CN114718664A - 一种低压缸冷却蒸汽流量精准调节系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压缸冷却蒸汽流量精准调节系统及其控制方法。调节系统包括进汽阀、冷却蒸汽系统、压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器和控制系统，冷却蒸汽系统包括设置在进汽阀周围的多个小旁路，多个小旁路并联布置，每个小旁路上对应设置一个小型阀门，小旁路的进汽口位于进汽阀的上游，小旁路的出汽阀位于进汽阀的下游。本发明提供的调节系统可实时控制和测量计算系统通流流量，使机组在低压缸小容积流量工况下鼓风及动应力带来的低压缸末级叶片损伤风险降到最低，同时也能够保护汽轮机中低压连通管因高速气流激振带来的安全风险。

Description

一种低压缸冷却蒸汽流量精准调节系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及火电厂汽轮机供热及调峰技术领域，尤其涉及一种低压缸冷却蒸汽流量精准调节系统及其控制方法。

背景技术

当前，供热机组供热扩容及电调峰改造大量采用低压缸零出力技术进行改造，改造完成后，机组在小容积流量工况运行时，低压缸末级处于鼓风工况运行。过低的低压冷却蒸汽流量导致低压缸末级后温度和低压排汽缸温度升高，造成高温损伤；过高的低压冷却蒸汽流量导致末级叶片动应力激增，叶片断裂风险提高，因此，需要对低压冷却蒸汽流量进行精准调节。

现阶段，机组低压缸零出力改造主要采用增设较大口径的低压缸冷却蒸汽旁路，并设置流量孔板及调节阀组的方式进行低压冷却蒸汽流量的调节，该方式不仅系统布置难度较大，占用汽轮机平台空间较多，而且由于管道在汽轮机中压缸排汽和低压缸进汽接口受力偏大，造成漏汽及机组振动增大的危害。另外，直接采用低压缸进汽蝶阀开度调节进行流量粗调的方式，调节精度较低，不能满足低压缸零出力的控制要求。

此外，目前已有的调节方式，由于冬季供热时期低压缸进汽蝶阀在极小开度工况下长期运行，加之冷却蒸汽管道单侧进、出蒸汽，造成阀后临界流速的蒸汽流体直接与汽轮机中低压连通管产生冲击、摩擦作用，造成高负荷供热汽轮机组连通管振动偏大。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种低压缸冷却蒸汽流量精准调节系统。该低压缸冷却蒸汽流量精准调节系统可精确控制和测量进入低压缸的蒸汽质量流量。

本发明实施例还提出一种低压缸冷却蒸汽流量精准调节系统的控制方法。

一方面，本发明提出了一种低压缸冷却蒸汽流量精准调节系统，包括：

进汽阀，所述进汽阀设置在中压缸的排汽口或低压缸的进汽口；

冷却蒸汽系统，所述冷却蒸汽系统包括设置在所述进汽阀周围的多个小旁路，所述多个小旁路并联布置，每个所述小旁路上对应设置一个小型阀门，所述小旁路的进汽口位于所述进汽阀的上游，所述小旁路的出汽口位于所述进汽阀的下游；

压力传感器，所述压力传感器设置在所述进汽阀上游，用于测定上游蒸汽压力；

第一温度传感器，所述第一温度传感器设置在所述进汽阀上游，用于测量上游蒸汽温度；

第二温度传感器，所述第二温度传感器设置在所述低压缸的温度测量位点，用于测量低压缸次末级的温度；

控制系统，所述进汽阀、所述小型阀门、所述压力传感器、所述第一温度传感器和所述第二温度传感器均与所述控制系统电连接。

在一些实施例中，所述中压缸和所述低压缸通过中低压连通管连接，所述进汽阀设置在所述中低压连通管上。

在一些实施例中，所述中低压连通管以所述进汽阀为界分为上游蒸汽管道和下游蒸汽管道，所述小旁路的所述进汽口连通所述上游蒸汽管道外壁面，所述小旁路的所述出汽口内嵌于所述下游蒸汽管道内壁面。

在一些实施例中，所述小旁路的所述进汽口的蒸汽流动方向与所述进汽阀中蒸汽流动方向所成的夹角小于90°，所述小旁路的所述出汽口的蒸汽流动方向与所述下游蒸汽管道轴线平行。

在一些实施例中，流经所述小旁路的过热水蒸气的质量流量为：

其中，M为通过小旁路的蒸汽质量流量，单位为t/h；p₀为上游蒸汽压力，单位为Pa.a；t₀为上游蒸汽温度，单位为K；A_x为小型阀门的设计通流面积，单位为m²。

在一些实施例中，确定所述小旁路的通流直径的过程包括：

确定最大冷却蒸汽流量及小旁路数量；

根据所述最大冷却蒸汽流量及所述小旁路数量确定单个小旁路的设计通流量；

根据所述单个小旁路的设计通流量、上游蒸汽压力和上游蒸汽温度确定小型阀门的设计通流面积；

根据所述小型阀门的设计通流面积确定所述小旁路的通流直径。

在一些实施例中，所述小型阀门为小型球阀或小型蝶阀。

在一些实施例中，所述小型阀门采用电动方式驱动或气动方式驱动。

在一些实施例中，所述进汽阀为大型蝶阀。

另一方面，本发明还提出了一种低压缸冷却蒸汽流量精准调节系统的控制方法，包括以下步骤：

进汽阀阀位小于1％时，冷却蒸汽系统开启；

设定低压缸次末级温度目标值X，判断低压缸次末级温度目标值X与低压缸次末级温度实际值Y的差值Z的大小，若Z＜－10℃，则开启一台小型阀门；若Z＞10℃，则2-4min后，关闭一台小型阀门；若－10℃＜Z＜10℃，则所述冷却蒸汽系统保持现状。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供的调节系统可实时控制和测量计算系统通流流量，使机组在低压缸小容积流量工况下鼓风及动应力带来的低压缸末级叶片损伤风险降到最低，同时也能够保护汽轮机中低压连通管因高速气流激振带来的安全风险。

本发明提供的调节系统的出汽口内嵌于下游蒸汽管道内壁面，出口气流的流动方向与管道平行，并紧贴管道内壁，对管壁起到了保护作用，使其不会产生大幅振动。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为汽轮机组低压缸进汽系统图；

图2为低压缸冷却蒸汽流量调节系统俯视示意图；

图3为低压缸冷却蒸汽流量调节系统侧视示意图；

图4为控制系统的控制图；

图5为低压缸冷却蒸汽流量调节系统控制方法示意图。

附图标记说明：

进汽阀1、冷却蒸汽系统2、出汽口3、小型阀门4、第一温度传感器5、第二温度传感器6、驱动器7、进汽口8、中压缸9、低压缸10、压力传感器11、中低压连通管12。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的低压缸冷却蒸汽流量精准调节系统及其控制方法。

如图1-5所示，本发明的低压缸冷却蒸汽流量精准调节系统，包括：进汽阀1、冷却蒸汽系统2、压力传感器11、第一温度传感器5、第二温度传感器6和控制系统。

在一些实施例中，进汽阀1设置在中低压连通管12上。中压缸9和低压缸10通过中低压连通管12连接，中压缸排汽通过中低压连通管12进入低压缸10。通过控制进汽阀1的阀位可以调节流经进汽阀1进入低压缸10的气流大小。可以理解的是，进汽阀1可以设置在中压缸9的排汽口或低压缸10的进汽口。

在一些实施例中，进汽阀1为大型蝶阀，大型蝶阀可以采用液压驱动的方式。进汽阀1在汽轮机组夏季初凝工况时全开，在冬季供热工况时部分开启或全关。

在一些实施例中，进汽阀1与控制系统电连接，在机组供热器件自动调节中压缸排汽压力。

可以理解的是，中低压连通管12以进汽阀1为界分为上游蒸汽管道和下游蒸汽管道。中压缸9的排汽中流经进汽阀1的排汽依次通过上游蒸汽管道、进汽阀1、下游蒸汽管道进入低压缸10。

在进汽阀1的上游设置第一温度传感器5和压力传感器11，分别用于测量上游蒸汽温度和压力。第一温度传感器5和压力传感器11与控制系统电连接，第一温度传感器5和压力传感器11将温度和压力数据传输到控制系统，控制系统接收温度和压力数据并对数据进行分析处理。

在一些实施例中，在低压缸10的温度测量位点设置第二温度传感器6，第二温度传感器6用于测量低压缸次末级的温度。第二温度传感器6与控制系统电连接，第二温度传感器6将测量的温度数据传输到控制系统，控制系统对该数据进行分析处理。可以理解的是，第二温度传感器6测量的低压缸次末级的温度为控制系统的调节目标。可以理解的是，低压缸次末级可以设置多个第二温度传感器6，当设置多个第二温度传感器6时，控制系统的调节目标为多个第二温度传感器6的平均值。

冷却蒸汽系统2在进汽阀1的阀位小于1％时开启，此时中压缸9的排汽主要用于对外供热；部分蒸汽通过冷却蒸汽系统2进入低压缸10，并对低压缸10进行冷却降温。

在一些实施例中，冷却蒸汽系统2包括多个小旁路，多个小旁路之间并联布置。多个小旁路设置在进汽阀1周围，小旁路的设计数量根据机组在低压缸零出力状态下需要的冷却蒸汽流量范围和调节精度进行设计。

在一些实施例中，每个小旁路上对应设置一台小型阀门4，该小型阀门4全开后的通流面积固定，小型阀门4的开启与关闭表示小旁路是否有蒸汽通过。可以理解的是，小型阀门4开启时，与该小型阀门4对应的小旁路有蒸汽通过；小型阀门4关闭时，与该小型阀门4对应的小旁路没有蒸汽通过。通过小旁路的开启数量可以计算出低压缸冷却蒸汽总流量。在设计过程中，优选地，小型阀门4开启时，通过每个小旁路的蒸汽流量相同。

在一些实施例中，小旁路的进汽口8位于进汽阀1的上游，小旁路的出汽口位于进汽阀1的下游。小旁路的进汽口8连通上游蒸汽管道外壁面，小旁路的出汽口3内嵌于下游蒸汽管道内壁面。

在一些实施例中，进汽口8的蒸汽流动方向与进汽阀1中蒸汽流动方法所成的夹角小于90°，出汽口3的蒸汽流动方向与下游蒸汽管道轴线平行。小旁路的进汽口8连通上游蒸汽管道外壁面，以及进汽口8的蒸汽流动方向与进汽阀1中蒸汽流动方向所成的夹角小于90°，减小了每一个小旁路的进口气流对进汽阀1进气气流产生的扰动。出口气流的流动方向与管道轴线平行，并紧贴管道内壁，以保护下游蒸汽管道管壁不使其产生大幅振动。

在一些实施例中，小型阀门4与控制系统电连接，控制系统可以控制小型阀门4的启闭。

在一些实施例中，小型阀门4由驱动器7驱动，驱动器7可采用电动方式驱动或气动方式驱动。

在一些实施例中，小型阀门4为小型球阀或小型蝶阀。可以理解的是，小型球阀或小型蝶阀可以采用电动驱动方式或气动驱动方式。

在任意流道内作稳定流动的气体或蒸汽，服从稳定流动能量方程式，同时可以认为蒸汽在小型阀门4中的流动为绝热流动，则过热蒸汽在喷管中的流速可由下式计算所得：

其中，c_f2为通过每个小旁路的最小通流口径的蒸汽流速，单位为m/s；κ为理想气体绝热指数，无量纲常数；p₀为上游蒸汽压力，单位为Pa.a；v₀为上游蒸汽比容，单位为m³/kg；p₂为下游蒸汽压力，单位为Pa.a。其中，单位为Pa.a的压力指的是绝对压力。

由于机组在低压缸零出力工况时，冷却蒸汽系统的上下游压力比值远大于临界压力比，因此，蒸汽通过小旁路能够达到的最大流量仅取决于气体能够达到的临界压力p_cr，单位为Pa.a。

其中临界压比公式为：

因此，当每一个小型阀门的最小通流面积确定的情况下，可直接计算的得出系统运行工况下通过的质量流量公式：

其中，对于过热水蒸气，R_g＝461.5J/(kg.K)，κ＝1.33，将已知常数带入上式进行简化可得：

其中，M为通过每个小旁路的蒸汽质量流量，单位为t/h；p₀为上游蒸汽压力，单位为Pa.a；t₀为上游蒸汽温度，单位为K；A_x为单个小型阀门的设计通流面积，单位为m²。

确定小旁路的通流直径的过程包括：确定最大冷却蒸汽流量及小旁路数量；根据最大冷却蒸汽流量及小旁路数量确定单个小旁路的设计通流量；根据单个小旁路的设计通流量、上游蒸汽压力和上游蒸汽温度确定小型阀门的设计通流面积；根据小型阀门的设计通流面积确定小旁路的通流直径。

一般情况下，汽轮机在低压缸零出力状态下冷却蒸汽流量的运行范围约为10t/h～65t/h，更精细的范围根据机组形式的不同有所区别。其中，冷却蒸汽系统可通过的低压缸冷却蒸汽最大流量和机组末级、次末级叶片的动应力激增水平直接相关，冷却蒸汽系统可通过的低压缸冷却蒸汽最小流量，由机组低压缸次末级叶片的鼓风温度高限直接相关。

当进行冷却蒸汽系统的设计时，确定最大冷却蒸汽流量及小旁路数量，以60t/h为例，当设计16路小型旁路时，该系统单个小旁路的设计通流流量为3.75t/h，则系统可调节流量范围为3.75*1t/h、3.75*2t/h、3.75*3t/h.......3.75*16t/h，该精度满足汽轮机在低压缸零出力状态下的调节需求。可以理解的是，该系统的可调节流量范围为点值。因此，以某机组供热工况中压缸排汽参数(系统上游蒸汽参数)为压力0.3MPa.、温度270℃为例，由上述计算公式可得，每个小旁路的通流直径应为57.36mm。

冷却蒸汽系统2设计完成，进入实际运行状态时，通过确定每个小旁路的设计通流面积和系统运行工况下的上游温度和压力可确定冷却蒸汽系统控制通流量的调节范围，如图2中所示，共计16个小旁路，若每个小旁路直径为45mm，则本系统在压力为0.5MPa.a，温度为270℃工况下，可在3.85t/h、3.85*2t/h、3.85*3t/h.......3.85*16＝61.54t/h范围内进行调节，由于供热机组在供热期内中压缸排汽压力相对稳定，变化范围不超过±20％，因此本系统可在机组运行的安全适应范围内可控调节。

另外，即使在系统运行过程中上游参数发生一定程度变化，本系统可通过设置在系统上游的温度、压力传感器，结合小旁路的开启数量，实时控制和测量计算系统通流流量。

低压缸冷却蒸汽流量精准调节系统的控制方法，包括以下步骤：

进汽阀1阀位小于1％时，冷却蒸汽系统开启；

设定低压缸次末级温度目标值X，判断低压缸次末级温度目标值X与低压缸次末级温度实际值Y的差值Z的大小，若Z＜－10℃，则开启一台小型阀门；若Z＞10℃，则2-4min后，关闭一台小型阀门；若－10℃＜Z＜10℃，则冷却蒸汽系统保持现状。

当机组在供热工况下，设置在中低压连通管上的进汽阀阀位＜1％后，进组进入低压缸零出力工况，调节系统气动，调节目标为低压缸次末级的温度。低压缸次末级温度目标值为X，低压缸次末级温度实际值为Y，两者之间的差值Z＝X－Y。设定低压缸次末级温度目标值，低压缸次末级温度实际值由第二温度传感器测量得到。若Z＜－10℃，则开启一台小型阀门；若Z＞10℃，则2-4min后，关闭一台小型阀门；若－10℃＜Z＜10℃，则冷却蒸汽系统保持现状。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述可以针对不同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种低压缸冷却蒸汽流量精准调节系统，其特征在于，包括：

进汽阀，所述进汽阀设置在中压缸的排汽口或低压缸的进汽口；

冷却蒸汽系统，所述冷却蒸汽系统包括设置在所述进汽阀周围的多个小旁路，所述多个小旁路并联布置，每个所述小旁路上对应设置一个小型阀门，所述小旁路的进汽口位于所述进汽阀的上游，所述小旁路的出汽口位于所述进汽阀的下游；

压力传感器，所述压力传感器设置在所述进汽阀上游，用于测定上游蒸汽压力；

第一温度传感器，所述第一温度传感器设置在所述进汽阀上游，用于测量上游蒸汽温度；

第二温度传感器，所述第二温度传感器设置在所述低压缸的温度测量位点，用于测量低压缸次末级的温度；

控制系统，所述进汽阀、所述小型阀门、所述压力传感器、所述第一温度传感器和所述第二温度传感器均与所述控制系统电连接。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中压缸和所述低压缸通过中低压连通管连接，所述进汽阀设置在所述中低压连通管上。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述中低压连通管以所述进汽阀为界分为上游蒸汽管道和下游蒸汽管道，所述小旁路的所述进汽口连通所述上游蒸汽管道外壁面，所述小旁路的所述出汽口内嵌于所述下游蒸汽管道内壁面。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述小旁路的所述进汽口的蒸汽流动方向与所述进汽阀中蒸汽流动方向所成的夹角小于90°，所述小旁路的所述出汽口的蒸汽流动方向与所述下游蒸汽管道轴线平行。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，流经所述小旁路的过热水蒸气的质量流量为：

其中，M为通过小旁路的蒸汽质量流量，单位为t/h；p₀为上游蒸汽压力，单位为Pa.a；t₀为上游蒸汽温度，单位为K；A_x为小型阀门的设计通流面积，单位为m²。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，确定所述小旁路的通流直径的过程包括：

确定最大冷却蒸汽流量及小旁路数量；

根据所述最大冷却蒸汽流量及所述小旁路数量确定单个小旁路的设计通流量；

根据所述单个小旁路的设计通流量、上游蒸汽压力和上游蒸汽温度确定小型阀门的设计通流面积；

根据所述小型阀门的设计通流面积确定所述小旁路的通流直径。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述小型阀门为小型球阀或小型蝶阀。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述小型阀门采用电动方式驱动或气动方式驱动。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述进汽阀为大型蝶阀。

10.一种低压缸冷却蒸汽流量精准调节系统的控制方法，其特征在于，适用于如权利要求1-9任一所述的系统，包括以下步骤：

进汽阀阀位小于1％时，冷却蒸汽系统开启；

设定低压缸次末级温度目标值X，判断低压缸次末级温度目标值X与低压缸次末级温度实际值Y的差值Z的大小，若Z＜－10℃，则开启一台小型阀门；若Z＞10℃，则2-4min后，关闭一台小型阀门；若－10℃＜Z＜10℃，则所述冷却蒸汽系统保持现状。

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