喷嘴调节式汽轮机在变工况下的探讨

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喷嘴调节式汽轮机在变工况下的探讨

韦鸿钰

（广东珠海金湾发电有限公司，广东 珠海 519050）

【摘 要】汽轮机在实际运行中，因外界负荷、蒸汽的状态参数以及汽轮机本身的结构变化等，均会引起汽轮机级内各项参数以及零部件受力情况的变化，进而影响其经济性和安全性。本文主要针对喷嘴调节方式在变工况时的效率及受力变化进行分析，并与滑参数运行方式、节流控制运行方式进行对比。

【关键词】喷嘴调节；变工况；热耗率

1 汽轮机普通压力级的变工况

对于变工况前后均在亚临界状态工作的级，流量与压力、温度有关。

当忽略温度变化（T0

0与T01均为恒定值），忽略级组排汽压力（当P0>>Pz时，可认为P0-Pz=P0），可推出蒸汽流量是正比于入口压力的。对于非调节级的各工作级，均可以参考弗留格尔公式来推算其工作状态。而在忽略抽汽量变化的情况下，各缸可以粗略的看作是一个级组；凝汽器背压（pz）的变化量相对主蒸汽压力（p0）而言是可以忽略不计的；也就是说，可以近似的认为机组的发电功率、蒸汽流量与调节级压力是单调关系，并且基本上是线性关系、成正比例。

2 喷嘴配汽调节级的变工况简要分析

采用调节级设计的汽轮机，设计调节方式即是喷嘴调节，也就是顺序阀控制。当汽轮机采用单阀控制时，调节级与普通的级没有明显差别，调门后蒸汽压力与调节级压力是呈正比的，也同样的代表了机组的发电功率和蒸汽流量。当汽轮机采用顺序阀控制时，调节级的工作情况就比较复杂。汽轮机的调节级分为4组喷嘴，每组对应一个调节汽门。当负荷很小时，只有2个调节汽门开启，部分进汽度最小；负荷增大而两个调节汽门全开时，打开第三个调节汽门，第三喷嘴组才进汽，部分进汽度增大；以此类推。因此，只有部分开启的那个调节汽门中的蒸汽节流较大，其余全开状态的汽门中的蒸汽节流已减到最小，所以在部分负荷时机组的经济性比单阀节流控制要好，是喷嘴配汽的主要特点。 3 喷嘴调节方式的优点

之所以从高参数的300MW级别汽轮机开使用喷嘴调节方式，而不采用传统的节流调节方式，主要是看重喷嘴调节方式下可以尽量获得高参数的主蒸汽，并且在负荷变动时比节流调节方式提供更高的汽轮机效率。

由于在顺序阀控制中，仅当所有汽门处于全开或全关状态时节能效果才最明显，而普遍情况下都会有一个调节汽门处于半开状态，同样有明显的节流损失，不过综合起来比单阀控制状态下要略好。

具体工况可见下图

图1 调节级工况热力曲线图

︱346︱华东科技

当第1、2调门全开而第3调门部分开启、第4调门全关时，初始压力为P0的主蒸汽流经主汽门和全开调门后，压力降到P01，调节级后压力为P2，所以通过第1、2调门的蒸汽热力曲线为ABD，等熵焓降为△ht1，实际焓降为△ hi1。通过第3调门的蒸汽由于受到节流，压力会降到P02，工况点即等焓降压节流的C点，热力曲线为ABCE，同样有等熵焓降为△ht2，实际焓降为△ hi2。

如使用节流调节控制，通过4个调门的蒸汽都受到一定的节流，压力会降到P03，热力曲线为ABFG，也有等熵焓降为△ht3，实际焓降为△ hi3。

由图可以看出，蒸汽压力越高、实际焓降曲线越好，焓利用效率就越高。所以喷嘴调节的主体思路就是牺牲那一小部分的通过小开度调门的蒸汽利用效率，充分保证最大化那大部分的通过全开调门的蒸汽利用效率，其综合效率是高于每个调门相同开度的节流调门方式的。汽流混合比焓的计算在此不一一列出。 4 喷嘴调节方式的缺点

喷嘴调节方式并不是完美的，正好相反，当汽轮机容量增大到一定程度，喷嘴调节方式的劣势才突显出来，目前1000MW级别汽轮机已经采用滑压运行。喷嘴调节的缺点在机组参与频繁调峰后更为突出，使得该运行方式被淘汰得更快。

4.1 喷嘴调节方式劣化设备运行状态

喷嘴配汽使汽轮机的高压部分（尤其是调节汽室中）在工况变动时温度变化较大，从而引起较大的热应力。因此在调节级汽室处的汽缸壁可能产生的较大热应力通常是限制迅速变负荷的重要因素。

在汽轮机运行说明书中也明确提出，在冷加工及装配时，叶片与转子接触面上的作用负荷并不一定均匀分布，这就会导致接触面上局部高应力，部分进汽运行时会导致这些应力过高。

4.2 调节级后的余速损失影响汽轮机效率

通过汽轮机设计原理可知，对于一般的汽轮机压力级，当蒸汽通过动叶后仍有较高的动能，其速度称为排汽余速。利用余速进入下一级静叶，是可以充分利用余速的能量的。但因为考虑到调节级可能部分进汽，必须在调节级动叶后设计一个较大的腔室作为均压腔室并且调节级叶片与第一级叶片错开（调节级叶片节径比第一级更大），保证进入第一级静叶的蒸汽是整周均压的，不会受到部分进汽的影响。

所以，调节级的余速是无法利用的。这就使喷嘴调节的设计方式陷入一种窘境：当机组高负荷时，基本为全周进汽，体现不出调节级的优势，低负荷时调节级的余速不能利用，降低了高压缸效率，其劣势甚至可能与喷嘴调节方式在低负荷时可保持高参数的优势相抵消。

4.3 部分进汽时高中压转子受力不稳定

当机组负荷越低、部分进汽度越低时，调节级功率的反而越高，这将使调节级叶片受力增大。原设计配汽方式都是相邻汽门配汽，所以不可避免的对高中压转子会产生对某一方向（或向上、或向下）的推力，使转子的运行趋于不稳定。

有的机组通过修改阀序、改为低负荷时对称汽门开启的方式，平衡了低负荷时通过两汽门的蒸汽扰动，确实可以有效解决低负荷、汽轮机部分进汽时高中压转子的不稳定状态，但调节级动叶却需要承受更高频的交变应力：从每旋转一周受一次交变应力（50Hz）变为每旋转一周受二次交变应力（100Hz），增加了调节级动叶断裂、裂纹等缺陷的隐患。

此问题是喷嘴调节方式与生俱来的缺点，机组高负荷时并不会太突出，而越是负荷率低、越是机组参数高的情况就越明显，并在机组频繁参与调峰后就会危及汽轮机的安全运行。

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