汽輪機調節(jié)閥中蒸汽流量的計算

　　獲得汽輪機各調節(jié)閥中主蒸汽流量是進行汽輪機變工況分析的關鍵。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系這一規(guī)律，建立了汽輪機各調節(jié)閥中蒸汽流量計算模型，實現(xiàn)了汽輪機調節(jié)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(jié)，計算方法有多種，比較典型有使用汽輪機調節(jié)級參數(shù)、主凝結水流量、汽輪機級間參數(shù)等，在此基礎上，再輔以必要的修正或采用現(xiàn)代數(shù)學手段處理，即可得到較為精確的主蒸汽流量。該流量是通過汽輪機總的主蒸汽流量，對于有些場合，比如要分析具體每個調節(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每個調節(jié)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(jié)閥及其相對應的噴嘴組完全相同，在不考慮汽門布置、閥門內不均勻流場等因素影響的情況下，單閥配汽時，通過汽輪機各調節(jié)閥的流量是相同的，總的蒸汽流量平均分配到各個調節(jié)閥。

　　順序閥配汽時，由于各調節(jié)閥的開度不同，通過各調節(jié)閥的蒸汽流量也就不完全相同，總蒸汽流量在各調節(jié)閥中的分配要比單閥方式復雜得多。多數(shù)情況下，在負荷變化時，順序閥配汽的汽輪機只有一個調節(jié)閥的開度處于不斷變化狀態(tài)，其他調節(jié)閥基本全開。調節(jié)閥開度變化時，通過它的蒸汽流量必然會發(fā)生變化，總的蒸汽流量也就發(fā)生變化，這會影響到汽輪機調節(jié)級后的蒸汽壓力，從而使得通過處于全開狀態(tài)調節(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節(jié)閥的蒸汽流量帶來一定困難。尋求一種簡單、實用、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(jié)級壓力pe成正比、與主蒸汽壓力成反比來計算主蒸汽流量，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(jié)閥全開，因此式(1)中下角標“0”用來表示上述狀態(tài)下的各參數(shù)的值，下角標e表示該參數(shù)為調節(jié)級級后參數(shù)，下同。

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

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

　　經(jīng)過比較計算指出：由于弗留格爾公式推導時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，會產(chǎn)生較大偏差，低負荷時最高偏差接近5%，使用壓力p與質量體積v來代替溫度T可大幅降低該偏差。

　　調節(jié)級無疑屬于汽輪機高壓級段，使用式(2)計算配汽函數(shù)中的主蒸汽流量時也會產(chǎn)生上述偏差，為了提高計算精度，使用p與υ代替T，進一步改進式(2)得到：

　　使用式(3)對汽輪機實際的主蒸汽流量進行了對比計算，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，由于噴嘴配汽時調節(jié)級存在部分進汽度，計算結果誤差可超過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系的基礎上，忽略蒸汽質量體積與反動度變化的影響，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(shù)，下同。

　　式(4)用于只有一個級構成的級組的變工況計算時，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級的蒸汽流量。級的臨界壓比可以通過設計數(shù)據(jù)或試驗的方式獲得。

3、各調節(jié)閥蒸汽流量計算

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

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

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

　　因此，通過調節(jié)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)按通過流量與噴嘴組的通流面積成正比將Gb分配到各全開調節(jié)閥。

4、應用實例

　　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(jié)閥，采用噴嘴配汽，每只調節(jié)閥所對應的噴嘴數(shù)均相同。經(jīng)計算，確定調節(jié)級的臨界壓比為0.512。順序閥方式運行時，各調節(jié)閥(圖1中簡稱“GV”，下同)的開度與流量指令的關系見圖1。

圖1 順序閥方式下調節(jié)閥開度

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

圖2 順序閥方式下調節(jié)閥蒸汽流量變化

　　在順序閥方式下，調節(jié)閥GV2首先從全開狀態(tài)逐漸關小，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)的調節(jié)閥的蒸汽流量沿AB線逐漸增加，到B點時，GV2全關，GV1開始關小，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)的調節(jié)閥的蒸汽流量沿BC線逐漸增加，到C點時GV1全關，GV4開始關小，以下過程與上述類似。在GV5關小過程中，GV3、GV6已達到臨界狀態(tài)，主蒸汽壓力不變時，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。

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

圖3 順序閥方式下調節(jié)閥蒸汽流量相對值

5、結語

　　使用調節(jié)級后壓力計算汽輪機主蒸汽流量時，要同時考慮調節(jié)級后溫度的變化，如果使用汽輪機排汽壓力與質量體積替代溫度，則可以提高計算的精度。以全開調節(jié)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(jié)級的變工況計算，通過半開狀態(tài)調節(jié)閥的蒸汽流量也可以隨之確定。實例計算結果表明：順序閥方式下，當汽輪機一只調節(jié)閥逐漸關小時，通過其他全開調節(jié)閥的絕對蒸汽流量逐漸增加，達到臨界狀態(tài)后，通過的絕對蒸汽流量不再變化。從圖3看，上述過程中，通過全開調節(jié)閥的相對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主蒸汽流量在各調節(jié)閥中的分配計算方法是基于主蒸汽流量等于通過調節(jié)級的蒸汽流量這一前提的，這會增加計算誤差，在計算時不考慮各調節(jié)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行計算的場合。