机组汽轮机阀序优化及流量曲线整定研究与探讨.docx
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机组汽轮机阀序优化及流量曲线整定研究与探讨
1、2号机组汽轮机阀序优化及流量曲线整定
【摘要】电力有限公司2x600MW机组通过改变汽轮机阀门开启顺序,优化阀门流量曲线,以实现节能效果。
同时,改善机组对AGC和一次调频的相应能力。
【关键词】阀序、阀门流量曲线
1概述
电力有限公司2x600MW汽轮发电机组是东方汽轮机厂生产的N600-16.7/538/538型亚临界、一次中间再热、三缸四排汽、单轴、双背压凝汽式汽轮机,设有二个高压自动主汽门和四个高压调节汽门,布置在机头前的运转层下方。
汽轮机具有八级非调整抽汽,一、二、三级抽汽供三台高压加热器,四级抽汽供除氧器,给水泵驱动汽轮机和辅助蒸汽系统。
五、六、七、八级抽汽分别向5、6、7、8号低压加热器供汽,给水泵汽轮机带自动汽源切换装置,机组启动和低负荷时由再热冷段蒸汽供汽,调试汽源为辅助蒸汽母管提供。
给水系统设置两台50%BMCR容量的汽动给水泵和一台30%BMCR容量的电动调速给水泵,给水系统三台高压加热器水侧设给水大旁路,设置可快速切换的阀门。
汽轮发电机组主要性能指标如下:
型号:
N600-16.7/538/538-1
额定功率:
600MW
最大功率:
669.233MW
额定主汽压力:
16.67MPa
额定主汽温度:
538℃
再热蒸汽压力:
3.301MPa
再热蒸汽温度:
538℃
排汽压力:
5.8kPa
额定转速:
3000r/min
回热级数:
8级
给水温度:
273.8℃
保证热耗:
7803kJ/(kW.h)
汽耗率:
2.965kg/(kW.h)
汽轮机的配汽为喷嘴配汽和节流配汽的复合变压运行方式,汽轮机旋转方向为逆时针方向(从机头往发电机方向),高压调节阀布置如图1。
开启方式为CV4→CV1→CV3→CV2。
其中CV1和CV4分别对应57个喷嘴,CV2和CV3对应35个喷嘴。
2阀门运行方式和特性曲线整定原因
汽轮机在一次调频、AGC方式下,由于调门曲线参数在特定区间设置不合理,且重叠度大,导致调门摆动大,有时产生大幅震荡,不仅为电网输送的电能品质不理想,而且影响了汽机运行的经济性。
另外,为提高节约能源,减少汽机热损失,提高机组效率,要对汽机阀门开启顺序和配汽方式进行修改。
基于以上因素,需要对阀门进行特性试验,重新整定阀门特性曲线。
表1原阀序方式下阀门流量特性函数
流量指令
V1开度
V2开度
V3开度
V4开度
0
-5
-5
-5
-5
17.6
-5
-5
-5
-5
19
-2.06
-3.43
-1.82
-3.43
20
0
0
0
0
21
2.06
3.43
1.82
3.43
22
4.75
7.45
4.23
7.45
24
9.14
8.51
8.16
8.51
27
9.59
9.05
8.51
9.09
30
10.59
10.43
9.32
10.43
36
12.62
13.1
10.94
13.1
46
16.22
17.41
13.73
17.62
56
21.79
14.98
18.25
24.98
64
26.37
13.05
21.83
30.77
72
31.24
11.106
26.1
36.97
76
34.16
10.13
28.62
40.39
80
37.92
9.162
31.79
45
82
40.47
8.676
33.95
47.96
84
43.8
8.19
36.72
51.97
86
48.8401
2.73
40.8
63.06
87
55.21505
0
46.69
68.5975
88
61.59
8.05
52.58
74.14
92
87.196666667
20.69
76.29
100
94
100
27.01
88.145
103
96
102.999
33.33
100
103
97
102.999
36.54
101.25
103
98
102.999
42.86
102.5
103
100
102.999
64.52
105
103
V3
V2
V1
V4
图2原阀序方式下阀门流量特性曲线
3阀门开启顺序方式选取
如今汽轮机组为了提高效率,降低热耗,通常采用了两个高调门全开,另外两个高调门随负荷需求顺序开启。
对于全开的两个高调门有两种形式:
相邻高调门全开和对称高调门全开。
现根据我公司汽轮机喷嘴数量和布局(如第2节内容和图1所述),以及降低轴瓦温度因素的考虑,我们注重分析CV4+CV2和CV3+CV2两种全开方式对汽轮机调速级叶片组受力的影响。
3.1喷嘴配汽方式对调速级叶片组作用力情况分析
高调门开度不同,通过喷嘴的配汽也不均匀,因而调速级叶片组及轴系受力也不均衡。
机组的容量越大,不同配汽方式对调速级叶片组及轴系影响也越大。
我公司600MW汽轮机新生蒸汽通过喷嘴作用在调速级叶片上,产生径向切向力,即叶片周向力F,驱动汽轮机旋转。
调速级叶片通过每个喷嘴组产生周向力的合力Fi如下图2所示:
(阴影部分为叶片组经过的喷嘴区域)
作用力Fi=ki·Ni/ωR
其中:
Fi为通过喷嘴组叶片周向力的合力;
Ni为通过喷嘴组叶片轮周功率;
ki为分布系数;
ω为叶片旋转角速度;
R为叶片圆周半径;
周向力的合力可以分解为水平方向分力Fix和垂直方向分力Fiy,因此:
Fix=Fi·cosai
Fiy=Fi·sinai
其中:
ai为周向力Fi与x轴的夹角
所有喷嘴组对调节级叶片周向作用力的合力F分解成水平方向分力Fx和垂直方向分力Fy表示为:
Fx=∑Fix
Fy=∑Fiy
由此可见,在高调门开度不同,使得喷嘴组配汽不均衡时,在水平方向和垂直方向上的分力不能平衡相互抵消时,因而对轴系产生一定的推力,导致瓦温升高。
因而,在选择阀门开启顺序时,不但仅仅考虑汽轮机的热效率,还要特别关注汽轮机轴系所受的作用力,确保汽轮机运行安全。
3.2相邻两阀开启方式(CV4+CV2)调速级叶片组受力情况
CV4+CV2同时全开后,CV1和CV3也有一个开启顺序。
由于CV1有57个喷嘴,CV3有35个喷嘴,而我公司机组负荷一般在80%以上,且AGC运行方式,因此为了能适应负荷的快速响应,CV4+CV2同时全开后,CV3顺序开启,最后CV1用于负荷调峰。
这样高调门的开启顺序为:
CV4+CV2→CV3→CV1。
当CV4+CV2全开,而CV1、CV3没有开启时,称之为两阀点;当CV4+CV2全开,CV3全开,而CV1还未开启时,称之为三阀点。
这样CV4+CV2相邻两阀同时开启,如图2所示,调速级叶片在两阀点和三阀点处所受的作用力情况如下表2所示:
阀点
象限
ⅠⅡⅢⅣ
ⅠⅡⅢⅣ
阀编号
2431
3124
两阀点
水平力
向右
向左
垂直力
0
0
三阀点
水平力
向右
向左
垂直力
向上
向下
表2
表2中,在两阀点时轴系产生水平的推力,当两阀全开后,3号高调门开始开启,这时又产生了垂直方向的推力。
但是,随着3号高调门的开启,逐步抵消两阀点时产生的水平推力。
当3号高调门全开后,1号高调门开始开启,这时水平方向的作用力基本抵消,垂直方向的作用力也开始消弱,当1号高调门也全开时,轴系作用力合力为零。
由此可见,在机组在高负荷区,整个汽轮机轴系基本上不产生推力。
3.3对称两阀开启方式(CV2+CV3)调速级叶片组受力情况
参照3.2节中所述,采用两阀(CV2+CV3)同时对称开启方式时,同样存在CV1和CV4开启顺序的先后。
虽然CV1和CV4所对应喷嘴数量同样都是57个,但若CV4先开启,可以减轻轴系对轴瓦的重荷,降低瓦温。
因而,根据我司汽轮机的实际工况,我们着重分析CV2+CV3→CV4→CV1的阀门开启顺序对轴系作用力影响。
如下表3所示:
阀点
象限
ⅠⅡⅢⅣ
ⅠⅡⅢⅣ
阀编号
3124
4312
两阀点
水平力
0
0
垂直力
0
0
三阀点
水平力
向左
向左
垂直力
向下
向上
表3
表3中,在两阀点时轴系产生作用力合力为零,即整个轴系处于均衡状态。
当两阀全开后,4号高调门开始开启,这时在水平方向和垂直方向均产生推力。
当4号高调门全开时,轴系产生的作用力最大。
之后,随着1号高调门的开启,轴系所受的作用力开始消弱,当1号高调门也全开时,轴系作用力合力为零。
经以上分析,CV2+CV3→CV4→CV1阀序方式下,机组在中、高负荷区域,汽轮机轴系会产生推力。
通过以上所述,针对我公司机组运行工况,汽轮机阀门开启顺序及配汽方式以CV4+CV2→CV3→CV1相对更合适些。
4阀门流量特性曲线试验
4.1阀门通流量计算
通过汽轮机的蒸汽流量无法直接测量,而是通过调节级压力计算而得,其计算公式如下:
%
式中:
Q——等效实际流量
Pim——调节级压力;
Pimr——额定调节级压力;
Ptr——额定负荷时主汽压力值;
Pt——不同负荷下的试验压力。
由于需要确定单个阀门的流量特性,也可将调门后压力代替调节级压力,并做试验进行修正。
4.2关键拐点确定
由于汽机顺序阀开启方式采用了CV4+CV2→CV3→CV1,应首先确定CV4+CV2全行程阶段。
根据省湘电试验研究院有限公司徐曙撰写的《电力有限公司2号汽轮发电机组阀序优化性能试验报告》(以下简称《报告》),机组在360MW时,CV4+CV2全开,CV3全关至10%,汽轮机热耗相对较低,另外考虑阀门重叠度的因素,即:
在CV4+CV2还未全开时,下一阀门应有提前的开度(阀门重叠度另外论述)。
故第一关键拐点选取为360MW。
第二关键拐点,应是在CV4+CV2全开,CV3全开,CV1将要开启阶段。
《报告》中,机组负荷在540MW,CV4+CV2全开,CV3开度80%时,汽轮机热耗相对较低,另外考虑到阀门重叠度。
故第二关键拐点选取在540MW负荷段。
综上所述,做阀门流量特性试验时,分为三个阶段。
360MW时,做CV4+CV2的阀门流量特性曲线;540MW时,做CV3的阀门流量特性曲线;600MW时,做CV1的阀门流量特性曲线。
4.3阀门流量特性试验条件
4.3.1各大辅机运行正常,无重大切换操作;
4.3.2无排污,无吹会操作;
4.3.3各仪表参数准确;
4.3.4主汽压力保持稳定
4.3.5机组切除AGC,切除一次调频,DEH在阀门控制方式。
4.4实验步骤
4.4.1安全起见,将机组负荷带满负荷600MW,机组在DEH功率回路控制方式,切除一次调频。
4.4.2锅炉处于自动调节压力,主汽压力保持14.9MPa。
4.4.3保持主汽压力和温度,将DEH切为阀门控制方式,流量指令为100%。
4.4.4将阀门指令以1%的阶梯下降,稳定3—5分钟后,保持主汽压力稳定。
直至将负荷将至360MW左右。
4.4.5记录CV1—CV4调门后的压力,主蒸汽压力,调节级压力,机组功率,CV1—CV4调门指令和反馈;#1和#2轴瓦温度,#1、2轴振,轴向位移,高压缸胀差。
4.4.6修改流量函数以后,做流量指令上升试验。
4.4.7主汽压力保持在14.9MPa左右,流量指令77%左右。
4.4.8将阀门指令以1%的阶梯上升,稳定3—5分钟后,保持主汽压力稳定。
直至将负荷升至600MW左右。
;
4.4.9记录CV1—CV4调门后的压力,主蒸汽压力,调节级压力,机组功率,CV1—CV4调门指令和反馈;#1和#2轴瓦温度,#1、2轴振,轴向位移,高压缸胀差。
4.4.10对流量函数进行修正,然后再做一次流量指令下降试验(重复4.4.1—4.4.5项)。
验证阀门流量曲线,并作为数据校对和修正依据。
5确定调门重叠度
所谓的重叠度是指采用喷嘴调节法的汽轮机,有多个依次开启的调节汽阀来控制流量,如果下一个阀门在上一个阀门全开以后再开启,那么阀门的总升程与流量的特性线将是一个曲折较大的线,实际运行中是不允许的,因此,通常在上一个阀门尚未完全开启时下一个阀门便提前开启,这个提前开启的量,称为调节汽阀的重叠度。
阀门重叠度有两种:
行程重叠度
和压力重叠度
,其中
定义为:
其中
为后阀开始开启时的前阀行程,
为前阀全开行程。
其中
为对应于
的阀后压力,即喷嘴前压力,
为对应于
的阀后压力。
在调节汽门开启过程中,小开度、大压差时,调节汽门内为临界流动,此时通过调节汽门的流量线性地正比于调节汽门的升程。
如果汽门继续开大,虽然汽门的通流面积仍在增大,但汽门前后的压差减小,流量随升程增大的趋势变缓。
随后,即使汽门升程继续加大,但受汽门喉部尺寸限制,流量增加很小。
通常认为:
汽门前后的压力比
/
为0.95~0.98时,即认为汽门已全开。
阀门顺序开启过程中,重叠度过小,会造成阀位与流量曲线不平滑,引起调节阀门与负荷的波动。
重叠度大对机组控制的稳定性有益,但重叠度过大,阀门的节流损失增加,机组的经济性降低。
一般表示重叠度的压力降取10%至15%,即前阀开启85%~90%时,后阀开始开启。
6阀门流量曲线优化
6.1通过试验数据和理论值,制定理想的阀门流量函数(见表4、图4)。
6.2将修正后的阀门流量曲线写入控制逻辑中。
6.3优化阀门曲线切换逻辑。
6.4阀序优化前后的阀门流量曲线对比(见图5)
流量指令
V1
V2、V4
V3
17.58
-5
-5
-5
19
-2.06
-3.43
-1.82
20
0
0
0
48.17
0
23
0
58.7
0
28
0
68.42
0
39
0
73
0
46.77
0
74.9
0
50
2.85
77
0
53
6
79
0
59
9
80
0
67.75
11
83
0
100
16
84
0
100
19.89
85
0
100
23.77
88
4.44
100
35.43
88.66
6.37
100
38.00
89
7.36
100
39.48
90
10.28
100
43.84
91.09
13.46
100
48.59
94.33
22.91
100
100
96.76
30
100
100
98
38
100
100
99
45
100
100
100
100
100
100
表4理想的阀门流量函数
V2、4
V3
V1
图4理想的阀门流量函数曲线
修改阀门流量函数以前
修改阀门流量函数以后
图5阀序优化前后阀门流量函数曲线对比
7汽轮机热效率试验
为了验证汽轮机阀序优化前后节能情况,省湘电试验研究院有限公司对#1、2号机组进行了热力性能试验。
通过热力试验,#1、2汽轮机热效率有所提高,起到了节能效果。
7.1#1机组阀序优化前后热耗对比(见表5、表6)
名称
单位
600MW
540MW
480MW
420MW
360MW
优化前热耗
kJ/(kW.h)
8090.264
8182.247
8224.75
8254.497
8384.941
优化后热耗
kJ/(kW.h)
8079.56
8111.96
8121.71
8175.21
8309.19
热耗偏差
kJ/(kW.h)
10.71
70.29
103.04
79.29
75.76
表5阀序优化前后热耗比较
名称
单位
600MW
540MW
480MW
420MW
360MW
优化前高压缸效率
%
83.36
77.98
76.59
76.61
73.89
优化后高压缸效率
%
83.78
78.82
77.75
77.63
77.36
效率提高
%
0.42
0.83
1.16
1.03
3.47
表6阀序优化前后高压缸效率比较
7.2#2机组阀序优化前后热耗对比(见表7、表8)
名称
单位
600MW
540MW
480MW
420MW
优化前热耗
kJ/(kW.h)
7962.50
8028.93
8129.59
8244.59
优化后热耗
kJ/(kW.h)
7947.54
7978.95
8042.89
8144.84
热耗偏差
kJ/(kW.h)
14.96
49.98
86.70
99.75
表7阀序优化前后热耗比较
名称
单位
600MW
540MW
480MW
420MW
优化前高压缸效率
%
83.67
78.28
77.03
76.39
优化后高压缸效率
%
84.10
78.77
78.54
78.45
效率提高
%
0.43
0.49
1.51
2.06
表8阀序优化前后高压缸效率比较
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