發(fā)電用汽輪機配汽方式改造與試驗

冷 駿，陳 穎，高怡秋，靳 軍

(1.海軍駐上海第七○四研究所軍代表室，上海 200031;2.海裝上海局，上海 200083;3.中國船舶重工集團公司第七○四研究所，上海 200031)

0 引言

汽輪機葉片在工作狀態(tài)中承受著汽流力與離心拉應(yīng)力，除此之外，還將受到因汽流不均勻產(chǎn)生的激振力的作用。同壓力級相比，調(diào)節(jié)級在部分進汽時，由于承擔(dān)更大的焓降及部分進汽激振力的作用，葉片工作條件更加惡劣［1］。在部分進汽狀態(tài)下，動葉將承受比全周進汽時大2～5倍的非定常力［2］。同時部分進汽激振力的不平衡擾動作用將對機組的振動特性產(chǎn)生一定的影響，如對軸承瓦溫、瓦振和轉(zhuǎn)子軸心位置的影響［3］。調(diào)節(jié)級動葉的動應(yīng)力與靜態(tài)下的汽流彎應(yīng)力直接相關(guān)，因此在設(shè)計時，葉片的振動特性及調(diào)節(jié)級在部分進汽時的彎應(yīng)力是葉片強度振動計算的主要問題。

本次研究對象為船舶發(fā)電用汽輪機，通流部分由調(diào)節(jié)級和壓力級組成，其中調(diào)節(jié)級采用了大焓降的雙列復(fù)速級結(jié)構(gòu)。在對汽輪機葉片強度的核算中，發(fā)現(xiàn)在部分負荷下，復(fù)速級第二列動葉所承受的汽流彎應(yīng)力偏大，使機組存在一定的安全隱患。

根據(jù)汽輪機的實際結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合不同配汽方式的工作特性，提出了對該汽輪機的改造方案。通過對配汽方式的改造，實現(xiàn)動葉汽流彎應(yīng)力的降低，以排除安全隱患，提高產(chǎn)品使用壽命。

1 配汽方式對汽流彎應(yīng)力的影響

1.1 汽輪機配汽方式

汽輪機的配汽機構(gòu)用于改變蒸汽流量或同時改變蒸汽流量以及焓降以改變汽輪機的輸出功率，實現(xiàn)負荷的變化。常用的配汽方式主要包括噴嘴配汽和節(jié)流配汽。

噴嘴配汽方式時，調(diào)節(jié)級分為若干個噴嘴組，通過改變噴嘴組的數(shù)量實現(xiàn)蒸汽流量以及負荷的變化。在負荷很小時，只有一個調(diào)節(jié)閥開啟，此時只有第一噴嘴組進汽，部分進汽度最小;當(dāng)負荷增大時，第二調(diào)節(jié)閥開啟，第二噴嘴組開始進汽，部分進汽度增大，以此類推。噴嘴配汽在部分負荷時的節(jié)流損失較少，效率更高。對于噴嘴配汽，在初參數(shù)保持不變，負荷發(fā)生改變時，壓力級前的壓力會隨著負荷的減小而降低，使調(diào)節(jié)級的焓降有所增大。

節(jié)流配汽是通過節(jié)流閥開度的變化使蒸汽流量和參數(shù)同時發(fā)生改變。在部分負荷時，由于蒸汽受到節(jié)流，使汽輪機的理想焓降減小，因此效率較低。圖1為采用節(jié)流調(diào)節(jié)改變汽輪機流量時，調(diào)節(jié)級和整個汽輪機壓力降的變化，在節(jié)流調(diào)節(jié)時整個汽輪機的壓力降隨流量而減小，因此汽輪機的總焓降也減小。

圖1 節(jié)流調(diào)節(jié)時汽輪機的壓力和流量Fig.1 Pressure and flux of turbine under throttle governing

節(jié)流配汽方式時，調(diào)節(jié)級的通流面積 (即噴嘴數(shù)量)維持恒定，因此調(diào)節(jié)級的初壓和終壓均與蒸汽流量成正比例關(guān)系變化。此時調(diào)節(jié)級如同一個中間級，各個工況下的焓降均保持不變，而調(diào)節(jié)汽閥則類似于一個效率為0的調(diào)節(jié)級。

1.2 汽流彎應(yīng)力的影響因素

對于動葉而言，由于彎矩作用產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力按下式計算:

式中:M為彎矩，M=Pl/2，P為汽流力，l為動葉高度;W為抗彎斷面模數(shù)。

在已知動葉高度和抗彎斷面模數(shù)時，彎應(yīng)力由汽流力的大小決定。

動葉所受汽流力包括周向力和軸向力，汽流作用在每個葉片上的周向力為

式中:G為蒸汽流量;z為級的動葉片數(shù)量;ε為部分進汽度;C1u和C2u為噴嘴和動葉出口處汽流周向絕對速度，如圖2所示;Δhu為動葉的輪周焓降;u為級的圓周速度。

軸向力為

式中:G為蒸汽流量;z為級的動葉片數(shù)量;ε為部分進汽度;C1a和C2a為噴嘴和動葉出口處汽流軸向絕對速度，如圖2所示;Δp為動葉前后的汽流壓差;t為葉片的節(jié)距;l為葉片的高度。

則作用在葉片上的汽流力為

圖2 速度三角形Fig.2 Velocity triangle

對于雙列調(diào)節(jié)級而言，動葉的反動度取值較小，葉片前后的軸向速度和壓差對汽流力的影響不大。因此汽流力的主要決定因素為蒸汽流量、焓降和部分進汽度，對于單組噴嘴，取決于蒸汽流量與焓降的乘積，即輪周功。

1.3 配汽方式對汽流彎應(yīng)力的影響

對于凝汽式汽輪機，在負荷改變時調(diào)節(jié)級與壓力級的焓降分配將發(fā)生變化。對于噴嘴配汽，負荷越低，調(diào)節(jié)級焓降越大;而對于節(jié)流配汽，由于節(jié)流閥的作用，調(diào)節(jié)級的焓降不隨負荷的變化而改變。另一方面，在低負荷工況時，節(jié)流配汽由于投入工作的噴嘴組數(shù)量大于噴嘴配汽，在二者總流量相等時，節(jié)流配汽下單組噴嘴通過的流量則更小。

動葉汽流力決定于動葉的輪周功，即流量與焓降的乘積，因此調(diào)節(jié)級流量以及焓降的變化會直接導(dǎo)致動葉所受汽流力的改變。當(dāng)流量與焓降均減小時，節(jié)流配汽下的動葉汽流力將相應(yīng)降低。根據(jù)相關(guān)文獻資料噴嘴配汽下的調(diào)節(jié)級在惡劣工況時，動葉所受應(yīng)力約為節(jié)流配汽的6～10倍。

2 配汽方式的改造

汽輪機采用噴嘴配汽方式，如圖3所示，配汽機構(gòu)為提板式結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)汽閥共分為5組，沿水平方向左右依次分布，每組閥對應(yīng)一組噴嘴。

圖3 配汽機構(gòu)與汽缸示意圖Fig.3 Steam distribution and cylinder

根據(jù)汽流彎應(yīng)力的計算結(jié)果，結(jié)合機組實際使用工況，決定采用3組噴嘴聯(lián)通的方案，汽缸的改造方案如圖4所示，打通相鄰的兩排隔板，將3組噴嘴聯(lián)通，使來自第1組調(diào)節(jié)汽閥的汽流可同時進入I，II，III組噴嘴。

圖4 汽缸改造方案示意圖Fig.4 Change scheme of cylinder

根據(jù)蒸汽初始參數(shù)、調(diào)節(jié)閥型線以及噴嘴幾何參數(shù)，可得到調(diào)節(jié)閥組的流量升程特性曲線［5－6］。在不改變調(diào)節(jié)汽閥型線，僅將3組噴嘴聯(lián)通的情況下，流量特性曲線如圖5所示。由于調(diào)節(jié)閥重疊度不夠，使得在前3組調(diào)節(jié)汽閥達到臨界流量時，第4組調(diào)節(jié)汽閥仍未能開啟，因此出現(xiàn)了流量特性曲率的波動。

圖5 三組噴嘴聯(lián)通后的流量特性Fig.5 Flux characteristic under first three control valves get through

為使流量特性滿足調(diào)節(jié)要求，需對調(diào)節(jié)汽閥做出相應(yīng)調(diào)整，改進方案如下:

方案1:減小第4組和第5組閥的重疊度，即曲線 ［0.8，1］段前移至X/X0=0.6處，但該方案會使整個調(diào)節(jié)汽閥以及油動機的總行程減小，同時增加特性曲線的斜率，使機組的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率減小，不利于機組的調(diào)節(jié)與并網(wǎng)的穩(wěn)定性。

方案2:改變前3組閥的型線，維持第4組和第5組閥重疊度不變，即降低曲線 ［0，0.6］段的斜率，該方案需要對前3組調(diào)節(jié)閥的型線進行重新設(shè)計以保證流量特性曲線與原型基本相似。

根據(jù)上述分析，最終選取方案2作為改進方案。通過計算不同型線的調(diào)節(jié)閥，得到最佳方案。如圖6所示，相比原閥型線，新調(diào)節(jié)汽閥的閥錐角度相應(yīng)減小，長度有所增加。

圖6 調(diào)節(jié)汽閥的改進Fig.6 Improvement of control valves

根據(jù)新閥型線，對新調(diào)節(jié)閥的流量特性進行了重新計算，如圖7所示。新型線與原型線相比，在［0，0.5］段內(nèi)降低了曲線的斜率，而在 ［0.5，0.8］段內(nèi)有所增加，以滿足第4組和第5組閥的重疊度要求，即在第4組和第5組閥不變的情況下，使前3組閥流量特性與后2組閥流量特性曲率相同，避免在第4組閥開啟時流量特性出現(xiàn)大幅度的波動，由圖可以看出，調(diào)節(jié)閥組在第4組閥開啟時曲線光滑連續(xù)，無明顯拐點。

圖7 改進后的調(diào)節(jié)汽閥流量特性Fig.7 Flux characteristic after improved

3 試驗

3.1 調(diào)節(jié)汽閥的流量特性

在完成配汽方式的改造后進行了調(diào)節(jié)汽閥的流量特性試驗，在汽輪機達到額定轉(zhuǎn)速后對不同負荷下的蒸汽流量進行了測定，每增加10%負荷進行一次數(shù)據(jù)采集。圖8分別為調(diào)節(jié)汽閥流量特性、噴嘴前壓力的計算值與試驗值對比。

在設(shè)計過程中，調(diào)節(jié)汽閥的計算采用飽和蒸汽為工質(zhì);而在汽輪機的實際試驗中，所用“飽和蒸汽”是通過對過熱蒸汽減溫減壓后得到的，因此存在一定的過熱度，而過熱蒸汽與飽和蒸汽在計算上存在一定的差別，例如蒸汽比熱比、噴嘴流量系數(shù)等，這使得試驗結(jié)果與理論計算值產(chǎn)生了一定的偏差。

在對蒸汽參數(shù)過熱度加以考慮后，得到了修正后的調(diào)節(jié)汽閥流量特性、噴嘴前壓力，如圖9所示。從圖中可以看出，通過參數(shù)的修正，計算值與試驗值的吻合度非常好;在第4組閥開啟時，即X/X0≈0.8時，沒有出現(xiàn)流量特性的波動。

圖8 計算值與試驗值對比Fig.8 Compared with calculated and experimental

試驗結(jié)果表明，調(diào)節(jié)汽閥的計算方法合理得當(dāng)，計算結(jié)果真實可靠，從工程設(shè)計的角度而言已經(jīng)具備了相當(dāng)?shù)木取?/p>

圖9 計算值與試驗修正值對比Fig.9 Compared with calculated and experimental corrected

圖10為改造前后流量特性的試驗值對比，與計算結(jié)果相同，改造后的流量特性在 ［0，0.5］段曲線的斜率小于原噴嘴配汽的特性曲線，在達到額定負荷時，二者升程與汽耗量基本相同。

圖10 改造前后流量特性對比Fig.10 Compared with flux characteristic before and after improved

3.2 配汽方式對調(diào)速系統(tǒng)的影響

為考查配汽方式對汽輪機調(diào)速系統(tǒng)性能的影響，掌握改造后汽輪機的調(diào)速控制性能，分別對改造前后汽輪機的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率、轉(zhuǎn)速波動率等性能參數(shù)進行了試驗研究。

1)穩(wěn)態(tài)調(diào)速率

在穩(wěn)定工況下，汽輪機的功率由滿載到空載時，其轉(zhuǎn)速的改變量Δn與額定轉(zhuǎn)速n0之比的百分數(shù)稱之為穩(wěn)態(tài)調(diào)速率，即

表1 改造前后汽輪機穩(wěn)態(tài)調(diào)速率Tab.1 The stable speed regulating before and after improved

改造前后汽輪機穩(wěn)態(tài)調(diào)速率如表1所示。可以看出，改造后的穩(wěn)定調(diào)速率略有減小，這是由于采用了節(jié)流配汽方式之后流量特性曲線在［0，0.4］段升程內(nèi)斜率較低 (如圖7所示)，因此在空載工況下

而在滿載工況下

對于液壓式調(diào)速器，不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)不同信號油壓，因此對應(yīng)不同的錯油門平衡位置，而錯油門平衡位置與油動機行程，即調(diào)節(jié)汽閥升程成線性關(guān)系。因此，調(diào)節(jié)汽閥由空載至滿載的總升程可影響到汽輪機的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率:總升程越大，穩(wěn)態(tài)調(diào)速率約大，反之亦然。因此，由于改造后總升程的減少，使穩(wěn)態(tài)調(diào)速率也相應(yīng)減小。

2)轉(zhuǎn)速波動率

改造前后汽輪機轉(zhuǎn)速波動率見圖11所示，從圖中可以看出，不同負荷下的轉(zhuǎn)速波動率沒有發(fā)生明顯的變化，均滿足設(shè)計要求 (≤0.3%)。

圖11 改造前后不同負荷的轉(zhuǎn)速波動率Fig.11 Speed fluctuation rate under different loads before and after improved

從試驗結(jié)果來看，改造后汽輪機的調(diào)速性能穩(wěn)定、可靠，各項性能指標變化較小，說明配汽方式的改變沒有對汽輪機調(diào)速特性造成明顯的影響。

4 結(jié)語

1)調(diào)節(jié)級動葉汽流力決定于蒸汽流量與焓降的乘積。相比噴嘴配汽，采用節(jié)流配汽方式可大幅降低動葉的汽流力;

2)針對發(fā)電用汽輪機汽流彎應(yīng)力偏大的問題，提出了配汽方式的改造方案;

3)通過合理的設(shè)計與準確的計算，使改造后的前3組汽閥與后2組未改造的汽閥良好的結(jié)合，整個閥組的流量特性曲線光滑連續(xù)，無明顯拐點，能滿足調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計要求;

4)調(diào)節(jié)汽閥的計算結(jié)果真實可信，噴嘴前壓力、不同升程下的蒸汽流量等參數(shù)與試驗值具有較高的一致性;

5)改造后的配汽方式不會對調(diào)速器穩(wěn)定性以及調(diào)速性能造成過大影響，汽輪機調(diào)速控制系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

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