压缩空气储能膨胀机进气阀严密性试验

2017-12-26文贤馗张世海

分布式能源 2017年6期

关键词：严密性气阀压缩空气

文贤馗，张世海 ,盛勇，白阳

(1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州贵阳 550002；2.中国科学院工程热物理所，北京海淀 100190)

压缩空气储能膨胀机进气阀严密性试验

文贤馗1，张世海1,盛勇2，白阳2

(1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州贵阳 550002；2.中国科学院工程热物理所，北京海淀 100190)

目前，国内压缩空气储能电站膨胀机进气阀严密性试验所采用的试验方案、试验指标不明确，缺少对严密试验的科学论证，没有膨胀机进气阀严密性是否合格的量化指标。为准确判断膨胀机进气阀的严密性，保障压缩空气储能发电膨胀机的安全运行，文章通过对比分析火电和核电蒸汽轮机、燃气轮机进气阀严密性试验方法，结合膨胀机的结构动力特性及其运行特点，提出膨胀机进气阀严密性试验的方法，并对试验步骤进行规范，提出试验结果合格的判定标准，通过不同时间段试验的惰走时间数据进行比较，得到进气阀严密性的变化情况。该方法引入膨胀机转速作为判断依据，量化严密性试验合格指标，使试验更具客观性和可操作性，保障膨胀机的安全稳定运行。

压缩空气储能；透平膨胀机；进气阀严密性；汽轮机；燃气轮机

0 引言

压缩空气储能系统被认为是最有发展前景的大规模电力储能技术之一[1-4]，系统中膨胀机进气阀严密性是保证膨胀机安全运行的重要保证，避免膨胀机在突然甩负荷或紧急停机过程中转速的过度飞升，以及在低转速范围内能有效控制转速。在机组首次安装和大修解体后，应进行相应严密性试验进行检测判断。

目前，国内外都有一些示范工程，我国主要开展非补燃式压缩空气储能，2013年中国科学院工程热物理研究所在河北廊坊建成了1.5 MW示范工程[5]，2016年又在贵州毕节建设10 MW超临界压缩空气储能示范工程[6-7]。清华大学等单位在安徽芜湖建成了500 kW示范工程[8-9]。研究的重点主要集中在压缩机/膨胀机的效率、热能回收利用、热电冷三联产上，开展了大量工作，并取得了大量研究成果，但在膨胀机严密性方面还没有定量的规定。目前，采用的方法是关闭主气阀和调节气阀，根据两者之间压力变化判定主气阀是否严密，这种方式对严密性判断没有提出一个定量衡量指标，不能对调节气阀严密性进行有效判定，而且如果调节气阀不严密，对主汽阀的严密性判断将会导致较大偏差，甚至引起误判，给膨胀机的运行带来安全隐患。本文根据压缩空气储能电站膨胀机的结构特点，结合汽轮机、燃气轮机进气阀严密性试验的相关准则，对膨胀机进气阀严密性试验开展研究，为进气阀严密性提供试验方法和判定依据。

1 压缩空气储能系统

压缩空气储能一般采用多级压缩放热和多级膨胀吸热，系统图见图1。

1-储能压缩机，2-释能膨胀机，3- 电动机，4- 发电机，5-冷水罐，6-热水罐，7-压缩空气罐，8-换热器，9-主气阀，10-调节气阀，11-空气进入，12-排气图1 蓄热式压缩空气储能系统Fig.1 Regenerative CAES

在电网电量富裕时，启动压缩空气储能过程，电动机消耗电能驱动压缩机运行，空气经多级压缩后进入压缩空气罐，冷却水从冷水罐进入压缩机各级换热器，吸收压缩热后进入热水罐，储能过程将电能转换为空气压力能和水的热能进行存储。当电网电量紧缺时，启动释能膨胀发电过程：压缩空气罐内的高压空气进入释能膨胀机进行多级膨胀，热水从热水罐进入膨胀机各级换热器，释放压缩热后进入冷水罐，在高压空气的驱动下膨胀机旋转，经齿轮变速箱减速后驱动发电机发电，释能过程将空气压力能和热能转换为接入电网的电能[10]。

膨胀机的调节系统含1个电动快关门(主气阀)和2个气动控制调节气阀(调节气阀)，膨胀机运行时，调节系统根据转速或负荷指令调整调节气阀开度，控制压缩空气进气量。在并网前，调节气阀控制膨胀机由静止启动至额定转速，在并网接带负荷后，根据电网调度指令调节膨胀机输出功率。

膨胀机各级产生的轴功输入齿轮变速箱，一、二级布局在齿轮箱一侧，三、四级布局在相对应的另一侧，经过齿轮变速箱减速至1 500 r/min后由主轴输出，带动发电机发电，见图2。

图2 膨胀机与发电机连接图Fig.2 Connection graph of expander and generator

2 类似透平进汽阀严密性试验方法

压缩空气储能膨胀机属于透平膨胀机，压缩空气进入透平膨胀，降压输出机械功带动发电机输出电能，因此透平膨胀机(turbine expander)的严密性试验可以参考工作原理与其接近的汽轮机(steam turbine)和燃气轮机(gas turbine)的试验方法。

2.1 火电汽轮机试验方法

2.1.1 汽轮机调节控制系统试验导则规定的方法

按照DL/T 711—1999《汽轮机调节控制系统试验导则》[11]的规定，试验在汽轮机空负荷状态下进行，蒸汽参数和真空应尽量保持额定，主(再热)蒸汽压力最低不得低于额定压力的50%，高中压主汽阀和高中压调节汽阀关闭后,汽轮机转速应能下降至式(1) 的计算值。

(1)

式中:nmin为合格转速；Pt为试验主蒸汽压力；Pe为额定主蒸汽压力。

对于中压机组阀门的最大蒸汽泄漏量应不致影响转子降速至静止。对于主蒸汽压力为9 MPa或以上的机组,其阀门最大蒸汽泄漏量不致影响转子降速至1 000 r/min以下。

要求每类阀门分别单独试验。在额定转速下调节汽阀(或主汽阀)处于全开状态,迅速关闭主汽阀(或调节汽阀),记录降速过程时间和最低稳定转速。试验过程中应注意汽轮机胀差、轴向位移、机组振动和缸温变化。

2.1.2 转速1 000 r/min以下低转速试验方法

文献[12]指出：绝大部分汽轮发电机组的临界转速为1 000～2 000 r/min，由于部分机组的轴系存在问题，在降转速过程中，过临界转速时振动大，导致试验无法进行。为此提出采用1 000 r/min以下转速进行严密性试验的方法，既不在临界转速区范围，又节省了试验时间。

试验方法是：机组解列后，打闸，待转速下降到1 000 r/min后，重新挂闸，控制转速，进行调速汽门严密性试验，关闭调速汽门，记录参数；结束后进行主汽阀严密性试验，关闭主汽阀，开启调速汽阀，记录参数。

试验结果判定：

(2)

式中：PHt、PIt为试验主、再热蒸汽压力；PHe、PIe为额定主、再热蒸汽压力；0.3和0.7是高压缸和中低压缸的做功比例经验系数，可以根据实际情况进行调整。

2.2 核电半速汽轮机试验方法

全速汽轮机的转速是3 000 r/min，半速汽轮机转速是1 500 r/min，因为火电汽轮机蒸汽参数高，一般都是过热蒸汽，而核电的蒸汽参数低，只能达到饱和蒸汽，因此在发出相同的电功率时，核电汽轮机要求通过增大蒸汽流量来弥补由于蒸汽参数低造成的做功能力的不足，核汽轮机的末级叶片就要求做的长一些来增大流通面积，如果采用全速机的话，叶片要承受很大的离心力，在材料上是很难满足条件的[13]。

主气门严密性试验方法：机组处于盘车状态，通过主汽门油动机上的试验电磁阀快速关闭主汽门。设置汽轮机的目标转速设定值，并进入程序控制生效该设定值。此时由于汽轮机实际转速仍为8 r/min，转速控制回路上产生较大偏差，该偏差将控制调门逐渐开启。

试验开始即开始计时，计时期间，若汽轮机实际转速超过5% (即为75 r/min)，则自动结束严密性试验并自动停机，说明汽门严密性不合格[14]。

2.3 燃气轮机试验方法

图3 燃气轮机系统图Fig.3 System diagram of gas turbine

燃气轮机系统图见图3。压气机通过进口空气过滤器从大气中吸入空气,压缩空气并将其送入燃烧室,与燃料混合燃烧后产生高温高压燃气,燃气进入透平,带动透平做功,产生的机械能驱动发电机和压气机。燃气轮机的燃气调节阀单独进行阀门严密性试验(类似火电机组的燃油角阀严密性试验)，因此没有进气管路，也无需严密性试验[15]。

为提高系统效率，燃气轮机一般和蒸汽轮机联合运行，有双轴和多轴等形式，系统中的蒸汽轮机试验方法同2.1.1。

3 膨胀机严密性试验方法

以上文献提出的方法中，2.1.2方法主要是考虑机组降速过程中通过临界转速区影响，而膨胀机的临界转速高于工作额定转速，因此该方法不适用于膨胀机。2.2的方法是在盘车转速下进行，而膨胀机不进行盘车，转子从静止状态冲转需要的动力远远大于盘车状态冲转，因此也不适用。综合考虑，膨胀机的气阀严密性试验参考2.1.1的方法，具体步骤如下。

3.1 试验前准备工作

试验前应检查调节系统各部件出厂试验报告及安装记录，核实调节系统安装是否正符合设计要求，机组安装检修工作全部完成，辅助系统启动正常。

机组静态时须进行打闸试验，分别在能够实现打闸功能的地方进行，动作后确认主气阀、调节气阀能迅速关闭，相应信号正常。

主气阀、调节气阀行程测量及标定试验。强制DEH逻辑中的阀位指令，使主气阀、调节气阀分别处于机械位置的全开、全关位，测取行程并标记位置。

主气阀、调节气阀关闭时间测试。强制主气阀、调节气阀处于全开状态，分别手动触发和保护触发跳闸条件一次，通过录波仪测取主气阀、调节气阀的关闭时间，如图4。

t1-主气阀自身关闭时间，t2-主气阀总关闭时间，t3-调节气阀自身关闭时间，t4-调节气阀总关闭时间图4 主气阀、调节气阀关闭时间Fig.4 Closing time record of main air valve and control valve

3.2 试验方法

目前，大型汽轮机都采用滑参数启动，即锅炉燃烧至启动常数就进行汽轮机冲转，在汽轮机启动过程中逐渐提升蒸汽参数，因此汽阀严密性试验对阀前参数要求大于50%。而膨胀机属于额定参数启动，即启动时阀前压力为额定值。

试验方法是，在膨胀机冲转至额定转速，压缩空气压力保持额定，主气阀或调节气阀关闭后，膨胀机转速应能迅速下降，记录降速过程时间。

主气阀和调节气阀应分别单独进行试验：保持机组在额定转速下运行，主气阀严密性试验时，先维持调节气阀开度，迅速关闭主气阀，然后逐渐将调节气阀全开进行试验；调节气阀试验时，维持主汽阀在全开位置，迅速关闭调节气阀，试验过程中应严密监视机组运行参数，特别是轴向位移、振动等。

3.3 判定标准

因压缩空气储能膨胀机的进气压力不超过7 MPa，参考汽轮机试验标准，当主气阀或调节气阀单独关闭时，其严密性试验的判定标准为转子是否能够静止(转速到0)，即关闭后转子降速至静止判定试验合格，否则不合格。

1-关闭信号，2-主气阀严密性透平膨胀机转速信号，3-调节气阀严密性透平膨胀机转速信号，tm -主气阀严密性透平膨胀机惰走时间，tc -调节气阀严密性透平膨胀机惰走时间，td-系统延迟时间图5 透平膨胀机严密性记录Fig.5 Leak test record of turbine-expander

测取关闭信号和透平膨胀机转速下降过程，如图5，记录透平膨胀机惰走时间(从开始降速到转子静止的时间)。可以通过不同时间段试验的惰走时间数据进行比较，可以得到主气阀(调节气阀)严密性的变化。

以主气阀惰走时间为例说明，第1次试验时间为tm1，经过一段时间后进行第2次试验，主气阀惰走时间为tm2，其差值为

Δtm=tm1-tm2

(3)

如Δtm>0，说明主气阀严密性变好；如Δtm<0说明主气阀严密性变差，数值大小说明变化程度。

同理，可以通过不同时间段的调节阀惰走时间变化来判断调节气阀的严密性。

4 结论

参照工作原理接近的汽轮机和燃气轮机，获取压缩空气储能膨胀机进气阀严密性的试验方法，引入转速参考量，作为判断严密性是否合格的依据，给出压缩空气压力低于9 MPa的膨胀机进气阀严密性合格判断标准，规范了严密性试验的流程，可以有效指导工作人员开展严密性试验，提高了严密性试验的准确性。

压缩空气储能发电膨胀机转子转动惯量小，很小的阀门内漏也可能造成转速飞升，工作人员在严密性试验过程中，应严密监视膨胀机转速的变化情况，同时，应拟定严谨的试验方案，严格规范试验步骤，确保试验在进气阀关闭时间合格情况下进行。

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InletValveLeakTestforTurbineExpanderofCAES

WEN Xiankui1, ZHAGN Shihai1, SHENG Yong2, BAI Yang2

(1. Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co., Ltd.， Guiyang 550002, Guizhou Province, China; 2. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Science, Haidian District, Beijing 100190, China)

At present, the scheme adopted in inlet valve leak test of the expander in compressed air energy storage (CAES) power station and the test parameter are not definite, the leak test lacks the scientific demonstration, and there is no quantitative index of whether the inlet valve is tight. In order to estimate the leakage of inlet valve accurately and ensure the safe running of CAES power plant, through comparative analysis on the inlet valve tightness test method of steam turbine and gas turbine in thermal power and nuclear power, in combination with the structural dynamic characteristics of expander and its operation features, this paper puts forward the inlet valve leak test method of expander and its judgment basis, and compares the idling time data of different time periods to obtain the variation of CAES inlet valve leak test. The method introduces the expander speed as the judgment basis and quantifies the acceptable index of leak test, which makes the test more objective and operable, and ensures the safe and stable operation of expander.

compressed air energy storage; turbine expander; inlet valve leak test; steam turbine; gas turbine

国家重点研发计划项目(2017YFB0903600)

Project supported by National Key Research and Development Program of China(2017YFB0903600)

TK 02

2096-2185(2017)06-0026-05

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.06.005