汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥中蒸汽流量的計(jì)算

　　獲得汽輪機(jī)各調(diào)節(jié)閥中主蒸汽流量是進(jìn)行汽輪機(jī)變工況分析的關(guān)鍵。在準(zhǔn)確表征主蒸汽流量的基礎(chǔ)上，結(jié)合流量與噴嘴出口壓力呈橢圓關(guān)系這一規(guī)律，建立了汽輪機(jī)各調(diào)節(jié)閥中蒸汽流量計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥中蒸汽流量的計(jì)算。以一臺(tái)300MW汽輪機(jī)為例，驗(yàn)證了該方法的有效性。

　　汽輪機(jī)主蒸汽流量的計(jì)算是汽輪機(jī)變工況分析中的重要環(huán)節(jié)，計(jì)算方法有多種，比較典型有使用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)參數(shù)、主凝結(jié)水流量、汽輪機(jī)級(jí)間參數(shù)等，在此基礎(chǔ)上，再輔以必要的修正或采用現(xiàn)代數(shù)學(xué)手段處理，即可得到較為精確的主蒸汽流量。該流量是通過汽輪機(jī)總的主蒸汽流量，對(duì)于有些場合，比如要分析具體每個(gè)調(diào)節(jié)閥的特性，僅確定總蒸汽流量是不夠的，還需要得到通過汽輪機(jī)每個(gè)調(diào)節(jié)閥的蒸汽流量。

　　大型汽輪機(jī)一般有單閥和順序閥兩種配汽方式，如果各調(diào)節(jié)閥及其相對(duì)應(yīng)的噴嘴組完全相同，在不考慮汽門布置、閥門內(nèi)不均勻流場等因素影響的情況下，單閥配汽時(shí)，通過汽輪機(jī)各調(diào)節(jié)閥的流量是相同的，總的蒸汽流量平均分配到各個(gè)調(diào)節(jié)閥。

　　順序閥配汽時(shí)，由于各調(diào)節(jié)閥的開度不同，通過各調(diào)節(jié)閥的蒸汽流量也就不完全相同，總蒸汽流量在各調(diào)節(jié)閥中的分配要比單閥方式復(fù)雜得多。多數(shù)情況下，在負(fù)荷變化時(shí)，順序閥配汽的汽輪機(jī)只有一個(gè)調(diào)節(jié)閥的開度處于不斷變化狀態(tài)，其他調(diào)節(jié)閥基本全開。調(diào)節(jié)閥開度變化時(shí)，通過它的蒸汽流量必然會(huì)發(fā)生變化，總的蒸汽流量也就發(fā)生變化，這會(huì)影響到汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)后的蒸汽壓力，從而使得通過處于全開狀態(tài)調(diào)節(jié)閥的蒸汽流量也發(fā)生變化，這給確定順序閥配汽方式下通過各調(diào)節(jié)閥的蒸汽流量帶來一定困難。尋求一種簡單、實(shí)用、又有一定精度的計(jì)算方法顯得很有必要。

1、汽輪機(jī)主蒸汽流量的計(jì)算方法

　　使用主蒸汽流量G與調(diào)節(jié)級(jí)壓力pe成正比、與主蒸汽壓力成反比來計(jì)算主蒸汽流量，如果保持主蒸汽壓力不變，上述方法即可表示為：

　　汽輪機(jī)主蒸汽流量可用相對(duì)值表征，其比較的標(biāo)準(zhǔn)所要求的機(jī)組狀態(tài)就是額定負(fù)荷、所有調(diào)節(jié)閥全開，因此式(1)中下角標(biāo)“0”用來表示上述狀態(tài)下的各參數(shù)的值，下角標(biāo)e表示該參數(shù)為調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)后參數(shù)，下同。

　　很明顯，式(1)忽略了調(diào)節(jié)級(jí)溫度Te變化對(duì)主蒸汽流量的影響，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生較大誤差，一般采用下式：

　　式(2)考慮到了調(diào)節(jié)級(jí)溫度變化對(duì)流量的影響，對(duì)式(1)作了一定程度的改進(jìn)。

　　經(jīng)過比較計(jì)算指出：由于弗留格爾公式推導(dǎo)時(shí)使用了理想氣體假定，該公式應(yīng)用于汽輪機(jī)的高壓級(jí)段與低壓級(jí)段時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大偏差，低負(fù)荷時(shí)最高偏差接近5%，使用壓力p與質(zhì)量體積v來代替溫度T可大幅降低該偏差。

　　調(diào)節(jié)級(jí)無疑屬于汽輪機(jī)高壓級(jí)段，使用式(2)計(jì)算配汽函數(shù)中的主蒸汽流量時(shí)也會(huì)產(chǎn)生上述偏差，為了提高計(jì)算精度，使用p與υ代替T，進(jìn)一步改進(jìn)式(2)得到：

　　使用式(3)對(duì)汽輪機(jī)實(shí)際的主蒸汽流量進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，結(jié)論是：在滑壓工況下，式(3)計(jì)算誤差小于0.5%，在定壓工況下，由于噴嘴配汽時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)存在部分進(jìn)汽度，計(jì)算結(jié)果誤差可超過1%，但精度比式(2)有較大幅度提高。

2、級(jí)的變工況計(jì)算方法

　　在認(rèn)可漸縮噴嘴的出口壓力與流量呈橢圓關(guān)系的基礎(chǔ)上，忽略蒸汽質(zhì)量體積與反動(dòng)度變化的影響，得到：

　　式(4)中：p0表示級(jí)前壓力;p2表示級(jí)后壓力;T0表示級(jí)前溫度;εnc表示級(jí)的臨界壓比;右下角多加一角標(biāo)“1”均表示變工況參數(shù)，下同。

　　式(4)用于只有一個(gè)級(jí)構(gòu)成的級(jí)組的變工況計(jì)算時(shí)，其誤差也僅有0.7%，精度很高。級(jí)的壓比εn=p2/p1，對(duì)式(4)稍作變形可得：

　　很顯然，如果知道級(jí)的臨界壓比，在已確定標(biāo)準(zhǔn)工況的情況下就可以對(duì)確定變工況通過級(jí)的蒸汽流量。級(jí)的臨界壓比可以通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或試驗(yàn)的方式獲得。

3、各調(diào)節(jié)閥蒸汽流量計(jì)算

　　大型汽輪機(jī)多數(shù)采用噴嘴配汽，每個(gè)調(diào)節(jié)閥對(duì)應(yīng)一個(gè)調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴組，通過調(diào)節(jié)閥與相應(yīng)調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴組的蒸汽流量相同，因此可通過計(jì)算調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴組的蒸汽流量得到調(diào)節(jié)閥的蒸汽流量。

　　通過調(diào)節(jié)級(jí)的總蒸汽流量Ga由兩部分組成：一是通過全開調(diào)節(jié)閥的蒸汽流量Gb，二是通過半開狀態(tài)調(diào)節(jié)閥的蒸汽流量Gc，有：

　　如前所述，Gc的變化會(huì)對(duì)Gb產(chǎn)生影響。將處于全開狀態(tài)的調(diào)節(jié)閥后的調(diào)節(jié)級(jí)為研究對(duì)象，在半開狀態(tài)調(diào)節(jié)閥開度改變時(shí)，式(5)可用于計(jì)算通過全開狀態(tài)的調(diào)節(jié)閥后調(diào)節(jié)級(jí)的蒸汽流量變化。

　　因此，通過調(diào)節(jié)級(jí)各噴嘴組的蒸汽流量可采用以下步驟計(jì)算：(1)在由式(2)或式(3)計(jì)算得到Ga;(2)由式(5)計(jì)算得到Gb;(3)由式(6)計(jì)算得到Gc;(4)按通過流量與噴嘴組的通流面積成正比將Gb分配到各全開調(diào)節(jié)閥。

4、應(yīng)用實(shí)例

　　某汽輪機(jī)為300MW、亞臨界、中間再熱、高中壓合缸、雙缸雙排汽、單軸、凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為N300-17/537/537。該汽輪機(jī)共有6只調(diào)節(jié)閥，采用噴嘴配汽，每只調(diào)節(jié)閥所對(duì)應(yīng)的噴嘴數(shù)均相同。經(jīng)計(jì)算，確定調(diào)節(jié)級(jí)的臨界壓比為0.512。順序閥方式運(yùn)行時(shí)，各調(diào)節(jié)閥(圖1中簡稱“GV”，下同)的開度與流量指令的關(guān)系見圖1。

圖1 順序閥方式下調(diào)節(jié)閥開度

　　試驗(yàn)確認(rèn)，該汽輪機(jī)額定負(fù)荷、各調(diào)節(jié)閥全開時(shí)，主蒸汽壓力為15.2MPa，主蒸汽溫度為536℃，調(diào)節(jié)級(jí)后壓力為12.2MPa，調(diào)節(jié)級(jí)后溫度為486℃。以上面工況為標(biāo)準(zhǔn)工況，主蒸汽流量記為100%，通過上述方法計(jì)算可得順序閥方式運(yùn)行時(shí)，不同調(diào)節(jié)閥開度下，通過各調(diào)節(jié)閥的蒸汽流量見圖2。

圖2 順序閥方式下調(diào)節(jié)閥蒸汽流量變化

　　在順序閥方式下，調(diào)節(jié)閥GV2首先從全開狀態(tài)逐漸關(guān)小，通過它的蒸汽流量沿圖2中GV2線變小，通過其他5只全開狀態(tài)的調(diào)節(jié)閥的蒸汽流量沿AB線逐漸增加，到B點(diǎn)時(shí)，GV2全關(guān)，GV1開始關(guān)小，通過它的蒸汽流量沿圖2中GV1線變小，通過其他4只全開狀態(tài)的調(diào)節(jié)閥的蒸汽流量沿BC線逐漸增加，到C點(diǎn)時(shí)GV1全關(guān)，GV4開始關(guān)小，以下過程與上述類似。在GV5關(guān)小過程中，GV3、GV6已達(dá)到臨界狀態(tài)，主蒸汽壓力不變時(shí)，通過它們的蒸汽流量也就不再發(fā)生變化，表現(xiàn)在圖2中基本是一段直線。

　　在每個(gè)工況下，如果以當(dāng)時(shí)汽輪機(jī)總主蒸汽流量為比較基準(zhǔn)，記為100%，則通過各調(diào)節(jié)閥的蒸汽流量相對(duì)值見圖3，以相對(duì)值表示的調(diào)節(jié)級(jí)流量可方便地應(yīng)用于調(diào)節(jié)級(jí)后蒸汽混合焓計(jì)算等情況。

圖3 順序閥方式下調(diào)節(jié)閥蒸汽流量相對(duì)值

5、結(jié)語

　　使用調(diào)節(jié)級(jí)后壓力計(jì)算汽輪機(jī)主蒸汽流量時(shí)，要同時(shí)考慮調(diào)節(jié)級(jí)后溫度的變化，如果使用汽輪機(jī)排汽壓力與質(zhì)量體積替代溫度，則可以提高計(jì)算的精度。以全開調(diào)節(jié)閥后和各噴嘴組為研究對(duì)象，級(jí)的變工況計(jì)算公式可以應(yīng)用于調(diào)節(jié)級(jí)的變工況計(jì)算，通過半開狀態(tài)調(diào)節(jié)閥的蒸汽流量也可以隨之確定。實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明：順序閥方式下，當(dāng)汽輪機(jī)一只調(diào)節(jié)閥逐漸關(guān)小時(shí)，通過其他全開調(diào)節(jié)閥的絕對(duì)蒸汽流量逐漸增加，達(dá)到臨界狀態(tài)后，通過的絕對(duì)蒸汽流量不再變化。從圖3看，上述過程中，通過全開調(diào)節(jié)閥的相對(duì)蒸汽流量基本呈線性增加的。

　　需要指出的是，本文提供的這種汽輪機(jī)主蒸汽流量在各調(diào)節(jié)閥中的分配計(jì)算方法是基于主蒸汽流量等于通過調(diào)節(jié)級(jí)的蒸汽流量這一前提的，這會(huì)增加計(jì)算誤差，在計(jì)算時(shí)不考慮各調(diào)節(jié)閥之間存在重疊度的情況。因此，這種計(jì)算方法適合應(yīng)用于對(duì)計(jì)算精度要求不十分嚴(yán)格情況，尤其適合按相對(duì)值進(jìn)行計(jì)算的場合。