快裝式汽輪發(fā)電機(jī)組邊界條件試驗(yàn)研究

李少軍，須一宏，靳 軍，龔存忠

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七〇四研究所，上海200031)

0 引 言

汽輪發(fā)電機(jī)組的邊界條件試驗(yàn)主要是研究汽輪機(jī)在超出汽輪機(jī)設(shè)計(jì)條件下的極限性能。在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，曾出現(xiàn)當(dāng)蒸汽溫度降低40℃但需要機(jī)組輸出滿功率長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行;多臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，某臺(tái)機(jī)組蒸汽參數(shù)由高參數(shù)突然降低至低參數(shù)時(shí)，但電力系統(tǒng)必須穩(wěn)定運(yùn)行;抽氣器工作壓力突然降低，但汽封抽汽系統(tǒng)仍需可靠運(yùn)行等惡劣運(yùn)行工況。

機(jī)組在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，如當(dāng)某臺(tái)機(jī)組蒸汽參數(shù)由高參數(shù)突然降低至低參數(shù)時(shí)，該機(jī)組的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率會(huì)增大，當(dāng)調(diào)速率增大超過(guò)允許范圍時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定，并且蒸汽參數(shù)降低后，如遇到在緊急情況下突甩負(fù)荷時(shí)，其穩(wěn)定時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)眾多研究人員對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了理論及試驗(yàn)研究，朱蕾［1］等對(duì)變工況下汽輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率進(jìn)行了試驗(yàn)研究，周蘭欣［2］等對(duì)抽氣器與凝汽器真空影響關(guān)系進(jìn)行了研究，宋百玲［3］等對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷過(guò)程進(jìn)行了理論建模與仿真研究，其他一些研究人員對(duì)汽輪機(jī)變工況特性進(jìn)行了研究［4－6］。

汽輪發(fā)電機(jī)組邊界條件試驗(yàn)主要是針對(duì)機(jī)組在實(shí)際使用過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題，開(kāi)展針對(duì)性的試驗(yàn)，摸索機(jī)組在邊界條件下的技術(shù)性能，為汽輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供試驗(yàn)依據(jù)。汽輪發(fā)電機(jī)組邊界條件試驗(yàn)主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)研究:

1)汽輪機(jī)滿載能力及超載最低蒸汽溫度及最低蒸汽壓力試驗(yàn);

2)蒸汽參數(shù)波動(dòng)狀態(tài)下調(diào)速器的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn);

3)抽氣器最低工作蒸汽壓力試驗(yàn)。

1 汽輪發(fā)電機(jī)組邊界條件試驗(yàn)

本汽輪發(fā)電機(jī)組邊界條件試驗(yàn)在專用汽輪發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)位進(jìn)行。試驗(yàn)臺(tái)位按邊界試驗(yàn)要求進(jìn)行改造，試驗(yàn)場(chǎng)地條件滿足汽輪發(fā)電機(jī)組邊界條件試驗(yàn)所需的蒸汽、水源、油、負(fù)載等系統(tǒng)正常運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)安裝在機(jī)組及系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行采集，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和有效性。圖1為汽輪發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)位，機(jī)組設(shè)計(jì)蒸汽參數(shù)為高參數(shù)/低參數(shù)工況，但根據(jù)要求，機(jī)組常用使用工況在低參數(shù)時(shí)，溫度將低40℃，在高參數(shù)工況下，溫度降低45℃。邊界條件試驗(yàn)分別按以下條件進(jìn)行:

試驗(yàn)蒸汽參數(shù)在壓力不變的條件下，蒸汽溫度分別在330℃，320℃，310℃以及300℃條件下，逐漸增加負(fù)載至滿載，各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定后運(yùn)行5～10 min，確定具備帶滿負(fù)荷的最低蒸汽溫度。

試驗(yàn)蒸汽參數(shù)在溫度維持不變的條件下，壓力分別為3.8 MPa(a)，3.6 MPa(a)，3.4 MPa(a)，3.2 MPa(a)以及3.0 MPa(a)條件下，逐漸增加負(fù)載至滿載，各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定后運(yùn)行5～10 min，確定具備帶滿負(fù)荷的最低蒸汽壓力。

穩(wěn)態(tài)調(diào)速率在低參數(shù)工況整定完畢的基礎(chǔ)上，改變主蒸汽溫度，溫度參數(shù)依次為310℃，350℃下進(jìn)行瞬態(tài)調(diào)速率及恢復(fù)時(shí)間測(cè)試。

航空電磁多波脈沖發(fā)射技術(shù)是國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“固定翼時(shí)間域航空電磁測(cè)量技術(shù)系統(tǒng)研制”的關(guān)鍵和難點(diǎn)技術(shù)，要求在現(xiàn)有的500 A峰值電流脈沖發(fā)射技術(shù)的基礎(chǔ)上，突破1000 A峰值電流脈沖發(fā)射技術(shù)瓶頸，并實(shí)現(xiàn)多波發(fā)射功能。該技術(shù)能夠擴(kuò)展發(fā)射波形的高頻成份，在實(shí)現(xiàn)大探測(cè)深度（650 m）的同時(shí)提升儀器的淺層分辨能力。

穩(wěn)態(tài)調(diào)速率在低參數(shù)整定完畢的基礎(chǔ)上，蒸汽壓力穩(wěn)定，在主蒸汽溫度分別為310℃，350℃時(shí)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)調(diào)速率試驗(yàn);穩(wěn)態(tài)調(diào)速率在高參數(shù)整定完畢的基礎(chǔ)上，蒸汽壓力穩(wěn)定，主蒸汽溫度分別為395℃，435℃時(shí)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)調(diào)速率試驗(yàn)。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)位圖Fig.1 The steam turbo generator test lab

2 邊界條件試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 高參數(shù)帶載能力試驗(yàn)

汽輪發(fā)電機(jī)組在蒸汽參數(shù)為高參數(shù)時(shí)415℃的汽耗量測(cè)定見(jiàn)表1，在負(fù)載為1 500 kW 時(shí)，汽耗量約9.08 t/h，而蒸汽參數(shù)為460℃時(shí)，汽耗量約8.13 t/h (排汽壓力－0.077 MPa)，溫度下降45℃時(shí)，汽耗量增加約0.95 t/h;圖2為負(fù)載與汽耗量的變化曲線。

表1 高參數(shù)(415℃)負(fù)荷汽耗量測(cè)定Tab.1 The steam consumption of high parameter (415℃)

從圖中可以看到，汽耗量與負(fù)載成線性增加，通過(guò)蒸汽參數(shù)為415℃時(shí)的汽耗量測(cè)定試驗(yàn)，表明機(jī)組在此蒸汽條件下，具備100%負(fù)荷能力。

2.2 高參數(shù)過(guò)載能力試驗(yàn)

本試驗(yàn)主要測(cè)試蒸汽參數(shù)為425℃時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)組是否具備超載125%的能力。汽輪發(fā)電機(jī)組在蒸汽參數(shù)為425℃的汽耗量測(cè)定見(jiàn)表2，在負(fù)載為1 875 kW 時(shí)，汽耗量約11.3 t/h，而蒸汽參數(shù)為460℃時(shí)，汽耗量約10.09 t/h (排汽壓力－0.071 MPa)。蒸汽參數(shù)為415℃時(shí)的汽耗量見(jiàn)表3，從表中可以看出，當(dāng)負(fù)載為1 875 kW 時(shí)，汽輪機(jī)排氣壓力為－0.062 MPa，接近低真空?qǐng)?bào)警值－0.06 MPa。通過(guò)試驗(yàn)表明:為保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行，機(jī)組在高參數(shù)條件下具備超載1 875 kW的最低蒸汽溫度為425℃。

表2 高參數(shù)(425℃)超載工況Tab.2 The steam consumption of high parameter (425℃)

表3 高參數(shù)(415℃)超載工況Tab.3 The steam consumption of high parameter (415℃)

2.3 汽壓對(duì)機(jī)組帶載能力影響試驗(yàn)

本項(xiàng)試驗(yàn)主要測(cè)試當(dāng)蒸汽溫度穩(wěn)定，而蒸汽壓力在3.1～3.8 MPa(a)內(nèi)變化時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)組帶100%負(fù)載的最低蒸汽壓力。圖3為當(dāng)溫度維持不變時(shí)，蒸汽壓力與汽耗量的變化曲線，表4為最低蒸汽壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表。從圖表及試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看到，隨著蒸汽壓力的降低，汽耗量基本線性降低。通過(guò)試驗(yàn)表明:當(dāng)蒸汽參數(shù)為3.0 MPa 時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)組具備帶100%負(fù)載的能力。

表4 機(jī)組帶滿載最低蒸汽壓力試驗(yàn)Tab.4 The steam consumption of the lowest steam pressure

圖3 蒸汽壓力與汽耗量變化曲線Fig.3 Comparison of steam pressure and steam consumption

2.4 溫度對(duì)機(jī)組帶載能力影響試驗(yàn)

本項(xiàng)試驗(yàn)主要測(cè)試當(dāng)蒸汽壓力維持不變，而蒸汽溫度在300℃～330℃內(nèi)變化時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)組帶100%負(fù)載的最低蒸汽溫度。

圖4為蒸汽壓力與汽耗量的變化曲線，表5為最低蒸汽壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表。從圖表及試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看到，當(dāng)蒸汽參數(shù)為300℃時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)組具備帶100%負(fù)載的能力。且隨著蒸汽溫度的降低，汽耗量線性降低。通過(guò)試驗(yàn)表明:蒸汽參數(shù)為300℃時(shí)，機(jī)組具備帶100% 負(fù)載長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

表5 機(jī)組帶滿載最低蒸汽溫度試驗(yàn)Tab.5 The steam consumption of the lowest steam temperature

圖4 蒸汽溫度與汽耗量變化曲線Fig.4 Comparison of steam temperature and steam consumption

2.5 調(diào)速器靜態(tài)特性邊界條件試驗(yàn)

本項(xiàng)試驗(yàn)主要對(duì)蒸汽溫度波動(dòng)時(shí)，機(jī)組靜態(tài)調(diào)速特性的變化。表6為低參數(shù)時(shí)，溫度變化對(duì)穩(wěn)態(tài)調(diào)速率的影響值，表7為高參數(shù)時(shí)，溫度變化對(duì)穩(wěn)態(tài)調(diào)速率的影響值。

表6 溫度對(duì)穩(wěn)態(tài)調(diào)速率影響試驗(yàn)(低參數(shù))Tab.6 Effects of temperature on the steady-state speed droop (low)

表7 溫度對(duì)穩(wěn)態(tài)調(diào)速率影響試驗(yàn)(高參數(shù))Tab.7 Effects of temperature on the steady-state speed droop (high)

2.6 調(diào)速器動(dòng)態(tài)特性邊界條件試驗(yàn)

本項(xiàng)試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)機(jī)組在蒸汽溫度變化條件下，機(jī)組的動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。蒸汽參數(shù)及負(fù)荷、動(dòng)力油壓及溫度、調(diào)速器靜態(tài)調(diào)速特性等對(duì)調(diào)速器影響較大。機(jī)組蒸汽參數(shù)越高，焓降越大，輸出相同功率需要的蒸汽量越小，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度越小，油動(dòng)機(jī)行程相應(yīng)也減少;蒸汽參數(shù)越高，調(diào)速器穩(wěn)態(tài)調(diào)速率也越小，相應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間越短。表8為蒸汽壓力穩(wěn)定，蒸汽溫度分別為310℃，330℃，350℃時(shí)的瞬態(tài)調(diào)速率記錄及穩(wěn)定時(shí)間表。

從表中可以看出，當(dāng)蒸汽溫度變化時(shí)，機(jī)組的瞬態(tài)調(diào)速率基本維持在3.7%，蒸汽溫度的變化對(duì)瞬態(tài)調(diào)速率影響較小，在蒸汽溫度為310℃時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間約為1.7 s ，當(dāng)蒸汽溫度升高至350℃時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間約為1.5 s。穩(wěn)定時(shí)間基本維持不變，通過(guò)試驗(yàn)表明溫度變化對(duì)調(diào)速器的動(dòng)態(tài)特性影響較小。

表8 機(jī)組動(dòng)態(tài)特性邊界條件試驗(yàn)Tab.8 The dynamic characteristic of boundary condition test

2.7 抽氣器最低工作壓力試驗(yàn)

本項(xiàng)試驗(yàn)主要檢驗(yàn)抽氣器在最低蒸汽參數(shù)下的工作能力，試驗(yàn)按蒸汽壓力逐漸上升及蒸汽壓力逐漸下降進(jìn)行，試驗(yàn)壓力值與真空變化見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 真空隨抽汽器壓力上升曲線Fig.5 Vacuum with the air ejector pressure rising curve

圖6 真空隨抽汽器壓力下降曲線Fig.6 Vacuum with the air ejector pressure decline curve

從圖中可以看出，上行曲線與下行曲線基本相同，當(dāng)抽氣壓力為1.3 MPa 時(shí)，真空值為－0.084 MPa，基本可以滿足使用要求，當(dāng)抽汽壓力低于1.0 MPa，已基本無(wú)法滿足抽汽系統(tǒng)的使用要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)快裝式汽輪發(fā)電機(jī)組在實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)的蒸汽參數(shù)突變等惡劣工況，有針對(duì)性的開(kāi)展了汽輪發(fā)電機(jī)組邊界條件試驗(yàn)，按要求對(duì)低參數(shù)條件下的機(jī)組帶載能力進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)高參數(shù)條件下的最低超載溫度進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)溫度變化對(duì)調(diào)速器的靜態(tài)特性變化進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)抽氣器最低工作壓力進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論:

1)在低參數(shù)工況條件下，汽輪機(jī)帶100%負(fù)載的最低蒸汽參數(shù)為當(dāng)額定蒸汽壓力時(shí)，溫度為300℃，額定蒸汽溫度時(shí)，蒸汽壓力為3.0 MPa;

2)在高參數(shù)工況條件下，汽輪機(jī)帶125%負(fù)載的最低蒸汽參數(shù)為425℃;

3)高低蒸汽參數(shù)條件下，蒸汽溫度變化對(duì)機(jī)組靜態(tài)調(diào)速性能存在影響，當(dāng)蒸汽溫度變化40℃時(shí)對(duì)調(diào)速器靜態(tài)特性影響值≤0.3%。

4)溫度變化對(duì)調(diào)速器動(dòng)態(tài)特性影響較小，當(dāng)溫度變化40℃時(shí)，機(jī)組的瞬態(tài)調(diào)速率及穩(wěn)定時(shí)間基本不變。

5)抽汽器的最低工作蒸汽壓力為1.3 MPa，當(dāng)蒸汽壓力低于1.0 MPa 時(shí)，將無(wú)法滿足機(jī)組汽封抽汽系統(tǒng)的使用要求。

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