汽輪機調節閥中蒸汽流量的計算

　　獲得汽輪機各調節閥中主蒸汽流量是進(jìn)行汽輪機變工況分析的關(guān)鍵。在準確表征主蒸汽流量的基礎上，結合流量與噴嘴出口壓力呈橢圓關(guān)系這一規律，建立了汽輪機各調節閥中蒸汽流量計算模型，實(shí)現了汽輪機調節閥中蒸汽流量的計算。以一臺300MW汽輪機為例，驗證了該方法的有效性。

　　汽輪機主蒸汽流量的計算是汽輪機變工況分析中的重要環(huán)節，計算方法有多種，比較典型有使用汽輪機調節級參數、主凝結水流量、汽輪機級間參數等，在此基礎上，再輔以必要的修正或采用現代數學(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(guò)汽輪機總的主蒸汽流量，對于有些場(chǎng)合，比如要分析具體每個(gè)調節閥的特性，僅確定總蒸汽流量是不夠的，還需要得到通過(guò)汽輪機每個(gè)調節閥的蒸汽流量。

　　大型汽輪機一般有單閥和順序閥兩種配汽方式，如果各調節閥及其相對應的噴嘴組完全相同，在不考慮汽門(mén)布置、閥門(mén)內不均勻流場(chǎng)等因素影響的情況下，單閥配汽時(shí)，通過(guò)汽輪機各調節閥的流量是相同的，總的蒸汽流量平均分配到各個(gè)調節閥。

　　順序閥配汽時(shí)，由于各調節閥的開(kāi)度不同，通過(guò)各調節閥的蒸汽流量也就不完全相同，總蒸汽流量在各調節閥中的分配要比單閥方式復雜得多。多數情況下，在負荷變化時(shí)，順序閥配汽的汽輪機只有一個(gè)調節閥的開(kāi)度處于不斷變化狀態(tài)，其他調節閥基本全開(kāi)。調節閥開(kāi)度變化時(shí)，通過(guò)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 )影響到汽輪機調節級后的蒸汽壓力，從而使得通過(guò)處于全開(kāi)狀態(tài)調節閥的蒸汽流量也發(fā)生變化，這給確定順序閥配汽方式下通過(guò)各調節閥的蒸汽流量帶來(lái)一定困難。尋求一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、又有一定精度的計算方法顯得很有必要。

1、汽輪機主蒸汽流量的計算方法

　　使用主蒸汽流量G與調節級壓力pe成正比、與主蒸汽壓力成反比來(lái)計算主蒸汽流量，如果保持主蒸汽壓力不變，上述方法即可表示為：

　　汽輪機主蒸汽流量可用相對值表征，其比較的標準所要求的機組狀態(tài)就是額定負荷、所有調節閥全開(kāi)，因此式(1)中下角標“0”用來(lái)表示上述狀態(tài)下的各參數的值，下角標e表示該參數為調節級級后參數，下同。

　　很明顯，式(1)忽略了調節級溫度Te變化對主蒸汽流量的影響，實(shí)際應用中會(huì )產(chǎn)生較大誤差，一般采用下式：

　　式(2)考慮到了調節級溫度變化對流量的影響，對式(1)作了一定程度的改進(jìn)。

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

　　調節級無(wú)疑屬于汽輪機高壓級段，使用式(2)計算配汽函數中的主蒸汽流量時(shí)也會(huì )產(chǎn)生上述偏差，為了提高計算精度，使用p與υ代替T，進(jìn)一步改進(jìn)式(2)得到：

　　使用式(3)對汽輪機實(shí)際的主蒸汽流量進(jìn)行了對比計算，結論是：在滑壓工況下，式(3)計算誤差小于0.5%，在定壓工況下，由于噴嘴配汽時(shí)調節級存在部分進(jìn)汽度，計算結果誤差可超過(guò)1%，但精度比式(2)有較大幅度提高。

2、級的變工況計算方法

　　在認可漸縮噴嘴的出口壓力與流量呈橢圓關(guān)系的基礎上，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表示級前壓力;p2表示級后壓力;T0表示級前溫度;εnc表示級的臨界壓比;右下角多加一角標“1”均表示變工況參數，下同。

　　式(4)用于只有一個(gè)級構成的級組的變工況計算時(shí)，其誤差也僅有0.7%，精度很高。級的壓比εn=p2/p1，對式(4)稍作變形可得：

　　很顯然，如果知道級的臨界壓比，在已確定標準工況的情況下就可以對確定變工況通過(guò)級的蒸汽流量。級的臨界壓比可以通過(guò)設計數據或試驗的方式獲得。

3、各調節閥蒸汽流量計算

　　大型汽輪機多數采用噴嘴配汽，每個(gè)調節閥對應一個(gè)調節級噴嘴組，通過(guò)調節閥與相應調節級噴嘴組的蒸汽流量相同，因此可通過(guò)計算調節級噴嘴組的蒸汽流量得到調節閥的蒸汽流量。

　　通過(guò)調節級的總蒸汽流量Ga由兩部分組成：一是通過(guò)全開(kāi)調節閥的蒸汽流量Gb，二是通過(guò)半開(kāi)狀態(tài)調節閥的蒸汽流量Gc，有：

　　如前所述，Gc的變化會(huì )對Gb產(chǎn)生影響。將處于全開(kāi)狀態(tài)的調節閥后的調節級為研究對象，在半開(kāi)狀態(tài)調節閥開(kāi)度改變時(shí)，式(5)可用于計算通過(guò)全開(kāi)狀態(tài)的調節閥后調節級的蒸汽流量變化。

　　因此，通過(guò)調節級各噴嘴組的蒸汽流量可采用以下步驟計算：(1)在由式(2)或式(3)計算得到Ga;(2)由式(5)計算得到Gb;(3)由式(6)計算得到Gc;(4)按通過(guò)流量與噴嘴組的通流面積成正比將Gb分配到各全開(kāi)調節閥。

4、應用實(shí)例

　　某汽輪機為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，型號為N300-17/537/537。該汽輪機共有6只調節閥，采用噴嘴配汽，每只調節閥所對應的噴嘴數均相同。經(jīng)計算，確定調節級的臨界壓比為0.512。順序閥方式運行時(shí)，各調節閥(圖1中簡(jiǎn)稱(chēng)“GV”，下同)的開(kāi)度與流量指令的關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 順序閥方式下調節閥開(kāi)度

　　試驗確認，該汽輪機額定負荷、各調節閥全開(kāi)時(shí)，主蒸汽壓力為15.2MPa，主蒸汽溫度為536℃，調節級后壓力為12.2MPa，調節級后溫度為486℃。以上面工況為標準工況，主蒸汽流量記為100%，通過(guò)上述方法計算可得順序閥方式運行時(shí)，不同調節閥開(kāi)度下，通過(guò)各調節閥的蒸汽流量見(jiàn)圖2。

圖2 順序閥方式下調節閥蒸汽流量變化

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

　　在每個(gè)工況下，如果以當時(shí)汽輪機總主蒸汽流量為比較基準，記為100%，則通過(guò)各調節閥的蒸汽流量相對值見(jiàn)圖3，以相對值表示的調節級流量可方便地應用于調節級后蒸汽混合焓計算等情況。

圖3 順序閥方式下調節閥蒸汽流量相對值

5、結語(yǔ)

　　使用調節級后壓力計算汽輪機主蒸汽流量時(shí)，要同時(shí)考慮調節級后溫度的變化，如果使用汽輪機排汽壓力與質(zhì)量體積替代溫度，則可以提高計算的精度。以全開(kāi)調節閥后和各噴嘴組為研究對象，級的變工況計算公式可以應用于調節級的變工況計算，通過(guò)半開(kāi)狀態(tài)調節閥的蒸汽流量也可以隨之確定。實(shí)例計算結果表明：順序閥方式下，當汽輪機一只調節閥逐漸關(guān)小時(shí)，通過(guò)其他全開(kāi)調節閥的絕對蒸汽流量逐漸增加，達到臨界狀態(tài)后，通過(guò)的絕對蒸汽流量不再變化。從圖3看，上述過(guò)程中，通過(guò)全開(kāi)調節閥的相對蒸汽流量基本呈線(xiàn)性增加的。

　　需要指出的是，本文提供的這種汽輪機主蒸汽流量在各調節閥中的分配計算方法是基于主蒸汽流量等于通過(guò)調節級的蒸汽流量這一前提的，這會(huì )增加計算誤差，在計算時(shí)不考慮各調節閥之間存在重疊度的情況。因此，這種計算方法適合應用于對計算精度要求不十分嚴格情況，尤其適合按相對值進(jìn)行計算的場(chǎng)合。