大型汽輪機配汽相關(guān)問題的分析與優(yōu)化

何翊皓，李群，童小忠，張寶

（1.浙江省能源集團有限公司，杭州310007；2.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇泰州225300；3.浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

大型汽輪機配汽相關(guān)問題的分析與優(yōu)化

何翊皓1，李群2，童小忠3，張寶3

（1.浙江省能源集團有限公司，杭州310007；2.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇泰州225300；3.浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

汽輪機配汽方式對機組的安全性、經(jīng)濟性與可控性都有較大影響。對汽輪機配汽中的常見問題進(jìn)行了分析與歸類，從順序閥投運試驗、流量特性試驗、配汽函數(shù)整定、滑壓曲線優(yōu)化、節(jié)流配汽優(yōu)化以及混合配汽方式改造等方面闡述了解決配汽問題的方法與途徑，實踐證明這些措施可靠有效。

汽輪機；配汽方式；流量特性；配汽函數(shù)整定；滑壓曲線優(yōu)化

1 汽輪機配汽方式

大型汽輪機常見的配汽方式有3種，即節(jié)流配汽、噴嘴配汽與復(fù)合配汽。對于具有調(diào)節(jié)級的汽輪機，節(jié)流配汽一般也稱為單閥配汽，即所有汽輪機調(diào)節(jié)閥均以相同開度參與蒸汽流量的調(diào)節(jié)。噴嘴配汽一般也稱順序閥配汽，即所有汽輪機調(diào)節(jié)閥以先后開啟的方式參與蒸汽流量的調(diào)節(jié)。復(fù)合配汽也稱混合配汽，低負(fù)荷時各汽輪機調(diào)節(jié)閥同時參與調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)荷升到設(shè)定的控制點時，部分調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，隨著負(fù)荷的上升，關(guān)閉的調(diào)節(jié)閥再次順序開啟，參與蒸汽流量調(diào)節(jié)。

眾多機組運行實踐表明，在大部分負(fù)荷范圍內(nèi)，由于節(jié)流損失較小，順序閥運行方式的經(jīng)濟性明顯優(yōu)于單閥方式；而混合配汽因兼顧了單閥配汽的安全性與順序閥配汽的經(jīng)濟性，更適用于帶基本負(fù)荷的機組，其經(jīng)濟性在單閥配汽與順序閥配汽之間。

就目前國內(nèi)情況來看，采用單閥配汽的汽輪機主要有上汽-西門子生產(chǎn)的660 MW和1 000 MW等級的超超臨界汽輪機，和北重-阿爾斯通生產(chǎn)的部分600 MW超臨界汽輪機，其突出特點是汽輪機無調(diào)節(jié)級，部分機組設(shè)置補汽閥。上汽、哈汽生產(chǎn)的300 MW和600 MW汽輪機一般都帶調(diào)節(jié)級，同時具有單閥與順序閥2種配汽方式，運行時可以在線切換。東汽生產(chǎn)的300 MW，600 MW和1 000 MW汽輪機也帶調(diào)節(jié)級，多數(shù)采用混合配汽方式。

汽輪機的配汽方式對機組運行的經(jīng)濟性、安全性與控制性能均有較大影響。出于提高經(jīng)濟性的目的，對于具有順序閥配汽方式的汽輪機，一般要求新機組投產(chǎn)6個月后要投入順序閥方式運行；對于節(jié)流配汽的汽輪機，設(shè)計要求在所有調(diào)節(jié)閥全開的方式下滑壓運行；混合配汽方式的汽輪機則應(yīng)盡量在額定負(fù)荷下運行。但從國內(nèi)實際情況看，仍然存在無法滿足上述要求的情況。

2 配汽問題的分析和優(yōu)化

本文將因汽輪機配汽方式改變造成的問題和通過改變配汽方式可以解決的問題統(tǒng)稱為汽輪機配汽問題，主要有如下幾個方面：

（1）因軸承金屬溫度高或振動大造成的順序閥方式無法投運[1]。

（2）配汽方式切換時負(fù)荷波動大。

（3）順序閥運行時調(diào)節(jié)閥開度晃動大。

（4）不同配汽方式之間，機組一次調(diào)頻能力與協(xié)調(diào)控制水平差別大[2-3]。

（5）因配汽問題導(dǎo)致電力系統(tǒng)低頻振蕩[4]。

（6）調(diào)節(jié)閥大開度時，節(jié)流配汽方式下汽輪機負(fù)荷動態(tài)響應(yīng)能力差[5]。

（7）混合配汽方式下汽輪機負(fù)荷動態(tài)響應(yīng)能力弱，部分負(fù)荷時運行經(jīng)濟性差。

導(dǎo)致上述問題的原因有以下幾方面：因不平衡進(jìn)汽而造成的汽流激振或轉(zhuǎn)子中心位置偏移、配汽函數(shù)與汽輪機流量特性不符、節(jié)流配汽方式下汽輪機運行經(jīng)濟性與可控性之間的矛盾、配汽方式不合理，等等。這些原因均可以通過順序閥投運試驗、流量特性試驗與配汽方式優(yōu)化等予以消除。

2.1 順序閥方式投運試驗

汽輪機軸承金屬溫度、振動等主要參數(shù)不能超限是順序閥方式投運的前提條件，但隨著大型汽輪機主蒸汽參數(shù)不斷提高，軸系漸顯輕盈，順序閥方式對汽輪機轉(zhuǎn)子的影響逐漸顯現(xiàn)。汽輪機調(diào)節(jié)閥開度不同時，負(fù)荷變化情況下調(diào)節(jié)級前后蒸汽流動狀態(tài)發(fā)生變化，汽輪機轉(zhuǎn)子尤其是高壓轉(zhuǎn)子受力將發(fā)生變化，導(dǎo)致汽輪機軸承金屬溫度、振動與軸向位移發(fā)生變化，劇烈時會給汽輪機的安全運行造成嚴(yán)重影響。通過順序閥方式投運試驗可以提前發(fā)現(xiàn)并消除這一問題。

順序閥投運試驗[6]主要包括閥門關(guān)閉試驗、配汽方式無擾切換試驗、配汽方式正常切換試驗和負(fù)荷變動試驗。通過閥門關(guān)閉試驗，可以確定可行的順序閥閥序：軸承金屬溫度高時，可以選用調(diào)節(jié)級下部噴嘴組先進(jìn)汽的方式[7]；轉(zhuǎn)子振動較大時，可以嘗試選用調(diào)節(jié)級上部噴嘴組先進(jìn)汽的方式[1]；在設(shè)備允許的情況下，可以選用調(diào)節(jié)級對角噴嘴組先進(jìn)汽的方式。通過這項試驗，一般可以找到合適的順序閥閥序來滿足安全運行的需要。如果這些嘗試均未成功，可在重新調(diào)整汽輪機相關(guān)軸承標(biāo)高及載荷后，再進(jìn)行上述試驗[8]。

在確定合適的閥序之后可再進(jìn)行配汽方式無擾切換試驗，其目的是避開單閥向順序閥的實際切換過程，直接檢驗汽輪機在順序閥方式下主要參數(shù)的實際情況，確認(rèn)每個負(fù)荷點下汽輪機主要參數(shù)變化均在合理范圍內(nèi)。

配汽方式正常切換試驗就是在密切關(guān)注的情況下進(jìn)行單閥向順序閥、順序閥向單閥的切換，試驗應(yīng)選擇在不同負(fù)荷點處進(jìn)行，觀察切換前后的機組負(fù)荷、主蒸汽壓力等參數(shù)是否發(fā)生大幅度波動，如果有大幅波動，說明配汽曲線不能真實反映機組的流量特性，需要重新計算整定。

負(fù)荷變動試驗的目的是觀察機組的協(xié)調(diào)運行能力和順序閥方式下閥點處調(diào)節(jié)閥的晃動情況。如果機組在不同配汽方式下協(xié)調(diào)運行能力差別明顯，或者在同一配汽方式、不同負(fù)荷段的協(xié)調(diào)運行能力差別明顯，說明配汽曲線需要進(jìn)行調(diào)整；如果閥點處調(diào)節(jié)閥有晃動現(xiàn)象，說明調(diào)節(jié)閥重疊度設(shè)置不合理，同樣需要對配汽曲線進(jìn)行調(diào)整。配汽曲線調(diào)整需要在流量特性試驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

2.2 流量特性試驗

汽輪機的流量特性是指調(diào)節(jié)閥開度與汽輪機流量的關(guān)系。對于運行中的汽輪機，常通過現(xiàn)場測試的方法來得到其流量特性，這一測試被稱為流量特性試驗。測試汽輪機流量特性的目的是進(jìn)行汽輪機配汽函數(shù)整定，不同配汽函數(shù)組成方式下的流量特性試驗過程基本一致，僅數(shù)據(jù)處理方面稍有不同。

2.3 配汽函數(shù)整定

汽輪機的配汽曲線一般是指流量指令與調(diào)節(jié)閥開度指令之間的關(guān)系曲線，它是由配汽函數(shù)形成的。汽輪機的配汽函數(shù)理論上是其流量特性的數(shù)值表征，兩者一致時，汽輪機將表現(xiàn)出良好的控制性能，否則就會出現(xiàn)諸多問題。根據(jù)汽輪機的流量特性可以計算配汽函數(shù)，這一過程通常稱之為配汽函數(shù)整定。

目前，國內(nèi)汽輪機控制系統(tǒng)中，常用的配汽函數(shù)組成方式主要有直接分配方式和間接分配方式，如圖1所示。

圖1 配汽函數(shù)組成方式

直接分配方式過程簡單、使用方便，缺點是配汽函數(shù)直接反映了汽輪機的流量特性，在調(diào)節(jié)閥開啟順序調(diào)整等運行工況改變的情況下，當(dāng)各調(diào)節(jié)閥通流能力或管理噴嘴數(shù)據(jù)不一致時，配汽函數(shù)的調(diào)整十分困難，一般均需要進(jìn)行流量特性試驗。

間接分配方式的特點是各轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)物理意義明確，只要分別確定每一個環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化函數(shù)，串聯(lián)起來就可以最終將汽輪機接收到的流量指令合理分配到每個調(diào)節(jié)閥，順序閥方式下閥序調(diào)整時，只需要修改閥序函數(shù)即可。缺點是轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)復(fù)雜，轉(zhuǎn)化函數(shù)需由設(shè)備廠家提供或通過專門試驗來確定。圖1（b）中，修正函數(shù)f1（x）用來修正汽輪機調(diào)節(jié)級后壓力對其通過的蒸汽流量的影響，實質(zhì)上是反映了調(diào)節(jié)級臨界流量與實際流量之間的對應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。閥序函數(shù)f2（x）用來決定順序閥方式下調(diào)節(jié)閥的開啟順序；修正函數(shù)f3（x）用來形成順序閥方式下先后開啟的調(diào)節(jié)閥之間的重疊度；閥門特性函數(shù)f4（x）表示臨界狀態(tài)下單個調(diào)節(jié)閥通過流量與開度的關(guān)系；修正函數(shù)f5（x）用來修正單閥方式下的調(diào)節(jié)閥開度，使輸出結(jié)果與單閥方式下汽輪機的流量特性相吻合。

圖2 調(diào)節(jié)級實際流量與臨界流量曲線

調(diào)節(jié)級的臨界壓比是確定上述關(guān)系的關(guān)鍵參數(shù)，一般由設(shè)備廠家提供[9]或由理論計算獲得[10]，但由于設(shè)備改造或老化等原因，廠方提供的參數(shù)和曲線常與現(xiàn)場設(shè)備實際情況嚴(yán)重不符，而理論計算結(jié)果也與實際偏差較大，因此通常以試驗方式來獲得調(diào)節(jié)級臨界壓比[11]。

順序閥方式下，配汽函數(shù)的整定可采用以下方法[12]：由實際流量-臨界流量關(guān)系曲線，將實際流量指令轉(zhuǎn)化為總臨界流量；根據(jù)調(diào)節(jié)閥開度-臨界流量關(guān)系曲線，得到全開狀態(tài)下調(diào)節(jié)閥的臨界流量，總臨界流量與之相減后得到部分開啟調(diào)節(jié)閥的臨界流量；根據(jù)調(diào)節(jié)閥開度-臨界流量關(guān)系曲線，得到部分開啟調(diào)節(jié)閥的開度。

在配汽函數(shù)整定準(zhǔn)確的情況下，根據(jù)圖1（b）中各配汽函數(shù)綜合計算的配汽曲線與圖1（a）計算的配汽曲線可做到完全一致。

2.4 滑壓曲線優(yōu)化

通過流量特性試驗和順序閥投運試驗可確保順序閥控制的精確性和安全性，但要充分發(fā)揮順序閥方式的經(jīng)濟性，還需要進(jìn)行滑壓優(yōu)化?；瑝簝?yōu)化可以通過理論計算或現(xiàn)場試驗來進(jìn)行。

理論計算通常是在確定可行初壓區(qū)間后，以改變主蒸汽壓力來進(jìn)行變工況計算，得到每一負(fù)荷點下供電煤耗最小的主蒸汽壓力為最優(yōu)主蒸汽壓力，由此得到機組的最優(yōu)滑壓曲線[13]。

現(xiàn)場試驗主要有試驗比較法和耗差分析法這2種方式[14]。試驗比較法是指在機組正常運行范圍內(nèi)選取若干個典型負(fù)荷點,在每個負(fù)荷點上設(shè)置不同的主蒸汽壓力以及調(diào)節(jié)閥開度對應(yīng)關(guān)系,進(jìn)行機組熱效率試驗，根據(jù)機組試驗熱耗率的差異程度,以機組熱耗率最小為原則來選取機組的最佳滑壓優(yōu)化曲線。耗差分析法是建立在機組耗差計算模型基礎(chǔ)上的一種滑壓運行優(yōu)化判別方法：提取對機組滑壓運行性能有關(guān)鍵影響的運行參數(shù),分別計算這些參數(shù)對機組熱耗率影響的分項耗差,匯總得出耗差總和,并以耗差總和最小作為機組不同滑壓運行方式尋優(yōu)評判的依據(jù)。

比較2種方法，試驗比較法的結(jié)果較精確，但工作量較大；耗差分析法涉及的評價參數(shù)較少，無需大量高精度試驗儀器的投入，就可以獲得與繁復(fù)的整機性能試驗較為接近的滑壓優(yōu)化效益評價結(jié)果。

滑壓曲線的改變對機組控制性能影響很大，因此，在滑壓曲線優(yōu)化以后，需要對機組協(xié)調(diào)控制參數(shù)進(jìn)行重新調(diào)整，以確認(rèn)機組一次調(diào)頻與AGC響應(yīng)能力可滿足規(guī)定要求。另外，汽輪機滑壓曲線優(yōu)化的本質(zhì)是對調(diào)節(jié)閥運行閥位的尋優(yōu)，因此，為了確保機組在不同季節(jié)、不同循環(huán)水溫度下，汽輪機調(diào)節(jié)閥均能保持在最佳閥位運行，需要根據(jù)真空的變化對滑壓曲線進(jìn)行修正[15]。

2.5 節(jié)流配汽方式優(yōu)化

以上汽-西門子1 000 MW超超臨界汽輪機為代表的節(jié)流配汽機組近年來在國內(nèi)被廣泛使用，該類汽輪機設(shè)計采用調(diào)節(jié)閥全開、滑壓方式運行，由此獲得良好的經(jīng)濟性能，但在實際運行中，為了保證機組有一定的動態(tài)調(diào)頻能力，調(diào)節(jié)閥常在節(jié)流狀態(tài)，由此產(chǎn)生了經(jīng)濟性與可控性之間的矛盾：調(diào)節(jié)閥開度較小時，節(jié)流損失較大，但控制性能較好；調(diào)節(jié)閥開度較大時，節(jié)流損失較小，但控制性能較差。采用變閥位滑壓運行模式[16]可以有效解決這一矛盾。

圖3是某1 000 MW汽輪機的滑壓曲線。由圖3可知，在低負(fù)荷時，主蒸汽壓力較低，機組蓄能較小，適當(dāng)降低調(diào)節(jié)閥開度能有效提升主蒸汽壓力、增加蓄能，同時也可以擴大調(diào)節(jié)裕量，減少調(diào)節(jié)閥晃動。多臺機組實際運行結(jié)果表明，采用變閥位滑壓運行模式，將滑壓曲線由直線變?yōu)槎嗾劬€，調(diào)節(jié)閥開度晃動現(xiàn)象消失，一次調(diào)頻與AGC響應(yīng)正常，機組控制水平明顯提高。

為了提高該類機組的負(fù)荷動態(tài)響應(yīng)能力，近年來出現(xiàn)的新手段有：投用補汽閥[17]、開發(fā)凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻功能[18-19]和抽汽調(diào)頻功能，在一定程度上彌補了節(jié)流配汽方式下汽輪機負(fù)荷動態(tài)響應(yīng)能力的不足，提高了機組的可控性。

圖3 某1 000 MW汽輪化機滑壓曲線

2.6 混合配汽方式改造

混合配汽方式兼顧了單閥配汽的安全性與順序閥配汽的經(jīng)濟性，適用于帶基本負(fù)荷的機組，但機組調(diào)峰運行時會產(chǎn)生很大的節(jié)流損失[20]。另外，混合配汽方式只能在單一閥點下滑壓運行，目前只能采用三閥點滑壓方式，主蒸汽壓力明顯偏低，嚴(yán)重影響了機組的動態(tài)調(diào)頻性能。解決這一問題的方法是對這種配汽方式進(jìn)行改造[21]，增加順序閥配汽方式。

對該類型汽輪機進(jìn)行配汽方式改造時，首先要進(jìn)行噴嘴組強度校核計算，以確定調(diào)節(jié)級在部分進(jìn)汽工況下的安全性，其次要進(jìn)行控制邏輯的修改，增加順序閥配汽邏輯與相關(guān)配汽方式切換函數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行順序閥投運試驗、流量特性試驗以及滑壓優(yōu)化試驗，最終完成優(yōu)化改造。某東汽600 MW亞臨界汽輪機配汽方式改造前后的配汽曲線如圖4、圖5所示。

圖4 改造前混合配汽曲線

圖5 改造后的順序閥配汽曲線

3 結(jié)語

汽輪機配汽特性與機組的安全性、經(jīng)濟性和可控性密切相關(guān)，掌握汽輪機流量特性是研究其配汽特性的基礎(chǔ)。順序閥方式投運試驗、流量特性試驗、配汽函數(shù)整定與滑壓優(yōu)化是與汽輪機配汽特性相關(guān)的基礎(chǔ)性工作，配汽方面出現(xiàn)的問題大多與這幾項工作有關(guān)，解決汽輪機配汽問題也主要依靠這幾項工作。節(jié)流配汽方式優(yōu)化與混合配汽方式改造可提升相關(guān)類型汽輪機的經(jīng)濟性與可控性。

并網(wǎng)運行的汽輪機，其流量特性在制約機組控制性能的同時，也影響著電網(wǎng)的動態(tài)特性，已有明確的證據(jù)表明，汽輪機的配汽問題與電網(wǎng)功率振蕩、尤其是電網(wǎng)低頻振蕩之間有密切聯(lián)系，這將是今后開展進(jìn)一步研究的方向。

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（本文編輯：龔皓）

Analysis and Optimization of Issues Related to Steam Distribution of Large Steam Turbines

HE Yi-hao1，LI Qun2，TONG Xiao-zhong3，ZHANG Bao3
（1.Zhejiang Provincial Energy Group Company Ltd.，Hangzhou 310007，China；2.Taizhou Polytechnic College，Taizhou Jiangsu 225300，China；3.Z（P）EPC Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Steam distribution mode of steam turbine greatly affects the safety,economical efficiency and controllability of the units.The paper analyzes and categorizes common problems in steam distribution of steam turbine,and it expounds methods and ways to handle the steam distribution problems in terms of commissioning test of sequence valve,test of flow characteristic,steam distribution function setting,sliding pressure curve optimization,optimization of throttle steam distribution and mixed steam distribution mode.It is practically proved that these measures are reliable and effective.

steam turbine；steam distribution method；flow characteristic；steam distribution function setting；sliding pressure curve optimization

TK267

：B

：1007-1881（2013）07-0043-05

2013-05-14

何翊皓（1959-），男，浙江建德人，高級工程師，碩士，主要從事發(fā)電廠管理工作。