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在火電廠單元機(jī)組運(yùn)行管理工作中, 主蒸汽流量作為系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)之一, 對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀況、性能監(jiān)測(cè)、過(guò)程控制起著至關(guān)重要的作用。目前測(cè)量單元機(jī)組主蒸汽流量的方法主要有兩大類:直接測(cè)量法, 即采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件測(cè)量主蒸汽流量的方法;間接測(cè)量法, 即通過(guò)計(jì)算獲取主蒸汽流量的方法。由于在大型機(jī)組中主蒸汽流量的直接測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值偏差較大, 故不設(shè)置主蒸汽流量的測(cè)點(diǎn)。間接測(cè)量計(jì)算主蒸汽流量則為大型機(jī)組的運(yùn)行、監(jiān)視、分析提供了有力的依據(jù), 且其精度滿足運(yùn)行管理要求。
1、直接測(cè)量主蒸汽流量
直接測(cè)量法是采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件如流量噴嘴或孔板, 獲取壓差并經(jīng)溫度壓力補(bǔ)償修正測(cè)得流量信號(hào)。該方法在一定的條件下具有簡(jiǎn)單、直觀的優(yōu)點(diǎn)。
但它會(huì)造成節(jié)流損失, 而這種損失對(duì)于大型機(jī)組是不可忽視的。主蒸汽通過(guò)節(jié)流元件的壓力損失將直接影響機(jī)組的出力, 增加機(jī)組熱耗。此外, 標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)流元件易受其工藝精度、安裝管段條件及流體特性等因素的影響, 一般不能滿足不同工況的測(cè)量要求,直接影響了測(cè)量的精度。
以節(jié)流變壓降式流量計(jì)為例, 其流量測(cè)量公式為:
式中:α—流量系數(shù);
ε—流束膨脹系數(shù), 對(duì)于不可壓縮性流體, ε=A —通流面積;
ρ—蒸汽密度;
ΔP —壓差。
其中, 參數(shù)A , α, ε, ρ均受環(huán)境因素的影響, 不會(huì)保持不變。特別是α及ρ在機(jī)組滑參數(shù)運(yùn)行或負(fù)荷變動(dòng)時(shí), 其數(shù)值變化較大。針對(duì)ρ的變化, 需進(jìn)行壓力、溫度補(bǔ)償, 而α的變化又與雷諾數(shù)R e 有關(guān), 這就意味著與流量變化有關(guān), 為了保證測(cè)量精度, 需限制α的變化范圍。對(duì)于高壓、超高壓及以上的機(jī)組, 直接測(cè)量?jī)H在額定參數(shù)附近才能保證較高的測(cè)量精度, 而在深度變工況的情況下很難獲得滿意的測(cè)量結(jié)果, 故在大機(jī)組中直接測(cè)量已越來(lái)越少使用。
2、間接測(cè)量主蒸汽流量
間接測(cè)量本質(zhì)上是通過(guò)計(jì)算的方法獲取主蒸汽流量, 在大型機(jī)組中被廣泛使用。因沒(méi)有阻力件所造成的節(jié)流損失, 有利于減少汽耗, 可靠性、穩(wěn)定性也較高。該方法常用以下兩種方法實(shí)現(xiàn)。
2.1 采用調(diào)節(jié)級(jí)后壓力溫度間接測(cè)量主汽流量其理論依據(jù)為弗留格爾公式:
式中:G0 —額定工況下的蒸汽流量;
P0 , PZ —流量G0 下該級(jí)組前后的壓力;
P01 , PZ1 —流量G1 下該級(jí)組前后的壓力;
T0 —流量G0 下該級(jí)組前的溫度;
T1 —流量G1 下該級(jí)組前的溫度。
采用調(diào)節(jié)級(jí)后壓力和初參數(shù)修正后的測(cè)量公式為
式中:P10 , T10 —額定工況下的調(diào)節(jié)級(jí)后壓力, 溫度;
P1,T1 —變工況下的調(diào)節(jié)級(jí)后壓力、溫度;
G0 —額定工況下的蒸汽流量;
G —變工況下的蒸汽流量。
如果把機(jī)組視為一個(gè)特殊的流量測(cè)量的節(jié)流元件, 考慮級(jí)組前后壓力溫度, 并應(yīng)用弗留格爾公式,便可更準(zhǔn)確的表達(dá)流量與壓力之間的關(guān)系。用調(diào)節(jié)級(jí)參數(shù)進(jìn)行主蒸汽流量計(jì)算比直接測(cè)量具有較大的*性。
但由于實(shí)際汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)后壓力與主蒸汽流量的關(guān)系并非嚴(yán)格線性。在變工下(尤其是機(jī)組啟?；虻拓?fù)荷時(shí)), 調(diào)節(jié)級(jí)通流面積的變化會(huì)影響到壓力級(jí)級(jí)組的流量特性。而公式(2)、(3)只有在整個(gè)級(jí)組葉
片通流面積不變的情況下才成立;此外, 兩個(gè)公式還受到諸如在測(cè)點(diǎn)后各通流部分的壓力與流量成正比,不同流量條件下流動(dòng)過(guò)程相同等條件的制約, 以致使用此方法所得測(cè)量結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。
表1 為某電廠300MW 機(jī)組依據(jù)式(3)進(jìn)行蒸汽流量計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)值的比較 。
2.2 采用壓力級(jí)組前后壓力、溫度測(cè)量主蒸汽流量進(jìn)一步改進(jìn)測(cè)量主蒸汽流量的方法是利用壓力級(jí)組前后壓力、溫度測(cè)量主蒸汽流量。此方法的理論依據(jù)依然是弗留格爾公式。對(duì)于多級(jí)的汽輪機(jī)組在變工況未達(dá)臨界時(shí), 級(jí)組前后參數(shù)與流量之間的關(guān)系式可表示為:
式中:G —變工況下主蒸汽流量;
G0 —額定工況下主蒸汽流量;
T1 —變工況下級(jí)組前溫度;
T10 —額定工況下級(jí)組前溫度;
P1 , Pn —變工況下級(jí)組前后壓力;
P10 , Pn0 —額定工況下級(jí)組前后壓力。
當(dāng)多級(jí)的汽輪機(jī)組在變工況下始終有一列或一列以上的噴嘴或動(dòng)葉柵的汽流處在臨界或超臨界時(shí), 級(jí)組后蒸汽壓力變化不可能對(duì)級(jí)組前蒸汽壓力產(chǎn)生影響, 如多級(jí)含凝汽式級(jí)組的末級(jí), 其關(guān)系式也可由式(3)表示。
當(dāng)級(jí)組前溫度變化較小, 如再熱機(jī)組的中壓缸進(jìn)口, 則:
式(4)、(5)的使用受到如:通流面積應(yīng)保持不變;級(jí)組內(nèi)各級(jí)流量需相同;級(jí)組內(nèi)各級(jí)前溫度變化率應(yīng)相同;級(jí)組內(nèi)不得串有其他非線性元件等條件的約束。但因其只考慮一個(gè)級(jí)組, 通流面積變化因素對(duì)其影響很小, 也不受回?zé)嵯到y(tǒng)使用狀況的影響;另外, 即使工況改變很大, 對(duì)于該級(jí)組而言, 理想焓降和效率的改變都很小, 應(yīng)用弗留格爾公式時(shí)的精度得以提高, 并且不受中間再熱容積延遲的影響。這些都使該方法優(yōu)于采用調(diào)節(jié)級(jí)后壓力溫度的測(cè)量方法。
表2 為某一125MW 機(jī)組采用高壓級(jí)組前后壓力計(jì)算主蒸汽流量與實(shí)驗(yàn)值比較的實(shí)例。由表2所顯示的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn), 根據(jù)高壓級(jí)組前后壓力計(jì)算的流量與相應(yīng)試驗(yàn)值的誤差均控制
在1 %以內(nèi)。在一般情況下, 能滿足主蒸汽流量作為自動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算依據(jù)的精度要求。
3、影響主蒸汽流量計(jì)量的因素
在實(shí)際運(yùn)行中影響主蒸汽流量計(jì)量的因素較多。下面對(duì)一些主要影響因素進(jìn)行討論。圖1 為中間再熱機(jī)組的原則性汽水系統(tǒng)。
3.1 通流面積變化的影響
精心正確的運(yùn)行操作和維護(hù)管理, 能夠使汽輪機(jī)通流部分實(shí)體的結(jié)構(gòu)特征在較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)保持基本不變。如果機(jī)組采用順序閥調(diào)節(jié)方式, 考慮的變工況范圍是從100 %到50 %的額定負(fù)荷, 在該變化區(qū)間內(nèi), 由于參與調(diào)節(jié)的閥門數(shù)量改變, 調(diào)節(jié)級(jí)的部分進(jìn)汽度也將隨之改變。它必將帶來(lái)調(diào)節(jié)級(jí)后的zui初幾個(gè)壓力級(jí)中的通流度的改變, 即改變了所考慮的級(jí)組中個(gè)別幾級(jí)的蒸汽通流面積。(負(fù)荷降低, 開(kāi)啟的閥門數(shù)減少, 調(diào)節(jié)級(jí)后zui初的幾個(gè)壓力級(jí)實(shí)際蒸汽通流面積隨之減小。)同時(shí), 通流部分出現(xiàn)結(jié)垢,也會(huì)造成通流面積減小。負(fù)荷降低, 通流面積減小,導(dǎo)致相同流量下的如圖1 所示的P1 值的升高, 從而主汽流量測(cè)量顯示值較實(shí)際值偏高。
據(jù)此, 可將公式(3)作如下修正:
式中:N0 —參考工況下發(fā)電機(jī)輸出功率,
N —運(yùn)行工況下測(cè)得的發(fā)電機(jī)輸出功率,
C —修正因子。
表3為采用(3)式與采用修正公式(6)計(jì)算的主蒸汽流量的結(jié)果, 通過(guò)誤差比較, 采用修正公式(6)計(jì)算的結(jié)果精度明顯提高。
3.2 再熱減溫水的影響
由于該再熱減溫水流量的注入, 使再熱器的壓降與蒸汽流量的關(guān)系中出現(xiàn)了不相關(guān)且不可控因素。此外, 此流量還將全額流入中、低壓缸, 使中低壓缸的壓降出現(xiàn)變化, 而此附加值亦與主蒸汽流量無(wú)關(guān), 但會(huì)導(dǎo)致如圖1 所示的P2 及P1 值的增加, 從而造成主蒸汽流量顯示值偏高。
3.3 廠用汽及對(duì)外供熱
高壓缸的排汽(冷再熱蒸汽)通常還要作為廠用汽的汽源, 甚至對(duì)外供熱。對(duì)于裝有多臺(tái)機(jī)組的電廠通常是由某臺(tái)機(jī)組負(fù)責(zé)帶廠用汽運(yùn)行, 并根據(jù)機(jī)組的檢修等變化進(jìn)行切換調(diào)整。廠用汽及對(duì)外供熱將使再熱器及中、低壓缸的流量減少, 壓差及壓力降低, 即如圖1 所示P3 和P2 下降, 導(dǎo)致P1 相應(yīng)下降,造成主汽流量示值偏小。
3.4 加熱器、給水泵及暖風(fēng)機(jī)的投、切
機(jī)組運(yùn)行中各組加熱器由于某種原因進(jìn)行投、切, 導(dǎo)致抽汽量的變化而影響P1 值, 特別是當(dāng)高壓加熱器被切除后將使前段抽汽量明顯減少, 使得P1值在相同主蒸汽流量時(shí)明顯上升, 從而使主蒸汽流量顯示值偏高。汽動(dòng)給水泵的正常工作汽源及鍋爐暖風(fēng)器加熱汽源取自中壓缸排汽, 當(dāng)停用1 臺(tái)或2臺(tái)汽動(dòng)給水泵時(shí)或其工作汽源切至主蒸汽或廠用輔汽時(shí), 抽汽量則相應(yīng)減少, 從而使包括P1 在內(nèi)的前各級(jí)壓力提高, 使主蒸汽流量示值偏高。而冬季使用暖風(fēng)機(jī), 在其投入時(shí), 由于抽汽量的增加, P1 會(huì)降低, 亦將造成主蒸汽流量示值偏小。但同時(shí)發(fā)現(xiàn)中壓缸排汽壓力較低, 其平方差對(duì)弗留格爾公式的影響更小。根據(jù)弗留格爾公式, 給水泵及暖風(fēng)機(jī)的切、投對(duì)流量示值的影響甚微, 可以忽略。
3.5 抽汽工況的變化
加熱器、給水泵及暖風(fēng)機(jī)的投、切, 再熱器減溫噴水等都將造成抽汽工況的變化, 產(chǎn)生一定的誤差,但實(shí)際使用公式(3)所獲得測(cè)量結(jié)果并未表現(xiàn)出過(guò)大的誤差, 原因在于:從定量分析的角度, 因大部分變化點(diǎn)在較低的壓力處, 故許多因素造成的誤差并不十分嚴(yán)重。再熱減溫水產(chǎn)生的誤差與冷再熱蒸汽對(duì)外供熱產(chǎn)生誤差數(shù)值相當(dāng)且方向相反。并且通過(guò)上文分析可知給水泵及暖風(fēng)器的切、投對(duì)流量示值的影響甚微。只有在部分或全部高加切除的情況下, 利用公式(3)所得測(cè)量結(jié)果才與實(shí)際值有相當(dāng)?shù)恼`差。但此時(shí)工況已不屬于正常運(yùn)行, 故在此不做同類比較。
3.6 溫度補(bǔ)償
從P1 點(diǎn)看, 主蒸汽在經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)級(jí)后, 溫度會(huì)有一個(gè)較大的下降, 而且該點(diǎn)的溫度隨調(diào)門開(kāi)度的改變或運(yùn)行方式的變化而變化。但是, P 3 點(diǎn)卻不同,如再熱溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)正常, 該點(diǎn)溫度相對(duì)變化很小。這與(4)式需滿足將整個(gè)級(jí)組(從P1 點(diǎn)起至低壓缸末級(jí))以相同的溫度變化率進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臈l件相悖, 故此處亦有誤差產(chǎn)生。
3.7 動(dòng)態(tài)特性的影響
再熱系統(tǒng)(包括冷、熱再熱管道)中、低壓缸在動(dòng)態(tài)時(shí)均表現(xiàn)出慣性環(huán)節(jié)特性, 因此在機(jī)組變工況過(guò)程中,P 1 與流量的關(guān)系呈非線性, 于是產(chǎn)生動(dòng)態(tài)偏差。然而, 主蒸汽流量作為鍋爐自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中一個(gè)主要參數(shù), 要求其測(cè)量信號(hào)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。因此, 采用P 1 點(diǎn)參數(shù)計(jì)算主蒸汽流量, 以此作為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主信號(hào)是會(huì)有欠缺的, 故可將高壓缸全體壓力級(jí)作為一級(jí)組, 在高加運(yùn)行方式不變的情況下僅考察P1 、P2 點(diǎn)可以滿足弗留格爾公式的應(yīng)用條件, 且由于高壓缸通流部分的容積很小,變工況時(shí)響應(yīng)快, 也能很好的滿足弗留格爾公式, 故將(3)(4)式中額定值進(jìn)行歸并, 級(jí)組變工況未達(dá)臨界時(shí), 由(4)式歸并得,
其中, K1 為高加運(yùn)行狀態(tài)修正系數(shù), 可通過(guò)試驗(yàn)或計(jì)算求出, 當(dāng)高加投入時(shí)K1 為零。
主蒸汽流量實(shí)際由進(jìn)入汽輪機(jī)的流量與軸封門桿漏汽量、旁路蒸汽量之和扣除減溫水量得出,即:
G(主蒸汽流量)=G1(進(jìn)入汽輪機(jī)的流量)+G2(軸封及門桿漏汽量)+G3(旁路蒸汽量)-G4(減溫水量)由于G2 占負(fù)荷一定比例, 一般約為2 %, 故將(7)、(8)式的系數(shù)k 稍加放大, 即可得到G1 、G2 之和。對(duì)于旁路系統(tǒng)未投入運(yùn)行的系統(tǒng), 汽輪機(jī)內(nèi)汽流速度達(dá)臨界, 可根據(jù)(8)式的系數(shù)k 適當(dāng)放大, 得到主蒸汽流量;
對(duì)于投入旁路系統(tǒng)運(yùn)行的系統(tǒng), 汽輪機(jī)汽流速度未達(dá)臨界, 根據(jù)(7)式將系數(shù)適當(dāng)放大, 則主蒸汽流量可表示為:
用式(12)作為計(jì)算主蒸汽流量的依據(jù), 將會(huì)得到更好的效果。但這種計(jì)算方法要求有一定的實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)的采用孔板噴嘴等節(jié)流元件, 配合二次儀
表的方法雖然可以獲得真實(shí)的主蒸汽流量計(jì)量值,但標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置所存在的一系列問(wèn)題, 使其在大容量高參數(shù)單元機(jī)組中使用得越來(lái)越少了。與之相比, 間接測(cè)量主蒸汽流量的方法雖然只能測(cè)量相對(duì)流量G/G 。, 但*可以用于電廠對(duì)蒸汽流量的調(diào)節(jié)控制, 而且在可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性方面的表現(xiàn)更為。
目前機(jī)組運(yùn)行的主蒸汽流量多從DCS 系統(tǒng)中獲得。其主蒸汽流量計(jì)算模型也是建立在間接測(cè)量主蒸汽流量的方法之上, 利用zui多的則是采用壓力級(jí)組前后壓力、溫度測(cè)量主蒸汽流量的方法。但由于其受各種熱力工況的影響會(huì)產(chǎn)生一定的測(cè)量誤差, 使用時(shí)必須根據(jù)機(jī)組運(yùn)行工況進(jìn)行修正。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用情況的數(shù)據(jù)反饋, 其主蒸汽流量示值已經(jīng)具備較高的準(zhǔn)確性, 可以滿足其作為機(jī)組運(yùn)行狀況、性能監(jiān)測(cè)、過(guò)程控制依據(jù)的精度要求。數(shù)據(jù)。
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