壓縮空氣儲能膨脹機進氣閥嚴密性試驗

文賢馗，張世海 ,盛 勇，白 陽

(1.貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，貴州 貴陽 550002；2.中國科學院工程熱物理所，北京 海淀 100190)

壓縮空氣儲能膨脹機進氣閥嚴密性試驗

文賢馗1，張世海1,盛 勇2，白 陽2

(1.貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，貴州 貴陽 550002；2.中國科學院工程熱物理所，北京 海淀 100190)

目前，國內(nèi)壓縮空氣儲能電站膨脹機進氣閥嚴密性試驗所采用的試驗方案、試驗指標不明確，缺少對嚴密試驗的科學論證，沒有膨脹機進氣閥嚴密性是否合格的量化指標。為準確判斷膨脹機進氣閥的嚴密性，保障壓縮空氣儲能發(fā)電膨脹機的安全運行，文章通過對比分析火電和核電蒸汽輪機、燃氣輪機進氣閥嚴密性試驗方法，結(jié)合膨脹機的結(jié)構(gòu)動力特性及其運行特點，提出膨脹機進氣閥嚴密性試驗的方法，并對試驗步驟進行規(guī)范，提出試驗結(jié)果合格的判定標準，通過不同時間段試驗的惰走時間數(shù)據(jù)進行比較，得到進氣閥嚴密性的變化情況。該方法引入膨脹機轉(zhuǎn)速作為判斷依據(jù)，量化嚴密性試驗合格指標，使試驗更具客觀性和可操作性，保障膨脹機的安全穩(wěn)定運行。

壓縮空氣儲能；透平膨脹機；進氣閥嚴密性；汽輪機；燃氣輪機

0 引言

壓縮空氣儲能系統(tǒng)被認為是最有發(fā)展前景的大規(guī)模電力儲能技術(shù)之一[1-4]，系統(tǒng)中膨脹機進氣閥嚴密性是保證膨脹機安全運行的重要保證，避免膨脹機在突然甩負荷或緊急停機過程中轉(zhuǎn)速的過度飛升，以及在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能有效控制轉(zhuǎn)速。在機組首次安裝和大修解體后，應進行相應嚴密性試驗進行檢測判斷。

目前，國內(nèi)外都有一些示范工程，我國主要開展非補燃式壓縮空氣儲能，2013年中國科學院工程熱物理研究所在河北廊坊建成了1.5 MW示范工程[5]，2016年又在貴州畢節(jié)建設10 MW超臨界壓縮空氣儲能示范工程[6-7]。清華大學等單位在安徽蕪湖建成了500 kW示范工程[8-9]。研究的重點主要集中在壓縮機/膨脹機的效率、熱能回收利用、熱電冷三聯(lián)產(chǎn)上，開展了大量工作，并取得了大量研究成果，但在膨脹機嚴密性方面還沒有定量的規(guī)定。目前，采用的方法是關閉主氣閥和調(diào)節(jié)氣閥，根據(jù)兩者之間壓力變化判定主氣閥是否嚴密，這種方式對嚴密性判斷沒有提出一個定量衡量指標，不能對調(diào)節(jié)氣閥嚴密性進行有效判定，而且如果調(diào)節(jié)氣閥不嚴密，對主汽閥的嚴密性判斷將會導致較大偏差，甚至引起誤判，給膨脹機的運行帶來安全隱患。本文根據(jù)壓縮空氣儲能電站膨脹機的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合汽輪機、燃氣輪機進氣閥嚴密性試驗的相關準則，對膨脹機進氣閥嚴密性試驗開展研究，為進氣閥嚴密性提供試驗方法和判定依據(jù)。

1 壓縮空氣儲能系統(tǒng)

壓縮空氣儲能一般采用多級壓縮放熱和多級膨脹吸熱，系統(tǒng)圖見圖1。

1-儲能壓縮機，2-釋能膨脹機，3- 電動機，4- 發(fā)電機，5-冷水罐，6-熱水罐，7-壓縮空氣罐，8-換熱器，9-主氣閥，10-調(diào)節(jié)氣閥，11-空氣進入，12-排氣 圖1 蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)Fig.1 Regenerative CAES

在電網(wǎng)電量富裕時，啟動壓縮空氣儲能過程，電動機消耗電能驅(qū)動壓縮機運行，空氣經(jīng)多級壓縮后進入壓縮空氣罐，冷卻水從冷水罐進入壓縮機各級換熱器，吸收壓縮熱后進入熱水罐，儲能過程將電能轉(zhuǎn)換為空氣壓力能和水的熱能進行存儲。當電網(wǎng)電量緊缺時，啟動釋能膨脹發(fā)電過程：壓縮空氣罐內(nèi)的高壓空氣進入釋能膨脹機進行多級膨脹，熱水從熱水罐進入膨脹機各級換熱器，釋放壓縮熱后進入冷水罐，在高壓空氣的驅(qū)動下膨脹機旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪變速箱減速后驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，釋能過程將空氣壓力能和熱能轉(zhuǎn)換為接入電網(wǎng)的電能[10]。

膨脹機的調(diào)節(jié)系統(tǒng)含1個電動快關門(主氣閥)和2個氣動控制調(diào)節(jié)氣閥(調(diào)節(jié)氣閥)，膨脹機運行時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)速或負荷指令調(diào)整調(diào)節(jié)氣閥開度，控制壓縮空氣進氣量。在并網(wǎng)前，調(diào)節(jié)氣閥控制膨脹機由靜止啟動至額定轉(zhuǎn)速，在并網(wǎng)接帶負荷后，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令調(diào)節(jié)膨脹機輸出功率。

膨脹機各級產(chǎn)生的軸功輸入齒輪變速箱，一、二級布局在齒輪箱一側(cè)，三、四級布局在相對應的另一側(cè)，經(jīng)過齒輪變速箱減速至1 500 r/min后由主軸輸出，帶動發(fā)電機發(fā)電，見圖2。

圖2 膨脹機與發(fā)電機連接圖Fig.2 Connection graph of expander and generator

2 類似透平進汽閥嚴密性試驗方法

壓縮空氣儲能膨脹機屬于透平膨脹機，壓縮空氣進入透平膨脹，降壓輸出機械功帶動發(fā)電機輸出電能，因此透平膨脹機(turbine expander)的嚴密性試驗可以參考工作原理與其接近的汽輪機(steam turbine)和燃氣輪機(gas turbine)的試驗方法。

2.1 火電汽輪機試驗方法

2.1.1 汽輪機調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)試驗導則規(guī)定的方法

按照DL/T 711—1999《汽輪機調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)試驗導則》[11]的規(guī)定，試驗在汽輪機空負荷狀態(tài)下進行，蒸汽參數(shù)和真空應盡量保持額定，主(再熱)蒸汽壓力最低不得低于額定壓力的50%，高中壓主汽閥和高中壓調(diào)節(jié)汽閥關閉后,汽輪機轉(zhuǎn)速應能下降至式(1) 的計算值。

(1)

式中:nmin為合格轉(zhuǎn)速；Pt為試驗主蒸汽壓力；Pe為額定主蒸汽壓力。

對于中壓機組閥門的最大蒸汽泄漏量應不致影響轉(zhuǎn)子降速至靜止。對于主蒸汽壓力為9 MPa或以上的機組,其閥門最大蒸汽泄漏量不致影響轉(zhuǎn)子降速至1 000 r/min以下。

要求每類閥門分別單獨試驗。在額定轉(zhuǎn)速下調(diào)節(jié)汽閥(或主汽閥)處于全開狀態(tài),迅速關閉主汽閥(或調(diào)節(jié)汽閥),記錄降速過程時間和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。試驗過程中應注意汽輪機脹差、軸向位移、機組振動和缸溫變化。

2.1.2 轉(zhuǎn)速1 000 r/min以下低轉(zhuǎn)速試驗方法

文獻[12]指出：絕大部分汽輪發(fā)電機組的臨界轉(zhuǎn)速為1 000～2 000 r/min，由于部分機組的軸系存在問題，在降轉(zhuǎn)速過程中，過臨界轉(zhuǎn)速時振動大，導致試驗無法進行。為此提出采用1 000 r/min以下轉(zhuǎn)速進行嚴密性試驗的方法，既不在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)范圍，又節(jié)省了試驗時間。

試驗方法是：機組解列后，打閘，待轉(zhuǎn)速下降到1 000 r/min后，重新掛閘，控制轉(zhuǎn)速，進行調(diào)速汽門嚴密性試驗，關閉調(diào)速汽門，記錄參數(shù)；結(jié)束后進行主汽閥嚴密性試驗，關閉主汽閥，開啟調(diào)速汽閥，記錄參數(shù)。

試驗結(jié)果判定：

(2)

式中：PHt、PIt為試驗主、再熱蒸汽壓力；PHe、PIe為額定主、再熱蒸汽壓力；0.3和0.7是高壓缸和中低壓缸的做功比例經(jīng)驗系數(shù)，可以根據(jù)實際情況進行調(diào)整。

2.2 核電半速汽輪機試驗方法

全速汽輪機的轉(zhuǎn)速是3 000 r/min，半速汽輪機轉(zhuǎn)速是1 500 r/min，因為火電汽輪機蒸汽參數(shù)高，一般都是過熱蒸汽，而核電的蒸汽參數(shù)低，只能達到飽和蒸汽，因此在發(fā)出相同的電功率時，核電汽輪機要求通過增大蒸汽流量來彌補由于蒸汽參數(shù)低造成的做功能力的不足，核汽輪機的末級葉片就要求做的長一些來增大流通面積，如果采用全速機的話，葉片要承受很大的離心力，在材料上是很難滿足條件的[13]。

主氣門嚴密性試驗方法：機組處于盤車狀態(tài)，通過主汽門油動機上的試驗電磁閥快速關閉主汽門。設置汽輪機的目標轉(zhuǎn)速設定值，并進入程序控制生效該設定值。此時由于汽輪機實際轉(zhuǎn)速仍為8 r/min，轉(zhuǎn)速控制回路上產(chǎn)生較大偏差，該偏差將控制調(diào)門逐漸開啟。

試驗開始即開始計時，計時期間，若汽輪機實際轉(zhuǎn)速超過5% (即為75 r/min)，則自動結(jié)束嚴密性試驗并自動停機，說明汽門嚴密性不合格[14]。

2.3 燃氣輪機試驗方法

圖3 燃氣輪機系統(tǒng)圖Fig.3 System diagram of gas turbine

燃氣輪機系統(tǒng)圖見圖3。壓氣機通過進口空氣過濾器從大氣中吸入空氣,壓縮空氣并將其送入燃燒室,與燃料混合燃燒后產(chǎn)生高溫高壓燃氣,燃氣進入透平,帶動透平做功,產(chǎn)生的機械能驅(qū)動發(fā)電機和壓氣機。燃氣輪機的燃氣調(diào)節(jié)閥單獨進行閥門嚴密性試驗(類似火電機組的燃油角閥嚴密性試驗)，因此沒有進氣管路，也無需嚴密性試驗[15]。

為提高系統(tǒng)效率，燃氣輪機一般和蒸汽輪機聯(lián)合運行，有雙軸和多軸等形式，系統(tǒng)中的蒸汽輪機試驗方法同2.1.1。

3 膨脹機嚴密性試驗方法

以上文獻提出的方法中，2.1.2方法主要是考慮機組降速過程中通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)影響，而膨脹機的臨界轉(zhuǎn)速高于工作額定轉(zhuǎn)速，因此該方法不適用于膨脹機。2.2的方法是在盤車轉(zhuǎn)速下進行，而膨脹機不進行盤車，轉(zhuǎn)子從靜止狀態(tài)沖轉(zhuǎn)需要的動力遠遠大于盤車狀態(tài)沖轉(zhuǎn)，因此也不適用。綜合考慮，膨脹機的氣閥嚴密性試驗參考2.1.1的方法，具體步驟如下。

3.1 試驗前準備工作

試驗前應檢查調(diào)節(jié)系統(tǒng)各部件出廠試驗報告及安裝記錄，核實調(diào)節(jié)系統(tǒng)安裝是否正符合設計要求，機組安裝檢修工作全部完成，輔助系統(tǒng)啟動正常。

機組靜態(tài)時須進行打閘試驗，分別在能夠?qū)崿F(xiàn)打閘功能的地方進行，動作后確認主氣閥、調(diào)節(jié)氣閥能迅速關閉，相應信號正常。

主氣閥、調(diào)節(jié)氣閥行程測量及標定試驗。強制DEH邏輯中的閥位指令，使主氣閥、調(diào)節(jié)氣閥分別處于機械位置的全開、全關位，測取行程并標記位置。

主氣閥、調(diào)節(jié)氣閥關閉時間測試。強制主氣閥、調(diào)節(jié)氣閥處于全開狀態(tài)，分別手動觸發(fā)和保護觸發(fā)跳閘條件一次，通過錄波儀測取主氣閥、調(diào)節(jié)氣閥的關閉時間，如圖4。

t1-主氣閥自身關閉時間，t2-主氣閥總關閉時間，t3-調(diào)節(jié)氣閥自身關閉時間，t4-調(diào)節(jié)氣閥總關閉時間 圖4 主氣閥、調(diào)節(jié)氣閥關閉時間Fig.4 Closing time record of main air valve and control valve

3.2 試驗方法

目前，大型汽輪機都采用滑參數(shù)啟動，即鍋爐燃燒至啟動常數(shù)就進行汽輪機沖轉(zhuǎn)，在汽輪機啟動過程中逐漸提升蒸汽參數(shù)，因此汽閥嚴密性試驗對閥前參數(shù)要求大于50%。而膨脹機屬于額定參數(shù)啟動，即啟動時閥前壓力為額定值。

試驗方法是，在膨脹機沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速，壓縮空氣壓力保持額定，主氣閥或調(diào)節(jié)氣閥關閉后，膨脹機轉(zhuǎn)速應能迅速下降，記錄降速過程時間。

主氣閥和調(diào)節(jié)氣閥應分別單獨進行試驗：保持機組在額定轉(zhuǎn)速下運行，主氣閥嚴密性試驗時，先維持調(diào)節(jié)氣閥開度，迅速關閉主氣閥，然后逐漸將調(diào)節(jié)氣閥全開進行試驗；調(diào)節(jié)氣閥試驗時，維持主汽閥在全開位置，迅速關閉調(diào)節(jié)氣閥，試驗過程中應嚴密監(jiān)視機組運行參數(shù)，特別是軸向位移、振動等。

3.3 判定標準

因壓縮空氣儲能膨脹機的進氣壓力不超過7 MPa，參考汽輪機試驗標準，當主氣閥或調(diào)節(jié)氣閥單獨關閉時，其嚴密性試驗的判定標準為轉(zhuǎn)子是否能夠靜止(轉(zhuǎn)速到0)，即關閉后轉(zhuǎn)子降速至靜止判定試驗合格，否則不合格。

1-關閉信號，2-主氣閥嚴密性透平膨脹機轉(zhuǎn)速信號，3-調(diào)節(jié)氣閥嚴密性透平膨脹機轉(zhuǎn)速信號，tm -主氣閥嚴密性透平膨脹機惰走時間，tc -調(diào)節(jié)氣閥嚴密性透平膨脹機惰走時間，td-系統(tǒng)延遲時間 圖5 透平膨脹機嚴密性記錄Fig.5 Leak test record of turbine-expander

測取關閉信號和透平膨脹機轉(zhuǎn)速下降過程，如圖5，記錄透平膨脹機惰走時間(從開始降速到轉(zhuǎn)子靜止的時間)。可以通過不同時間段試驗的惰走時間數(shù)據(jù)進行比較，可以得到主氣閥(調(diào)節(jié)氣閥)嚴密性的變化。

以主氣閥惰走時間為例說明，第1次試驗時間為tm1，經(jīng)過一段時間后進行第2次試驗，主氣閥惰走時間為tm2，其差值為

Δtm=tm1-tm2

(3)

如Δtm>0，說明主氣閥嚴密性變好；如Δtm<0說明主氣閥嚴密性變差，數(shù)值大小說明變化程度。

同理，可以通過不同時間段的調(diào)節(jié)閥惰走時間變化來判斷調(diào)節(jié)氣閥的嚴密性。

4 結(jié)論

參照工作原理接近的汽輪機和燃氣輪機，獲取壓縮空氣儲能膨脹機進氣閥嚴密性的試驗方法，引入轉(zhuǎn)速參考量，作為判斷嚴密性是否合格的依據(jù)，給出壓縮空氣壓力低于9 MPa的膨脹機進氣閥嚴密性合格判斷標準，規(guī)范了嚴密性試驗的流程，可以有效指導工作人員開展嚴密性試驗，提高了嚴密性試驗的準確性。

壓縮空氣儲能發(fā)電膨脹機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，很小的閥門內(nèi)漏也可能造成轉(zhuǎn)速飛升，工作人員在嚴密性試驗過程中，應嚴密監(jiān)視膨脹機轉(zhuǎn)速的變化情況，同時，應擬定嚴謹?shù)脑囼灧桨福瑖栏褚?guī)范試驗步驟，確保試驗在進氣閥關閉時間合格情況下進行。

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InletValveLeakTestforTurbineExpanderofCAES

WEN Xiankui1, ZHAGN Shihai1, SHENG Yong2, BAI Yang2

(1. Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co., Ltd.， Guiyang 550002, Guizhou Province, China; 2. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Science, Haidian District, Beijing 100190, China)

At present, the scheme adopted in inlet valve leak test of the expander in compressed air energy storage (CAES) power station and the test parameter are not definite, the leak test lacks the scientific demonstration, and there is no quantitative index of whether the inlet valve is tight. In order to estimate the leakage of inlet valve accurately and ensure the safe running of CAES power plant, through comparative analysis on the inlet valve tightness test method of steam turbine and gas turbine in thermal power and nuclear power, in combination with the structural dynamic characteristics of expander and its operation features, this paper puts forward the inlet valve leak test method of expander and its judgment basis, and compares the idling time data of different time periods to obtain the variation of CAES inlet valve leak test. The method introduces the expander speed as the judgment basis and quantifies the acceptable index of leak test, which makes the test more objective and operable, and ensures the safe and stable operation of expander.

compressed air energy storage; turbine expander; inlet valve leak test; steam turbine; gas turbine

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFB0903600)

Project supported by National Key Research and Development Program of China(2017YFB0903600)

TK 02

A

2096-2185(2017)06-0026-05

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.06.005

文賢馗

文賢馗(1972—)，男，教授級高級工程師，主要研究方向為新能源發(fā)電、網(wǎng)源協(xié)調(diào)；

張世海(1983—)，男，高級工程師，主要研究方向為發(fā)電廠設備調(diào)試、故障診斷等工作；

盛 勇(1984—)，男，工程師，從事物理儲能系統(tǒng)控制研究和試驗研發(fā)；

白 陽(1988—)，男，工程師，主要從事物理儲能系統(tǒng)儀控研究。

2017-10-20

(編輯 蔣毅恒)