；

或者，将所述第一溢流阀配置为在所述抽汽点的溢流量小于所述第一溢流量M_K的工况下部分开启，将所述第二溢流阀配置为在所述抽汽点的溢流量小于所述第一溢流量M_K的工况下保持关闭。

本申请还提供了一种可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法，通过上述任一技术方案所述的可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法设计而成。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供的可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法，将可调抽汽汽轮机通流结构配置为包括第一溢流阀、第二溢流阀和位于抽汽点的后方的第一预定数量的膨胀级。

将第一溢流阀的前端和第二溢流阀的前端均配置为与抽汽点相连通，将最靠近抽汽点的第二预定数量的膨胀级定义为第一级组，将第一溢流阀的后端配置为与第一级组的前端相连通，将第二溢流阀的后端配置为与第一级组的后端相连通，使得第一溢流阀能够将抽汽点的溢流量定向引导至第一级组的前端，使得第二溢流阀能够将抽汽点的溢流量定向引导至第一级组的后端。

从而一方面，通过第一溢流阀和第二溢流阀对抽汽点的溢流量向抽汽点后的流动进行分段控制，相较于现有技术中只通过单个溢流阀，对于抽汽点的溢流量的流动控制更加灵活且有针对性。

另一方面，第一溢流阀和所述第二溢流阀在最大开度下的流量均设置为小于所述第二溢流量，使得分段控制范围覆盖最大溢流工况和常用工况(包括额定工况以及额定工况附近的其他工况)，不仅能够使常用工况效率得以提高，还能够确保最大溢流工况的做功能力不受影响，进而能够提高该可调抽汽汽轮机通流结构的时间加权平均效率。

本申请提供的可调抽汽汽轮机通流结构，通过上述的可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法设计而成，因而能够实现上述的可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法的所有有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的可调抽汽汽轮机通流结构在最大溢流工况下的汽流分配示意图；

图2为现有技术中的可调抽汽汽轮机通流结构在额定工况下的汽流分配示意图；

图3为本申请实施例一所设计的可调抽汽汽轮机通流结构在最大溢流工况的基本结构示意图；

图4为本申请实施例一所设计的可调抽汽汽轮机通流结构在最大溢流工况的汽流分配示意图；

图5为本申请实施例一所设计的可调抽汽汽轮机通流结构在额定工况的基本结构示意图；

图6为本申请实施例一所设计的可调抽汽汽轮机通流结构在额定工况的汽流分配示意图；

图7为本申请实施例一所设计的可调抽汽汽轮机通流结构在第一常用工况的汽流分配示意图；

图8为本申请实施例一所设计的可调抽汽汽轮机通流结构在第二常用工况的汽流分配示意图；

图9为本申请实施例一所设计的可调抽汽汽轮机通流结构的焓熵图；

图10为任一级组的压力系数-效率曲线图；

图11为本申请实施例一提供的算例中的可调抽汽汽轮机通流结构的最大溢流工况功率PI_N-第二溢流阀在额定工况下的后端压力P_2K的曲线图。

图1和图2的附图标记：1’-调节阀。

图3至图11的附图标记：2-第一溢流阀；3-第二溢流阀。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

参见图3至图11所示，本申请的实施例提供了一种可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法，用于提高可调抽汽汽轮机的时间加权平均效率。

本申请的实施例提供的可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法包括以下步骤：

步骤S100，将可调抽汽汽轮机通流结构配置为包括第一溢流阀、第二溢流阀和位于抽汽点的后方的膨胀级，可调抽汽汽轮机通流结构包括的膨胀级的总数为第一预定数量；

步骤S200，将抽汽点在额定工况的溢流量定义为第一溢流量M_K，将抽汽点在最大溢流工况的溢流量定义为第二溢流量M_N；

步骤S300，将抽汽点后的位于最上游的第二预定数量的膨胀级定义为第一级组，将第一级组后的所有膨胀级定义为第二级组，第二预定数量小于第一预定数量；

步骤S400，将第一溢流阀的前端和第二溢流阀的前端均配置为与抽汽点相连通，将第一溢流阀的后端配置为与第一级组的前端相连通，将第二溢流阀的后端配置为与第二级组的前端相连通，并将第一溢流阀和第二溢流阀在最大开度下的流量均配置为小于第二溢流量；

步骤S500，计算第一预定数量、第二预定数量以及每个膨胀级的几何参数。

在步骤S100中，如图3、图5、图7和图8所示，抽汽前级组的流量为M_总，抽汽点用于从抽汽前级组抽取蒸汽，能够将抽取出的适量蒸汽(图3中的M_抽N，图5中的M_抽K，图7中的M_抽C1，图8中的M_抽C2)用于供热等，且根据需求不同，抽汽点的抽汽流量可调，抽汽前级组未被抽汽点抽走的流量为抽汽点的溢流量(图3中的M_N，图5中的M_K，图7中的M_C1，图8中的M_C2)，将抽汽点的溢流量用于驱动抽汽后级组，抽汽后级组包括抽汽点的后方的第一预定数量的膨胀级，抽汽点的溢流量随抽汽点的抽汽流量变化。其中，抽汽点的后方是指，沿着溢流蒸汽的流动方向位于抽汽点的背离于抽汽前级组的方向。

具体而言，如图3和4所示，当抽汽点处于最大溢流工况N，抽汽点的抽汽流量处于最小值，抽汽点的抽汽流量为M_抽N，抽汽点的溢流量为第二溢流量，也即最大溢流量，用参数M_N表示；如图5和图6所示，当抽汽点处于额定工况K，抽汽点的抽汽流量处于额定值，抽汽点的抽汽流量为M_抽K，抽汽点的溢流量为第一溢流量，也即额定溢流量，用参数M_K表示；如图7所示，当抽汽点处于第一常用工况C1的情况下，抽汽点的抽汽流量为M_抽C1，抽汽点的溢流量为M_C1，M_C1小于M_K；如图8所示，当抽汽点处于第二常用工况C2的情况下，抽汽点的抽汽流量为M_抽C2，抽汽点的溢流量为M_C2，M_C2大于MK且小于M_N。

在步骤S200至步骤S400中，如图4以及图6至图8所示，抽汽点后级组被配置为包括第一级组和第二级组，其中，第一级组包括从抽汽点向后数的前第二预定数量个膨胀级，第二级组包括第一级组以后的所有膨胀级。也就是说，如图4以及图6至图8，第一级组中所包括的膨胀级的数量为第二预定数量，第二级组所包括的膨胀级的数量为第一预定数量与第二预定数量的差值。

由于第一溢流阀2的前端和第二溢流阀3的前端均配置为与抽汽点相连通，所以第一溢流阀2的前端的压力和第二溢流阀3的前端的压力相等，并且均等于抽汽点的压力。

当第一溢流阀2和第二溢流阀3均处于开启状态时，抽汽点的一部分溢流蒸汽将经由第一溢流阀2流向第一级组的前端，因而第一溢流阀2的后端压力等于第一级组的前端压力。与此同时，抽汽点的另一部分溢流蒸汽经由第二溢流阀3流向第二级组的前端，也就是第一级组的后端，因而，第二溢流阀3的后端压力等于第一级组的后端压力，且等于第二级组的前端压力。

可以理解的是，流经第一溢流阀2的溢流蒸汽和流经第一级组的溢流蒸汽在第二级组的前端汇合后共同流入第二级组，第二级组的后端也是抽汽点后级组的后端，第二级组的后端压力定义为第二级组的排汽压力，也即抽汽后机组的排汽压力。

因此，当仅开启第一溢流阀2的情况下，抽汽点的溢流蒸汽全部经过第一溢流阀2流入到第一级组，再通过第一级组流入到第二级组。

通过将第一溢流阀2和第二溢流阀3在最大开度下的流量均设计为小于最大溢流量，一方面，在最大溢流工况下，可以将第一溢流阀2和第二溢流阀3均打开，以使第一级组和第二级组的吞吐量满足第二溢流量的要求。另一方面，在抽汽点的溢流量不足第二溢流量的情况下，也即额定工况K、第一常用工况C1或第二常用工况C2下，可以仅打开第一溢流阀2和第二溢流阀3中的一个，或者同时打开第一溢流阀2和第二溢流阀3但是把开度调小，从而仅通过第一级组或者第二级组的吞吐量满足要求。

在步骤S500中，通过对第一预定数量、第二预定数量及每个膨胀级的几何参数进行设计，也就是说，对该可调抽汽汽轮机通流结构所包括的膨胀级的总数、可调抽汽汽轮机通流结构所包括的所有膨胀级的几何参数以及第一级组包括的膨胀级的总数进行设计，从而通过该可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法设计而成的可调抽汽汽轮机通流结构，能够通过第一溢流阀2对溢流蒸汽向第一级组的前端的分配量进行调节，并通过第二溢流阀3对溢流蒸汽向第二级组的前端的分配量进行调节。

不仅能够满足最大溢流工况的溢流需求，而且相较于现有技术中只使用一个溢流阀并将通流部分的流量按照第二溢流量进行设计的方案，显著减小了在额定工况下第一溢流阀2或第二溢流阀3的前端和后端的压力差，也即减小了节流浪费，提高了级组效率，从时间维度看，应用该可调抽汽汽轮机通流结构的汽轮机的加权平均效率得以提高。

本实施例的可选方案中，步骤S500具体包括以下步骤：

步骤S510，选定抽汽点的压力P0、第一级组的进汽压力P1及第二级组的排汽压力P₃；

步骤S520，以抽汽点以后所有膨胀级在额定工况的效率最高为目标，计算第一预定数量以及每个膨胀级的几何参数；

步骤S530，以抽汽点以后所有膨胀级在最大溢流工况的功率最高为目标，计算第二预定数量。

其中，在步骤S510中，如图3至图8所示，具体而言，是将抽汽点的压力选择为在最大溢流工况N、额定工况K、第一常用工况C1以及第二常用工况C2四种工况下的相同且均为P₀；将第一级组的前端压力选择为在最大溢流工况N、额定工况K、第一常用工况C1以及第二常用工况C2四种工况下的相同且均为P₁；将第二级组的排汽压力选择为在最大溢流工况N、额定工况K、第一常用工况C1以及第二常用工况C2四种工况下的相同且均为P₃。

从而在上述四种工况下，第一溢流阀2的前端压力和第二溢流阀3的前端压力均等于抽汽点的压力P₀；第一溢流阀2的后端压力均等于第一级组的前端压力P₁，也即选定了四种工况下的第二预定数量的膨胀级的最后端的压力；抽汽后级组的后端压力等于第二级组的后端压力，也就是等于第二级组的排汽压力P₃，也即选定了四种工况下的抽汽后级组的排汽压力。

在步骤S520中，对膨胀级的总数(第一预定数量)以及每个膨胀级的几何参数进行设计，以使抽汽点以后所有膨胀级在额定工况的效率最高，在步骤S520的基础上，在步骤S530中基于已经确定的每个膨胀级的几何参数，对第一级组包括的膨胀级的总数(第二预定数量)进行设计，以使抽汽点以后所有膨胀级在最大溢流工况的功率最高。

也就是说，基于计算到的第一预定数量、每个膨胀级的几何参数以及第二预定数量，能够确保额定工况的效率最高，且最大溢流工况的功率最高。具体而言，由于以额定工况工作的时间占比达，因而通过确保额定工况的效率最高，能够提高该可调抽汽汽轮机通流结构的时间加权平均效率，减少蒸汽能量的浪费，在此基础上，确保最大溢流工况的功率最高，能够提高最大溢流工况下第一级组和第二级组的对外做功能力。

本实施例的可选方案中，步骤S520具体包括以下步骤：

步骤S521，以抽汽点以后所有膨胀级在额定工况的效率最高为目标，计算第一级组在额定工况的流量M_1K以及第二级组在额定工况的流量M_2K；

步骤S522，根据第一级组在额定工况的流量M_1K和第二级组在额定工况的流量M_2K，计算第一预定数量以及每个膨胀级的几何参数。

在步骤S521中，如图5所示，将第一级组和第二级组分别作为整体进行计算，忽略第一级组和第二级组内的具体结构，具体而言，忽略具体分别包括多少个膨胀级以及内部的膨胀级的几何参数。如图6所示，建立抽汽点以后所有膨胀级在额定工况的效率与第一级组在额定工况的流量M_1K以及第二级组在额定工况的流量M_2K之间的关系，再以抽汽点以后所有膨胀级在额定工况下的效率最高为目标进行优化，最终确定第一级组在额定工况的流量M_1K以及第二级组在额定工况的流量M_2K。

在步骤S522中，如图6所示，在对第一级组在额定工况的流量M_1K和第二级组在额定工况的流量M_2K进行确定之后，再据此对所有膨胀级的总数(第一预定数量)以及每个膨胀级的几何参数(例如通流面积)进行设计，以使该可调抽汽汽轮机通流结构在额定工况的效率最高，由于额定工况持续的时间更长，所以可调抽汽汽轮机通流结构在额定工况的效率更高，能够确保该可调抽汽汽轮机通流结构具有更高的时间加权平均效率。

在本实施例中，如图5和图6所示，将第一级组在额定工况下的流量M_1K和第二级组在额定工况下的流量M_2K均配置为等于第一溢流量M_K，以对每个膨胀级的几何参数进行设计，具体而言，根据流量对每个膨胀级的几何参数进行设计的方法是现有的，在此不做赘述。

之所以将第一级组在额定工况的流量M_1K和第二级组在额定工况的流量M_2K均配置为等于第一溢流量M_K，是因为如此能够使得抽汽点以后的所有膨胀级在额定工况的效率最高，也就是压力损失最小。具体而言，抽汽点以后的所有膨胀级在额定工况的压力损失LOSS主要包括以下四部分：第一溢流阀2的压力损失LOSS₁，第二溢流阀3的压力损失LOSS₂，第一级组的蒸汽流动损失LOSS₃以及第二级组的蒸汽流动损失LOSS₄。

因而结合图5和图6所示，抽汽点以后的所有膨胀级在额定工况的压力损失LOSS可以通过下式进行计算：LOSS＝LOSS₁+LOSS₂+LOSS₃+LOSS₄＝(HS02_K-HS12′_K)*M_阀1K+(HS02_K+HS23_K-HS23″_K)*M_阀2K+HS12′_K*M_1K*(1-η_1K)+HS23″_K*M_2K*(1-η_2K)。

其中，参见图9所示，HS02_K为额定工况下蒸汽从抽汽点流动第一级组的后端的过程中的等熵焓降，对应于额定工况K下图中的符号HS02，HS12′_K为额定工况下蒸汽从第一级组的前端流动至第一级组的后端的过程中的等熵焓降，对应于额定工况K下图中的符号HS12′，HS23_K为理想状态额定工况下蒸汽从第一级组的后端流动至第二级组的后端(排汽点)的等熵焓降，对应于额定工况K下图中的符号为HS23，HS23″_K为实际状态额定工况下蒸汽在第一级组的后端至第二级组的后端(排汽点)的等熵焓降，对应于额定工况K下图中的符号为HS23″，η_1K为第一级组在额定工况的效率，η_2K为第二级组在额定工况下的效率。

将M1K+M_阀2K＝M2K带入到上式中，以对上式进行简化，从而可以得到：LOSS＝(HS02_K-HS12′_K-HS02_K-HS23_K+HS23″_K+HS12′_K-HS12′_K*η_1K)*M_1K+(HS02_K+HS23_K-HS23_K+HS23″_K-HS23″_K*η_2K)*M_2K＝(HS23″_K-HS23_K-HS12′_K*η_1K)*M_1K+(HS03_K-HS23″_K*η_2K)*M_2K。

如图所示，焓熵图中等压力线几乎平行，所以：HS23″_K替换为HS23_K，HS12′_K替换为HS12_K，从而将抽汽点以后的所有膨胀级在额定工况的压力损失LOSS简化为LOSS＝(HS03_K-HS23_K*η_2K)*M_2K-HS12′_K*η_1K*M_1K。

考察上式，如果选定了P_2K，对不同的设计方案，M_1K和M_2K前的系数基本保持不变，因此，减小M_2K，增大M_1K时，总损失不断减小，且由于M_1K和M_2K均趋近于M_K的情况下，损失LOSS取得最小值，也即抽汽点以后的所有膨胀级在额定工况的效率最高。在这种情况下，M_1K＝M_2K＝M_K，ΔM_阀2K＝0且LOSS_min＝(HS03-HS23*η₂-HS12*η₁)*M_k。如图6所示，在额定工况下，需要将第二溢流阀3切换至全关状态(以全填充的形式表达全关状态)，确保第二溢流阀3的流量等于0，第一级组的流量和第二级组的流量相等。

本实施例的可选方案中，步骤S600具体包括以下步骤：

步骤S610，根据最大溢流工况下的第二级组的前端压力P_2N与额定工况下的第二级组的前端压力P_2K之间的关系，计算额定工况下的第二级组的前端压力P_2K的取值范围；

步骤S620，以抽汽点以后所有膨胀级在最大溢流工况的功率最高为目标，计算额定工况下的第二级组的前端压力P_2K；

步骤S630，根据额定工况下的第二级组的前端压力P_2K，确定第二预定数量。

其中，结合图3和图5所示，在步骤S610中，抽汽点的压力P₀、第一级组的进汽压力P₁及第二级组的排汽压力P₃均已经被选定，先确定最大溢流工况N下对于第二溢流阀3的后端压力P_2N的限制条件，具体而言，第二溢流阀的后端压力P_2N小于第一溢流阀的后端压力P1，且第二溢流阀的后端压力P_2N大于第二级组的排汽压力P₃。

再结合额定工况下的第二溢流阀3的后端压力P_2K与最大溢流工况下的第二溢流阀3的后端压力P_2N之间的关系，确定额定工况下的第二溢流阀3的后端压力P_2K的取值范围。

具体而言，最大溢流工况下的第二溢流阀3的后端压力P_2N的表达式为由于P₁＞P_2N＞P₃，所以将P_2N的表达式带入该不等式，可以得到/>进而可以得到额定工况下的第二溢流阀3的后端压力P2_K的取值范围为/>其中，P1为选定的第一溢流阀2的后端压力，P_2K为额定工况下的第二溢流阀3的后端压力，P3为选定的第二级组的后端压力或叫排汽压力，β为第二溢流量M_N与第一溢流量M_K的比值。

进一步地，在步骤S620中，抽汽点以后所有膨胀级在最大溢流工况的功率大小与最大溢流工况下的第二溢流阀3的后端压力P_2N大小相关，从而通过最大溢流工况下的第二溢流阀3的后端压力P_2N表达抽汽点以后所有膨胀级在最大溢流工况下的功率，结合在步骤S610中确定的最大溢流工况下的第二溢流阀3的后端压力P_2N的表达式以及额定工况下的第二溢流阀3的后端压力P_2K的取值范围/>在额定工况下的第二溢流阀3的后端压力的取值范围中选定额定工况下的第二溢流阀3的后端压力P_2K，以使抽汽点以后所有膨胀级在最大溢流工况下的功率最大化。

具体而言，在最大溢流工况下抽汽点以后所有膨胀级在最大溢流工况下的功率PI_N的表达式为PI_N＝(M_N-M_阀2N)*HS12′_N*η_1N+M_N*HS23″_N*η_2N，其中，如图9所示，HS12′_N为在最大溢流工况蒸汽从第一级组的前端流动至第一级组的后端的过程中的等熵焓降，对应于最大溢流工况N下图中的符号HS12′，η_1N为第一级组在最大溢流工况的效率，HS23″_N为在最大溢流工况蒸汽从第一级组的后端至第二级组的后端(排汽点)的等熵焓降，对应于最大溢流工况N下图中的符号HS23″，η_2N为第二级组在最大溢流工况的效率。

M_阀2N为最大溢流工况下第二溢流阀3的流量，具体而言，是在最大溢流工况下第二级组的流量M_2N与第一溢流阀2的流量M_1N的差值，其中，根据弗留格尔公式得到，

进一步地，可以将上式整理为下式，

因而，讨论抽汽点以后的所有膨胀级的最大功率(做工能力)就是讨论PI_N的最大值问题，M_阀2N、HS12′_N、HS23"_N均是关于P_2K、β和M_K的函数，其中，β和M_K均为已知的常量，所以可以得到结论抽汽点以后的所有膨胀级的做功能力取决于P_2K。因而，可以在确定了P_2K的取值范围的基础上，从P_2K的取值范围中选取能够使得PI_N取得最大值的数值。

进一步地，还可以通过粗略计算确定η_1N和η_2N，从而确定PI_N的最大数值，其中，η_1N、η_2N主要与HS12′_N、HS23"_N有关，也就是与最大溢流工况下第一级组的压力系数以及最大溢流工况下第二级组的压力系数/>有关。其中，/>U₁为第一级组各级旋转部件的平均旋转线速度，/>U₂为第二级组各级旋转部件的平均旋转线速度，因而在U₁和U₂能够直接获取的情况下，可以采用上式计算/>和

此外，如果U₁和U₂能够不能直接获取，而额定工况下第一级组的压力系数和额定工况下第二级组的压力系数/>能够直接获取的情况下，可以采用以下步骤计算/>和

由于从而可以得到

进而据上式能够算出

同理，由于从而可以得到

进而据上式能够算出

统计发现，对于不同级组而言，当压力系数相同时，虽然不同的级组具有不同的效率η，但是效率η随压力系数/>变化的变化率基本一致。从统计的多个级组的/>曲线发现，对于任意级组，具有普遍性规律的是，如图11所示，压力系数/>低于1.8时，效率函数是一段增函数，平均斜率为0.6，压力系数/>不小于1.8时，效率函数/>是一段减函数，平均斜率为-0.01。

从而结合上述曲线，可以根据选定的额定工况下抽汽后级组的压力系数粗略估算η_1N和η_2N。

如果那么/>如果/>那么/> 从而完成对于η_1N的估算。

如果那么/>如果/>那么/> 从而完成对于η_2N的估算。

从而将估算得到的η_1N和η_2N，结合确定的P_2K，根据PI_N＝(M_N-M_阀2N)*HS12′_N*η_1N+M_N*HS23"_N*η_2N可以确定PI_N的最大值。

进一步地，还可以根据估算得到的和/>评估最大溢流工况N下的第一级组的有效做工能力和第二级组的有效做工能力，具体而言，压力系数与级组的前端压力和后端压力的差值正相关，压力系数越大，级组的前端压力和后端压力的差值就越大，从而级组的有效做工能力越强。/>

本实施例中，在确定的额定工况下的第二溢流阀3的后端压力的取值范围中，确定使得抽汽点以后所有膨胀级在最大溢流工况的功率最高的数值的情况下，需要在确保第一级组不发生鼓风且第二溢流阀3的后端尽量靠近第一溢流阀2的后端的前提下进行。

也就是说，第二溢流阀的后端设置得越靠近第一溢流阀的后端，那么抽汽点以后所有级组在最大溢流工况工作的功率越高，但是如果将第二溢流阀的后端设置得过于靠近第一溢流阀的后端，可能会导致第一级组发生鼓风，导致第一级组内的蒸汽来不及做功就流入到第二级组。

需要确保第一级组不发生鼓风且第二溢流阀3的后端尽量靠近第一溢流阀2的后端，计算额定工况下的第二溢流阀3的后端压力，从而能够避免在第一级组内发生蒸汽能源浪费的前提下，使得抽汽点以后所有级组在最大溢流工况工作的功率尽量高。

在本实施例的可选方案中，将第一溢流阀的流量和第二溢流阀的流量之和，配置为在第一溢流阀和第二溢流阀被同时开启至最大开度的情况下大于等于第二溢流量。

进一步地，将第一溢流阀的溢流量，配置为在第二溢流阀处于关闭且第一溢流阀处于最大开度的状态下等于第一溢流量。

从而第一方面，至少能够将第一溢流阀2和第二溢流阀3配置为在最大溢流工况下同时完全开启，也就是说，如图3和图4所示，当抽汽点处于最大溢流工况N的时候，将第一溢流阀2完全开启(通过无填充表示)，与此同时，将第二溢流阀3完全开启(通过无填充表示)。在这种情况下，第一溢流阀2的压损和第二溢流阀3的压损均最小，确保了最大溢流工况效率最佳。

第二方面，能够将第一溢流阀2配置为在额定工况下完全开启，将第二溢流阀3配置为在额定工况下保持关闭，也就是说，如图5和图6所示，当抽汽点处于额定工况的时候，可以将第一溢流阀2完全开启(通过无填充表示)，与此同时，将第二溢流阀3保持在完全关闭的状态(通过全填充表示)。在这种情况下，第一溢流阀2的压损最小，第二溢流阀3处无流量通过，确保了额定工况效率最佳。

第三方面，将第一溢流阀2配置为在抽汽点的溢流量M_C2处于第一溢流量M_K与第二溢流量M_N之间的工况下完全开启，将第二溢流阀3配置为在抽汽点的溢流量M_C2处于第一溢流量M_K与第二溢流量M_N之间的工况下部分开启。也就是说，如图8所示，当抽汽点的溢流量M_C2大于第一溢流量M_K且小于第二溢流量M_N的情况下，将第一溢流阀2完全开启(通过无填充表示)，与此同时，将第二溢流阀3部分开启(通过部分填充表示)，在这种情况下，第一溢流阀2的压损最小，第二溢流阀3的压损随着开度增大而减小，确保第二常用工况C2效率最佳。

第四方面，将第一溢流阀2配置为在抽汽点的溢流量M_C1小于第一溢流量M_K的工况下部分开启，将第二溢流阀3配置为在抽汽点的溢流量M_C1小于第一溢流量M_K的工况下保持关闭。也就是说，如图7所示，当抽汽点的溢流量M_C1小于第一溢流量M_K的情况下，将第一溢流阀2部分开启(通过部分填充表示)，以使第一溢流阀2的流量等于抽汽点的溢流量M_K，与此同时，将第二溢流阀3保持在完全关闭的状态(通过全填充表示)。第二溢流阀3无流量通过，第一溢流阀2的压损随着开度增大而减小，确保第一常用工况C1的效率最佳。

已知抽汽点的压力P₀为51.3bar，温度为450℃，第二级组的排汽压力P₃为13bar，额定工况(K工况)的抽汽点的溢流量M_K为250t/h，最大溢流工况(N工况)的抽汽点的溢流量M_N为334t/h。

若抽汽点以后所有膨胀级按该方法设计，如图10所示为最大溢流工况下不同过载压力下的详细计算得到功率值，纵坐标为功率PI_N，单位kW，横坐标为P_2K，单位bar，假设抽汽后级组的效率为90％，那么设计后的可调抽汽汽轮机通流结构在额定工况K的功率为23363KW，在最大溢流工况N的功率为30163KW。

若抽汽点以后所有膨胀级按传统方法，以满足最大溢流量设计为目标进行设计，假设级组效率同样为90％，那么设计后的可调抽汽汽轮机通流结构在额定工况K的功率为18525KW，在最大溢流工况N的功率为31213KW。

比较可知，相较于传统设计方法，该新的可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法，设计得到的可调抽汽汽轮机通流结构，在最大溢流工况N工况功率下降不多，也即最大溢流工况的做功能力几乎不受影响，在此基础上，因额定工况K是常用工况，运行时间占比更长，K工况的功率显著提高，所以抽汽后级组的时间加权平均效率是提升的。

在上述算例中，可见P_2K越大，PI_N越大，因而在P_2K的取值范围内以不发生鼓风为前提将P_2K选择得尽量大，可以满足最大溢流工况下抽汽点以后的所有膨胀级的功率最大的要求。

实施例二

实施例二提供了一种可调抽汽汽轮机通流结构，通过实施例一中的可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法设计而成，实施例一所公开的可调抽汽汽轮机通流结构的技术特征也适用于该实施例，实施例一已公开的可调抽汽汽轮机通流结构的技术特征不再重复描述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

将可调抽汽汽轮机通流结构配置为包括第一溢流阀、第二溢流阀和位于抽汽点的后方的膨胀级，所述可调抽汽汽轮机通流结构包括的膨胀级的总数为第一预定数量；

将所述抽汽点在额定工况的溢流量定义为第一溢流量M_K，将所述抽汽点在最大溢流工况的溢流量定义为第二溢流量M_N；

将所述抽汽点后的位于最上游的第二预定数量的膨胀级定义为第一级组，将所述第一级组后的所有膨胀级定义为第二级组，所述第二预定数量小于所述第一预定数量；

将所述第一溢流阀的前端和所述第二溢流阀的前端均配置为与所述抽汽点相连通，将所述第一溢流阀的后端配置为与所述第一级组的前端相连通，将所述第二溢流阀的后端配置为与所述第二级组的前端相连通，并将所述第一溢流阀和所述第二溢流阀在最大开度下的流量均配置为小于所述第二溢流量；

计算所述第一预定数量、所述第二预定数量以及每个所述膨胀级的几何参数；

所述计算所述第一预定数量、所述第二预定数量以及每个所述膨胀级的几何参数的步骤具体包括：

选定所述抽汽点的压力P₀、所述第一级组的进汽压力P₁及所述第二级组的排汽压力P₃；

以所述抽汽点以后所有膨胀级在额定工况的效率最高为目标，计算所述第一预定数量以及每个所述膨胀级的几何参数；

以所述抽汽点以后所有所述膨胀级在最大溢流工况的功率最高为目标，计算所述第二预定数量；

所述以所述抽汽点以后所有所述膨胀级在最大溢流工况的功率最高为目标，计算所述第二预定数量的步骤具体包括以下步骤：

根据最大溢流工况下的所述第二级组的前端压力P_2N与额定工况下的所述第二级组的前端压力P_2K之间的关系，计算额定工况下的所述第二级组的前端压力P_2K的取值范围；

以所述抽汽点以后所有膨胀级在最大溢流工况的功率最高为目标，计算额定工况下的所述第二级组的前端压力P_2K；

根据额定工况下的所述第二级组的前端压力P_2K，确定第二预定数量；

计算到的所述额定工况下的所述第二级组的前端压力P_2K的取值范围为：

其中，β为所述第二溢流量M_N与所述第一溢流量M_K的比值。

2.根据权利要求1所述的可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法，其特征在于，所述以所述抽汽点以后所有膨胀级在额定工况的效率最高为目标，计算所述第一预定数量以及每个所述膨胀级的几何参数的步骤具体包括以下步骤：

以所述抽汽点以后所有膨胀级在额定工况的效率最高为目标，计算所述第一级组在额定工况的流量M_1K以及所述第二级组在额定工况的流量M_2K；

根据所述第一级组在额定工况的流量M_1K和所述第二级组在额定工况的流量M_2K，计算所述第一预定数量以及每个所述膨胀级的几何参数。

3.根据权利要求1所述的可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法，其特征在于，将所述第一级组在额定工况下的流量M_1K与所述第二级组在额定工况下的流量M_2K配置为等于所述第一溢流量M_K。

4.根据权利要求1所述的可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法，其特征在于，在确保所述第一级组不发生鼓风且所述第二溢流阀的后端尽量靠近所述第一溢流阀的后端的前提下，以所述抽汽点以后所有膨胀级在最大溢流工况工作的功率最高为目标，计算额定工况下的所述第二级组的前端压力P_2K。

5.根据权利要求1所述的可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法，其特征在于，将最大溢流工况下所述第一溢流阀的流量M_阀1N和最大溢流工况下所述第二溢流阀的流量M_阀2N之和，配置为在所述第一溢流阀和所述第二溢流阀被同时开启至最大开度的情况下大于等于所述第二溢流量M_N；

将额定工况下所述第一溢流阀的流量M_阀1k，配置为在所述第二溢流阀处于关闭且所述第一溢流阀处于最大开度的状态下等于所述第一溢流量M_k。

6.根据权利要求5所述的可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：

将所述第一溢流阀和所述第二溢流阀配置为在最大溢流工况下同时完全开启；

或者，将所述第一溢流阀配置为在所述抽汽点的溢流量处于所述第一溢流量M_K与所述第二溢流量M_N之间的工况下完全开启，将第二溢流阀配置为在所述抽汽点的溢流量处于所述第一溢流量M_K与所述第二溢流量M_N之间的工况下部分开启；

或者，将所述第一溢流阀配置为在额定工况下完全开启，将所述第二溢流阀配置为在额定工况下保持关闭；

或者，将所述第一溢流阀配置为在所述抽汽点的溢流量小于所述第一溢流量M_K的工况下部分开启，将所述第二溢流阀配置为在所述抽汽点的溢流量小于所述第一溢流量M_K的工况下保持关闭。

7.一种可调抽汽汽轮机通流结构，其特征在于，通过如权利要求1至6中任一项所述的可调抽汽汽轮机通流结构的设计方法设计而成。