大型汽轮机配汽相关问题的分析与优化

何翊皓，李群，童小忠，张宝

（1.浙江省能源集团有限公司，杭州310007；2.泰州职业技术学院，江苏泰州225300；3.浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

大型汽轮机配汽相关问题的分析与优化

何翊皓1，李群2，童小忠3，张宝3

（1.浙江省能源集团有限公司，杭州310007；2.泰州职业技术学院，江苏泰州225300；3.浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

汽轮机配汽方式对机组的安全性、经济性与可控性都有较大影响。对汽轮机配汽中的常见问题进行了分析与归类，从顺序阀投运试验、流量特性试验、配汽函数整定、滑压曲线优化、节流配汽优化以及混合配汽方式改造等方面阐述了解决配汽问题的方法与途径，实践证明这些措施可靠有效。

汽轮机；配汽方式；流量特性；配汽函数整定；滑压曲线优化

1 汽轮机配汽方式

大型汽轮机常见的配汽方式有3种，即节流配汽、喷嘴配汽与复合配汽。对于具有调节级的汽轮机，节流配汽一般也称为单阀配汽，即所有汽轮机调节阀均以相同开度参与蒸汽流量的调节。喷嘴配汽一般也称顺序阀配汽，即所有汽轮机调节阀以先后开启的方式参与蒸汽流量的调节。复合配汽也称混合配汽，低负荷时各汽轮机调节阀同时参与调节，当负荷升到设定的控制点时，部分调节阀关闭，随着负荷的上升，关闭的调节阀再次顺序开启，参与蒸汽流量调节。

众多机组运行实践表明，在大部分负荷范围内，由于节流损失较小，顺序阀运行方式的经济性明显优于单阀方式；而混合配汽因兼顾了单阀配汽的安全性与顺序阀配汽的经济性，更适用于带基本负荷的机组，其经济性在单阀配汽与顺序阀配汽之间。

就目前国内情况来看，采用单阀配汽的汽轮机主要有上汽-西门子生产的660 MW和1 000 MW等级的超超临界汽轮机，和北重-阿尔斯通生产的部分600 MW超临界汽轮机，其突出特点是汽轮机无调节级，部分机组设置补汽阀。上汽、哈汽生产的300 MW和600 MW汽轮机一般都带调节级，同时具有单阀与顺序阀2种配汽方式，运行时可以在线切换。东汽生产的300 MW，600 MW和1 000 MW汽轮机也带调节级，多数采用混合配汽方式。

汽轮机的配汽方式对机组运行的经济性、安全性与控制性能均有较大影响。出于提高经济性的目的，对于具有顺序阀配汽方式的汽轮机，一般要求新机组投产6个月后要投入顺序阀方式运行；对于节流配汽的汽轮机，设计要求在所有调节阀全开的方式下滑压运行；混合配汽方式的汽轮机则应尽量在额定负荷下运行。但从国内实际情况看，仍然存在无法满足上述要求的情况。

2 配汽问题的分析和优化

本文将因汽轮机配汽方式改变造成的问题和通过改变配汽方式可以解决的问题统称为汽轮机配汽问题，主要有如下几个方面：

（1）因轴承金属温度高或振动大造成的顺序阀方式无法投运[1]。

（2）配汽方式切换时负荷波动大。

（3）顺序阀运行时调节阀开度晃动大。

（4）不同配汽方式之间，机组一次调频能力与协调控制水平差别大[2-3]。

（5）因配汽问题导致电力系统低频振荡[4]。

（6）调节阀大开度时，节流配汽方式下汽轮机负荷动态响应能力差[5]。

（7）混合配汽方式下汽轮机负荷动态响应能力弱，部分负荷时运行经济性差。

导致上述问题的原因有以下几方面：因不平衡进汽而造成的汽流激振或转子中心位置偏移、配汽函数与汽轮机流量特性不符、节流配汽方式下汽轮机运行经济性与可控性之间的矛盾、配汽方式不合理，等等。这些原因均可以通过顺序阀投运试验、流量特性试验与配汽方式优化等予以消除。

2.1 顺序阀方式投运试验

汽轮机轴承金属温度、振动等主要参数不能超限是顺序阀方式投运的前提条件，但随着大型汽轮机主蒸汽参数不断提高，轴系渐显轻盈，顺序阀方式对汽轮机转子的影响逐渐显现。汽轮机调节阀开度不同时，负荷变化情况下调节级前后蒸汽流动状态发生变化，汽轮机转子尤其是高压转子受力将发生变化，导致汽轮机轴承金属温度、振动与轴向位移发生变化，剧烈时会给汽轮机的安全运行造成严重影响。通过顺序阀方式投运试验可以提前发现并消除这一问题。

顺序阀投运试验[6]主要包括阀门关闭试验、配汽方式无扰切换试验、配汽方式正常切换试验和负荷变动试验。通过阀门关闭试验，可以确定可行的顺序阀阀序：轴承金属温度高时，可以选用调节级下部喷嘴组先进汽的方式[7]；转子振动较大时，可以尝试选用调节级上部喷嘴组先进汽的方式[1]；在设备允许的情况下，可以选用调节级对角喷嘴组先进汽的方式。通过这项试验，一般可以找到合适的顺序阀阀序来满足安全运行的需要。如果这些尝试均未成功，可在重新调整汽轮机相关轴承标高及载荷后，再进行上述试验[8]。

在确定合适的阀序之后可再进行配汽方式无扰切换试验，其目的是避开单阀向顺序阀的实际切换过程，直接检验汽轮机在顺序阀方式下主要参数的实际情况，确认每个负荷点下汽轮机主要参数变化均在合理范围内。

配汽方式正常切换试验就是在密切关注的情况下进行单阀向顺序阀、顺序阀向单阀的切换，试验应选择在不同负荷点处进行，观察切换前后的机组负荷、主蒸汽压力等参数是否发生大幅度波动，如果有大幅波动，说明配汽曲线不能真实反映机组的流量特性，需要重新计算整定。

负荷变动试验的目的是观察机组的协调运行能力和顺序阀方式下阀点处调节阀的晃动情况。如果机组在不同配汽方式下协调运行能力差别明显，或者在同一配汽方式、不同负荷段的协调运行能力差别明显，说明配汽曲线需要进行调整；如果阀点处调节阀有晃动现象，说明调节阀重叠度设置不合理，同样需要对配汽曲线进行调整。配汽曲线调整需要在流量特性试验的基础上进行。

2.2 流量特性试验

汽轮机的流量特性是指调节阀开度与汽轮机流量的关系。对于运行中的汽轮机，常通过现场测试的方法来得到其流量特性，这一测试被称为流量特性试验。测试汽轮机流量特性的目的是进行汽轮机配汽函数整定，不同配汽函数组成方式下的流量特性试验过程基本一致，仅数据处理方面稍有不同。

2.3 配汽函数整定

汽轮机的配汽曲线一般是指流量指令与调节阀开度指令之间的关系曲线，它是由配汽函数形成的。汽轮机的配汽函数理论上是其流量特性的数值表征，两者一致时，汽轮机将表现出良好的控制性能，否则就会出现诸多问题。根据汽轮机的流量特性可以计算配汽函数，这一过程通常称之为配汽函数整定。

目前，国内汽轮机控制系统中，常用的配汽函数组成方式主要有直接分配方式和间接分配方式，如图1所示。

图1 配汽函数组成方式

直接分配方式过程简单、使用方便，缺点是配汽函数直接反映了汽轮机的流量特性，在调节阀开启顺序调整等运行工况改变的情况下，当各调节阀通流能力或管理喷嘴数据不一致时，配汽函数的调整十分困难，一般均需要进行流量特性试验。

间接分配方式的特点是各转化环节物理意义明确，只要分别确定每一个环节的转化函数，串联起来就可以最终将汽轮机接收到的流量指令合理分配到每个调节阀，顺序阀方式下阀序调整时，只需要修改阀序函数即可。缺点是转化环节复杂，转化函数需由设备厂家提供或通过专门试验来确定。图1（b）中，修正函数f1（x）用来修正汽轮机调节级后压力对其通过的蒸汽流量的影响，实质上是反映了调节级临界流量与实际流量之间的对应关系，如图2所示。阀序函数f2（x）用来决定顺序阀方式下调节阀的开启顺序；修正函数f3（x）用来形成顺序阀方式下先后开启的调节阀之间的重叠度；阀门特性函数f4（x）表示临界状态下单个调节阀通过流量与开度的关系；修正函数f5（x）用来修正单阀方式下的调节阀开度，使输出结果与单阀方式下汽轮机的流量特性相吻合。

图2 调节级实际流量与临界流量曲线

调节级的临界压比是确定上述关系的关键参数，一般由设备厂家提供[9]或由理论计算获得[10]，但由于设备改造或老化等原因，厂方提供的参数和曲线常与现场设备实际情况严重不符，而理论计算结果也与实际偏差较大，因此通常以试验方式来获得调节级临界压比[11]。

顺序阀方式下，配汽函数的整定可采用以下方法[12]：由实际流量-临界流量关系曲线，将实际流量指令转化为总临界流量；根据调节阀开度-临界流量关系曲线，得到全开状态下调节阀的临界流量，总临界流量与之相减后得到部分开启调节阀的临界流量；根据调节阀开度-临界流量关系曲线，得到部分开启调节阀的开度。

在配汽函数整定准确的情况下，根据图1（b）中各配汽函数综合计算的配汽曲线与图1（a）计算的配汽曲线可做到完全一致。

2.4 滑压曲线优化

通过流量特性试验和顺序阀投运试验可确保顺序阀控制的精确性和安全性，但要充分发挥顺序阀方式的经济性，还需要进行滑压优化。滑压优化可以通过理论计算或现场试验来进行。

理论计算通常是在确定可行初压区间后，以改变主蒸汽压力来进行变工况计算，得到每一负荷点下供电煤耗最小的主蒸汽压力为最优主蒸汽压力，由此得到机组的最优滑压曲线[13]。

现场试验主要有试验比较法和耗差分析法这2种方式[14]。试验比较法是指在机组正常运行范围内选取若干个典型负荷点,在每个负荷点上设置不同的主蒸汽压力以及调节阀开度对应关系,进行机组热效率试验，根据机组试验热耗率的差异程度,以机组热耗率最小为原则来选取机组的最佳滑压优化曲线。耗差分析法是建立在机组耗差计算模型基础上的一种滑压运行优化判别方法：提取对机组滑压运行性能有关键影响的运行参数,分别计算这些参数对机组热耗率影响的分项耗差,汇总得出耗差总和,并以耗差总和最小作为机组不同滑压运行方式寻优评判的依据。

比较2种方法，试验比较法的结果较精确，但工作量较大；耗差分析法涉及的评价参数较少，无需大量高精度试验仪器的投入，就可以获得与繁复的整机性能试验较为接近的滑压优化效益评价结果。

滑压曲线的改变对机组控制性能影响很大，因此，在滑压曲线优化以后，需要对机组协调控制参数进行重新调整，以确认机组一次调频与AGC响应能力可满足规定要求。另外，汽轮机滑压曲线优化的本质是对调节阀运行阀位的寻优，因此，为了确保机组在不同季节、不同循环水温度下，汽轮机调节阀均能保持在最佳阀位运行，需要根据真空的变化对滑压曲线进行修正[15]。

2.5 节流配汽方式优化

以上汽-西门子1 000 MW超超临界汽轮机为代表的节流配汽机组近年来在国内被广泛使用，该类汽轮机设计采用调节阀全开、滑压方式运行，由此获得良好的经济性能，但在实际运行中，为了保证机组有一定的动态调频能力，调节阀常在节流状态，由此产生了经济性与可控性之间的矛盾：调节阀开度较小时，节流损失较大，但控制性能较好；调节阀开度较大时，节流损失较小，但控制性能较差。采用变阀位滑压运行模式[16]可以有效解决这一矛盾。

图3是某1 000 MW汽轮机的滑压曲线。由图3可知，在低负荷时，主蒸汽压力较低，机组蓄能较小，适当降低调节阀开度能有效提升主蒸汽压力、增加蓄能，同时也可以扩大调节裕量，减少调节阀晃动。多台机组实际运行结果表明，采用变阀位滑压运行模式，将滑压曲线由直线变为多折线，调节阀开度晃动现象消失，一次调频与AGC响应正常，机组控制水平明显提高。

为了提高该类机组的负荷动态响应能力，近年来出现的新手段有：投用补汽阀[17]、开发凝结水节流调频功能[18-19]和抽汽调频功能，在一定程度上弥补了节流配汽方式下汽轮机负荷动态响应能力的不足，提高了机组的可控性。

图3 某1 000 MW汽轮化机滑压曲线

2.6 混合配汽方式改造

混合配汽方式兼顾了单阀配汽的安全性与顺序阀配汽的经济性，适用于带基本负荷的机组，但机组调峰运行时会产生很大的节流损失[20]。另外，混合配汽方式只能在单一阀点下滑压运行，目前只能采用三阀点滑压方式，主蒸汽压力明显偏低，严重影响了机组的动态调频性能。解决这一问题的方法是对这种配汽方式进行改造[21]，增加顺序阀配汽方式。

对该类型汽轮机进行配汽方式改造时，首先要进行喷嘴组强度校核计算，以确定调节级在部分进汽工况下的安全性，其次要进行控制逻辑的修改，增加顺序阀配汽逻辑与相关配汽方式切换函数，在此基础上进行顺序阀投运试验、流量特性试验以及滑压优化试验，最终完成优化改造。某东汽600 MW亚临界汽轮机配汽方式改造前后的配汽曲线如图4、图5所示。

图4 改造前混合配汽曲线

图5 改造后的顺序阀配汽曲线

3 结语

汽轮机配汽特性与机组的安全性、经济性和可控性密切相关，掌握汽轮机流量特性是研究其配汽特性的基础。顺序阀方式投运试验、流量特性试验、配汽函数整定与滑压优化是与汽轮机配汽特性相关的基础性工作，配汽方面出现的问题大多与这几项工作有关，解决汽轮机配汽问题也主要依靠这几项工作。节流配汽方式优化与混合配汽方式改造可提升相关类型汽轮机的经济性与可控性。

并网运行的汽轮机，其流量特性在制约机组控制性能的同时，也影响着电网的动态特性，已有明确的证据表明，汽轮机的配汽问题与电网功率振荡、尤其是电网低频振荡之间有密切联系，这将是今后开展进一步研究的方向。

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（本文编辑：龚皓）

Analysis and Optimization of Issues Related to Steam Distribution of Large Steam Turbines

HE Yi-hao1，LI Qun2，TONG Xiao-zhong3，ZHANG Bao3
（1.Zhejiang Provincial Energy Group Company Ltd.，Hangzhou 310007，China；2.Taizhou Polytechnic College，Taizhou Jiangsu 225300，China；3.Z（P）EPC Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Steam distribution mode of steam turbine greatly affects the safety,economical efficiency and controllability of the units.The paper analyzes and categorizes common problems in steam distribution of steam turbine,and it expounds methods and ways to handle the steam distribution problems in terms of commissioning test of sequence valve,test of flow characteristic,steam distribution function setting,sliding pressure curve optimization,optimization of throttle steam distribution and mixed steam distribution mode.It is practically proved that these measures are reliable and effective.

steam turbine；steam distribution method；flow characteristic；steam distribution function setting；sliding pressure curve optimization

TK267

：B

：1007-1881（2013）07-0043-05

2013-05-14

何翊皓（1959-），男，浙江建德人，高级工程师，硕士，主要从事发电厂管理工作。