供熱機(jī)組甩負(fù)荷下連通管蝶閥動作方式的研究

劉網(wǎng)扣， 蔣 俊， 范雪飛， 尹玉蘭

(1. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240; 2. 淮滬煤電有限公司， 安徽淮南 232001)

隨著節(jié)能減排的深入開展和對北方地區(qū)小鍋爐、散煤供暖的治理，越來越多的火電機(jī)組被改造為供熱機(jī)組。在役凝汽式汽輪機(jī)的供熱改造大多采用在中低壓連通管上設(shè)置蝶閥、打孔抽汽的方式，即從中低壓連通管中部引出1根抽汽管道，在連通管上加裝蝶閥，即連通管蝶閥，在供熱抽汽管道上加裝安全閥、抽汽逆止閥、快關(guān)閥、電動閘閥等[1-2]。該改造具有簡單易行、機(jī)組運(yùn)行靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。

連通管蝶閥在甩負(fù)荷工況下的動作方式對機(jī)組安全性極為重要，筆者對甩負(fù)荷工況下連通管蝶閥不同動作方式的超速特性、蒸汽壓力溫度變化進(jìn)行研究，為甩負(fù)荷工況下連通管蝶閥的動作設(shè)置提供理論和計(jì)算依據(jù)。

1 連通管蝶閥動作方式

連通管蝶閥的典型設(shè)置見圖1，連通管蝶閥除了參與供熱工況的調(diào)節(jié)，對汽輪機(jī)的安全運(yùn)行也至關(guān)重要。目前，在機(jī)組甩負(fù)荷工況下連通管蝶閥存在3種動作方式：(1)連通管蝶閥開；(2)連通管蝶閥關(guān)；(3)連通管蝶閥保位。這3種方式各有利弊，在機(jī)組遇到故障甩負(fù)荷時，連通管蝶閥的正確動作可以起到防止汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速過高、防止中壓缸超溫超壓、保證低壓缸最小流量等作用[3-4]。

圖1 供熱機(jī)組閥門設(shè)置示意圖

從各個制造廠典型供熱機(jī)組的連通管蝶閥動作邏輯來看，在汽輪機(jī)甩負(fù)荷時，應(yīng)視情況開關(guān)連通管蝶閥。若汽輪機(jī)有超速危險，則連通管蝶閥應(yīng)選擇關(guān)閉一段時間，保證汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速不會飛升；若汽輪機(jī)中壓缸有超溫、超壓的危險，則應(yīng)保持連通管蝶閥全開或一定的開度，避免因中壓缸超溫、超壓引起的強(qiáng)度破壞、振動脹差超限等危害。

國內(nèi)多臺供熱機(jī)組出現(xiàn)由于連通管蝶閥邏輯設(shè)置不合理或連通管蝶閥故障造成的事故。某300 MW抽汽供熱機(jī)組首次沖轉(zhuǎn)成功直至并網(wǎng)帶初始負(fù)荷(8 MW)，升負(fù)荷過程中發(fā)生發(fā)電機(jī)解列。解列前負(fù)荷為8.3 MW,主蒸汽壓力為5.75 MPa,連通管蝶閥全開。解列后,連通管蝶閥變?yōu)槿P(guān),120 s后連通管蝶閥開啟,隨著連通管蝶閥開啟，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升至3 100 r/min,超速信號動作,連通管蝶閥又隨調(diào)節(jié)閥一起關(guān)閉,120 s后重復(fù)上述過程,運(yùn)行人員手動打閘。打閘后檢查機(jī)組,發(fā)現(xiàn)中壓缸排汽口金屬溫度急劇上升至476 ℃,五抽蒸汽壓力偏高,五抽蒸汽管道保溫層輕微爆破,由于及時打閘停機(jī), 才未造成更大危害[5]。

對機(jī)組安全運(yùn)行來說，連通管蝶閥3種動作方式的選擇至關(guān)重要。因此，筆者對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速與連通管蝶閥動作的關(guān)系進(jìn)行了分析；并以某300 MW超臨界供熱機(jī)組為例進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算，從理論計(jì)算的角度研究了甩負(fù)荷工況下連通管蝶閥的動作方式對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、蒸汽壓力的影響，為供熱機(jī)組在甩負(fù)荷下連通管蝶閥動作方式的設(shè)定提供參考[6]。

2 甩負(fù)荷工況下汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速與連通管蝶閥動作方式的關(guān)系

對汽輪機(jī)超速的理論計(jì)算和預(yù)測方法，主要有能量法、靜態(tài)計(jì)算法、動態(tài)計(jì)算法等。能量法按照ASME規(guī)范，從能量的角度出發(fā)，對汽輪發(fā)電機(jī)組在甩負(fù)荷時可能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速進(jìn)行估算[7]。該方法主要用于校核汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)，從源頭上防止汽輪機(jī)過量超速。利用靜態(tài)計(jì)算法[8]，可以將汽輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷后的汽輪機(jī)最大飛升差(最大轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之差)分解為靜差和超調(diào)量兩部分進(jìn)行計(jì)算。動態(tài)計(jì)算法采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié)閥關(guān)閉過程曲線、轉(zhuǎn)速飛升曲線等[9]，較為準(zhǔn)確地計(jì)算出轉(zhuǎn)子飛升時間常數(shù)、蒸汽容積時間常數(shù)等參數(shù)，對汽輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷后的最大飛升轉(zhuǎn)速進(jìn)行估算。

筆者提出了一種基于時間步進(jìn)法計(jì)算汽輪機(jī)超速的方法(簡稱算法1)，其思路為：當(dāng)汽輪機(jī)甩負(fù)荷時，隨著高、中壓調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉，進(jìn)入汽輪機(jī)高、中、低壓缸的蒸汽流量逐漸減小并最終趨于零，各導(dǎo)汽管腔室內(nèi)蒸汽的壓力、溫度、比體積等熱力參數(shù)隨進(jìn)、出流量的不平衡而變化，比體積增加、壓力下降導(dǎo)致流經(jīng)高、中、低壓缸的蒸汽流量逐漸減少、做功能力下降。當(dāng)汽輪機(jī)的功率衰減至機(jī)組的摩擦損耗功率時，將達(dá)到汽輪機(jī)最大轉(zhuǎn)速。

能量法、靜態(tài)計(jì)算法和動態(tài)計(jì)算法雖然能在理論上預(yù)測汽輪機(jī)在額定負(fù)荷工況下發(fā)生發(fā)電機(jī)解列時，汽輪機(jī)可能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速，但是都無法反映出供熱機(jī)組中低壓連通管蝶閥的開關(guān)對汽輪機(jī)超速的影響。而算法1從蒸汽流量隨著連通管蝶閥開關(guān)變化著手，采用時間步進(jìn)法來數(shù)值模擬供熱機(jī)組甩負(fù)荷后，汽輪機(jī)功率逐漸下降直至與機(jī)組的摩擦損耗功率相平衡的過程，這個過程中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速將達(dá)到最大值后逐漸下降[10]。

2.1 連通管蝶閥及抽汽管閥門的流量計(jì)算

通過連通管蝶閥的質(zhì)量流量qm為：

(1)

式中：β為彭臺門系數(shù)；C為常數(shù)；μ為流量系數(shù)，可通過試驗(yàn)獲得；F為閥通流面積，m2；p0為連通管蝶閥門進(jìn)口滯止壓力，MPa；g為重力加速度，取9.81 m/s2；V0為蝶閥進(jìn)口滯止比體積，m3/kg。

與高、中壓調(diào)節(jié)閥的處理方式相似，假設(shè)連通管蝶閥的閥板開度與閥門關(guān)閉(開啟)時間成線性對應(yīng)關(guān)系，則可將流量系數(shù)與開度的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換成與時間的關(guān)系，并采用多項(xiàng)式擬合的方法，得到下列關(guān)系式：

(2)

式中：ck為擬合系數(shù)；m為多項(xiàng)式不同擬合階次；t為時間。

2.2 流經(jīng)各缸的流量計(jì)算

采用弗留格爾公式，對閥門關(guān)閉過程中流經(jīng)高、中、低壓缸的蒸汽流量進(jìn)行修正計(jì)算：

(3)

式中：qm(t1)、qm(t2)分別為t1、t2時刻的質(zhì)量流量，kg/s;p0(t1)、p0(t2)分別為t1、t2時刻的進(jìn)口壓力，MPa；pZ(t1)、pZ(t2)分別為t1、t2時刻的出口壓力，MPa；T0(t1)、T0(t2)分別為t1、t2時刻的溫度，K。

2.3 軸功率的計(jì)算

軸功率的計(jì)算公式為：

(4)

式中：P為軸功率，kW；i為1、2、3時分別表示高、中、低壓缸；qmi為各缸的蒸汽質(zhì)量流量，kg/s；h1i為各缸的進(jìn)汽焓，kJ/kg；h2ti為各缸的理想排汽焓，kJ/kg；ηi為各缸的相對內(nèi)效率，%。

2.4 汽輪機(jī)超速計(jì)算

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡方程式為：

(5)

式中：J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，t·m2；ω為轉(zhuǎn)子的角速度，s-1；Pf為摩擦損耗功率，kW；Pe為負(fù)載功率，kW。

由于汽輪機(jī)故障停機(jī)時，Pe近似為零，轉(zhuǎn)子動能的增量等于軸功率，故在汽輪機(jī)故障停機(jī)時對式(5)積分后得到：

(6)

式中：ωt1、ωt2分別為t1、t2時刻轉(zhuǎn)子的角速度，s-1。

對式(6)求解可得：

(7)

(8)

式中：nt2為t2時刻汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

2.5 步進(jìn)時間的設(shè)置

根據(jù)高、中、低壓導(dǎo)汽管內(nèi)的蒸汽存量和流量(對應(yīng)額定工況)，可以設(shè)定一個蒸汽量變化的百分比(如1%或0.5%，可根據(jù)計(jì)算精度的要求設(shè)定)，計(jì)算對應(yīng)這個百分比的時間tD，在tD內(nèi)，蒸汽流量與時間的乘積和導(dǎo)汽管內(nèi)原有蒸汽存量之比能達(dá)到計(jì)算精度要求的百分比。

3 計(jì)算實(shí)例

以某電廠300 MW供熱機(jī)組為例進(jìn)行了計(jì)算，分別就連通管蝶閥全開、保位和全關(guān)這3種情況進(jìn)行了計(jì)算，并與機(jī)組實(shí)際甩負(fù)荷工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。該機(jī)組額定功率為305 000 kW，機(jī)組摩擦損耗功率為1 346 kW,機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，在甩負(fù)荷時實(shí)際采用連通管蝶閥快速關(guān)閉的保護(hù)邏輯，額定工況下汽輪機(jī)超速計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 300 MW供熱機(jī)組汽輪機(jī)超速計(jì)算參數(shù)

根據(jù)已知參數(shù)和變量，采用算法1對連通管蝶閥在機(jī)組停機(jī)甩負(fù)荷后可能采取的動作方式,即全開、全關(guān)、保位，分別進(jìn)行了超速的計(jì)算模擬，結(jié)果見表2。

表2 超速計(jì)算結(jié)果

從表2可以看出：連通管蝶閥全開時的最大轉(zhuǎn)速最大，連通管蝶閥保位時的最大轉(zhuǎn)速次之，連通管蝶閥全關(guān)的最大轉(zhuǎn)速最小。連通管蝶閥全開和全關(guān)，最大轉(zhuǎn)速之差只有24 r/min左右，不到額定轉(zhuǎn)速的1%。機(jī)組在實(shí)際甩負(fù)荷、連通管蝶閥全關(guān)的工況下，轉(zhuǎn)速在2.139 s時飛升至3 119 r/min，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果較為接近，轉(zhuǎn)速相對誤差約為0.35%，機(jī)組的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了計(jì)算的正確性。

圖2為這3種方式下，機(jī)組甩負(fù)荷時汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的升速曲線。0～0.3 s，在額定功率下，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速以勻加速的方式上升，3種方式轉(zhuǎn)速上升的規(guī)律一致。0.3 s后，高、中壓調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，隨著流入高、中壓缸的蒸汽量減少，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升的趨勢出現(xiàn)分化，連通管蝶閥全開時汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升最快，連通管蝶閥全關(guān)時汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升最慢，達(dá)到最大轉(zhuǎn)速的時間也不一致。連通管蝶閥全關(guān)時達(dá)到最大轉(zhuǎn)速的時間最長，為2.5 s，保位時達(dá)到最大轉(zhuǎn)速的時間最短，為2 s。

圖2 3種方式下機(jī)組甩負(fù)荷時汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的升速曲線對比

高、中、低壓缸的進(jìn)汽壓力也隨著高、中壓調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉和流入的蒸汽量減少而下降，其中高壓缸的進(jìn)汽壓力下降最快。以連通管蝶閥保位的方式為例，機(jī)組蒸汽壓力曲線見圖3。從圖3可以看出：高壓缸進(jìn)汽壓力迅速衰減至排汽壓力。相比較而言，低壓缸進(jìn)汽壓力的下降速率最為緩慢。

圖3 連通管蝶閥保位方式下蒸汽壓力曲線

圖4為連通管蝶閥全關(guān)的方式下，蒸汽壓力的變化曲線。從圖4可以看出：高、中壓缸的進(jìn)汽壓力隨時間的變化趨勢與圖3基本一致，而中壓缸排汽壓力和低壓缸進(jìn)汽壓力的變化趨勢則出現(xiàn)了不同。由于連通管蝶閥全關(guān)，中壓缸排汽壓力在0.4～0.8 s出現(xiàn)了升高現(xiàn)象，約0.8 s時中壓排汽壓力達(dá)到峰值(1.6 MPa)，相比連通管蝶閥全關(guān)之前壓力升高0.8 MPa。但連通管蝶閥全關(guān)時仍有很小的泄漏量，當(dāng)蒸汽不斷地泄漏至低壓缸后，由于高、中壓調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉，流入中壓缸的流量減少，中壓缸的排汽壓力將由升轉(zhuǎn)降。低壓缸的進(jìn)汽壓力在連通管蝶閥的關(guān)閉過程中下降較快，約在0.6 s內(nèi)低壓缸進(jìn)汽壓力快速下降至零。而采用連通管蝶閥保位方式，低壓缸進(jìn)汽壓力在2 s后才接近零。

圖4 連通管蝶閥全關(guān)方式下蒸汽壓力曲線

對比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)：高、中壓缸是相對獨(dú)立的部分，連通管蝶閥無論全開或全關(guān)，都不會對其造成影響，而高壓缸的功率往往要占到整個機(jī)組功率的三分之一。因此，連通管蝶閥全開或全關(guān)，只能造成局部的影響。短時間內(nèi)連通管蝶閥選擇全關(guān)對抑制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升的效果更好，但即使該閥門選擇全開，也僅在剛開啟的一段時間內(nèi)流量略有增加。所以，連通管蝶閥選擇全開還是全關(guān)，對供熱機(jī)組甩負(fù)荷有可能引起的汽輪機(jī)超速不會造成太大的影響。

連通管蝶閥選擇全開或全關(guān)要考慮中壓缸排汽壓力上升的影響，連通管蝶閥的快速關(guān)閉可能會造成中壓缸排汽壓力短時間內(nèi)上升，中壓缸排汽壓力上升過高會對中壓缸造成一定的影響。因此，如果連通管蝶閥快速關(guān)閉后中壓缸排汽壓力上升過高，還需要快速打開連通管蝶閥進(jìn)一步釋放中壓缸壓力。

4 結(jié)語

研究討論了供熱機(jī)組甩負(fù)荷時為保障機(jī)組的安全，中低壓連通管蝶閥的設(shè)定。對連通管蝶閥的不同動作方式而言，汽輪機(jī)超速后轉(zhuǎn)速飛升很快，連通管蝶閥的動作方式選擇不合適很容易造成超速事故。通過上述計(jì)算、分析、對比，可得出如下結(jié)論：

(1) 所采用的計(jì)算模擬方法，與能量法、靜態(tài)計(jì)算法、動態(tài)計(jì)算法相比，更接近實(shí)際機(jī)組的運(yùn)行工況，能得到較全面的過程量信息。

(2) 根據(jù)計(jì)算模擬結(jié)果，連通管蝶閥在機(jī)組甩負(fù)荷后，連通管蝶閥選擇全開、全關(guān)或者保位，3種情況下汽輪機(jī)最大轉(zhuǎn)速之差不到額定轉(zhuǎn)速的1%。連通管蝶閥選擇全開或全關(guān)，除考慮轉(zhuǎn)速的上升速率外，應(yīng)同時關(guān)注中壓缸排汽壓力的變化，避免中壓缸排汽壓力超限帶來風(fēng)險，閥門的動作方式可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。

(3) 機(jī)組出現(xiàn)甩負(fù)荷工況時，采用合理的保護(hù)措施和閥門動作方式，一般不會出現(xiàn)汽輪機(jī)超速或中壓缸排汽超溫、超壓的現(xiàn)象。