标题国产300MW机组配汽机构阀切换特性试验研究

    阀门管理（Valve Management）配汽技术通过改变调节阀的开启方式，使汽轮机在节流调节（Throttle Governing或称全周进汽）FA（Full Arc）或喷嘴调节PA（Partial Arc亦称部分进汽）的情况下运行，可以实现无扰切换，并兼顾启动快速性和部分负荷经济性的要求。

    一般认为，采用节流调节方式使汽轮机快速启停和负荷变动不致产生过大的热应力，可以减少机组寿命损耗，在正常负荷范围内采用喷嘴调节变压运行方式使机组有好的经济性和运行灵活性。要实现这种功能，要求每个调节阀采用独立的油动机驱动，由阀门管理逻辑协调各油动机的工作。

    汽轮机常用的液压调节系统采用凸轮配汽机构，是一种介于喷嘴调节和节流调节之间的所谓混合调节模式。由于混合调节的优越性，电液调节系统一般保留了传统混合调节方式，不过凸轮配汽机构采用了电子逻辑实现，形成所谓“电子凸轮”。

    由于配汽机构调节阀开启方式不同，它对汽机本体及各主辅机设备的影响不同。喷嘴调节工程上常称顺序阀，各组喷嘴处于阀点位置时节流损失很小，只有部分开启位置才有节流损失。但负荷变动时调节级后压力、温度变低，调节级后温度在负荷变动时变化较大。尤其是现代大型机组采用单列调节级的，设计工况下焓降较小，问题更为突出。节流调节由于各个调门同时开启、关闭，好象一个阀门一样，工程上常称单阀，使汽缸均匀进汽，汽缸圆周方向上温度均匀，负荷变动时适应性好，但各喷嘴组均存在节流，经济性差。

    1 试验300MW机组阀切换特性功能介绍

    韶关电厂10号机为N300-16.7/537/537-4型汽轮机，是东方汽轮机厂引进和吸收国内外技术设计制造的亚临界机组。DEH 系统采用高压抗燃油，为东方汽轮机厂与美国ABB集团ETSI公司合作研制与D300H型汽轮机配套的数学电液控制系统。设计为在汽机冲转、升速、并网、带低负荷阶段选用节流调节；正常负荷运行，如果负荷变动频繁且变动频率较大，亦选用节流调节，但长期稳定在低于额定负荷运行，则选用喷嘴调节以获取较高的热效率。停机时，若为调峰短暂临时停机，选用节流调节，若正常停机并计划检修，采用喷嘴调节以缩短机组冷却时间。

    实现阀门管理的方法是，在每个高压调节阀的阀位控制回路输入的开度控制指令上叠加不同的偏置信号，以改变阀门的启始开启位置，大小能保证高调门按顺序开启。当偏置信号解除后，调门即可同步开启和关闭，实现单阀控制。在单阀方式下，单阀系数为1，顺序阀系数为0。高压调节阀开度=单阀系数×单阀给定+顺序阀系数×顺序阀给定，其中顺序阀系数=l-单阀系数。由单阀方式切换到顺序阀方式时，单阀系数花10min时间由l变到0，同样，由顺序阀方式切换到单阀方式，花10min时间由0变到l。

    2 300MW机组配汽机构阀切换特性的试验研究

    针对上述300MW机组，由于配汽机构调节阀开启方式不同，对阀切换过程及切换后，不同配汽方式，对汽机本体各参数的影响进行了试验研究。

    2.1 阀切换过程调门行程的变化特性

    （1）配汽方式由单阀切为顺序阀时，机组负荷289MW，在整个阀切换过程中，机组负荷在289~301MW之间波动，幅度为l2MW。顺序阀切为单阀时，机组负荷258MW，阀切换过程中，机组负荷在258~277MW之间波动，幅度为2lMW。
    （2）当由单阀切为顺序阀时，切换前，调门CV1~CV3行程为30%，CV4为27.6%，在阀切换逻辑的作用下，CV1-CV2调门的行程逐渐上升， 同时CV3~CV4行程逐渐下降，保持机组负荷基本不变。同样， 由顺序阀切为单阀时，切换前，调门CV1~CV2行程为45%，CV4为9.86%，CV3为0.06%，CV1~CV2调门的行程逐渐下降，同时CV3~CV4行程逐渐上升，最终稳定在27%左右。这个过程大约持续10min左右。

    2.2 高、中压缸及低压缸胀差

    （1）配汽方式改变导致缸体受热情况不同，引起高、中压缸胀差发生变化。阀切换过程中和切换后，高、中压缸胀差及低压缸胀差的变化趋势见图1-2。
    （2）从图l~2可见，当从单阀切为顺序阀方式时，总的影响是使胀差变小。如切换前高、中压缸胀差为-0.583mm，阀切换开始进行之后416min，变为-1.505mm，并且保持相对稳定。由于配汽方式的改变，机组胀差变化了-0.922mm，它表示静叶出口至动叶进口的间隙缩小了0.922mm；低压缸胀差为7.66mm，阀切换开始进行之后416min，变为6.99mm，减小了0.67mm，与高、中压缸相比，它变化相对较小。而从顺序阀切为单阀方式时，总的影响是使胀差变大（见图7）。胀差反映了转子相对于汽缸的膨胀情况，结果表明，在单阀方式下，转子的加热情况较汽缸有所改善。

    2.3 汽缸温度的变化

    （1）配汽方式改变导致缸体受热情况不同，汽缸温度亦发生变化。阀切换过程中和切换后，高压内缸上半内壁温、中压缸入口处上半内壁温及高压缸排汽口外缸外壁温的变化趋势见图3-4。

    （2）从图3~4中看到，由于进汽方式的改变，引起汽缸缸体不同部位温度水平发生变化。机组在单阀方式运行时，调门的开度保持在28%~30%左右，虽然存在节流，但缸体的温度水平较高，如切换前，高压内缸上半内壁温为510.73℃、中压缸入口处上半内壁温为510.92℃，高压缸排汽口外缸外壁温328.07℃，阀切换过程开始之后480min，分别变为481.56℃、510.96℃和310.23℃。高压内缸上半内壁温下降了29.17℃，其总体的趋势是降低的，中压缸入口处上半内壁温则出现波动，但总的趋势变化不大， 高压缸排汽口外缸外壁温度下降了l7.84℃，其总的变化趋势仍然是下降。当切换为顺序阀时，上述变化趋势又反过来，中压缸入口处上半内壁温总的趋势仍然是保持不变。

    2.4 汽温的变化

    （1）阀切换过程和切换后，主、再热蒸汽的参数基本保持不变，高压缸排汽温变化比较大，趋势见图5。
    （2）从图5看到，单阀运行高压缸排汽温度较高，当切换为顺序阀调节后，温度下降，切换前温度为326.4℃，转为顺阀调节后，下降为308.2℃，下降l8.2℃，反之，温度上升，上升值为14.4℃。排汽温度的下降，使排汽焓降低，意味着顺序阀运行时蒸汽在高压缸内的作功增加，高压缸相对内效率提高，由于再热参数相同，焓值相等，通过再热器吸收的热量增加。实际上，由于单阀运行蒸汽在高压缸内少作的有效功而转变成的热量，等于因高压缸排汽焓升高，蒸汽在再热器中少吸收的热，但即使假定两者热量绝对相等，因少吸收的热，无法转换成同样的功，所以两种配汽方式相差一高压缸的相对内效率，它们的循环热效率不同，这是顺阀运行热效率较高的一个原因。

    2.5 振动特性

    （1）阀切换过程及之后，轴承瓦振和轴振的变化趋势见图6~7。

    （2）从图6~7看到，当由单阀切换为顺阀运行后，机组轴承瓦振均表现为一个上升趋势，1~4号瓦垂直瓦振从切换前的2.51μm、7.67μm、14.80 μm和l6.86μm，经800min后，分别上升至3.9Oμm、9.44μm、17.30μm和l9.02μm，但上升的幅度均不算大；至于轴振，1~2号瓦X方向的轴振从切换前的47.89μm和26.99μm经800min后，分别上升至59.O5μm和35.53μm，而3~4号瓦X方向的轴振却从切换前的5O.O3μm和41.O9μm下降为44.43μm和l9.02μm。从顺阀方式切为单阀方式运行，振动趋势变化特性与上述相反，1~2号瓦X方向的轴振从切换前的63.27μm和38.16μm经768min后，分别下降至49.O3μm和25.16μm，而3~4号瓦X方向的轴振从切换前的46.43μm和35.84μm上升为48.11μm和41.36μm。瓦振不再给出具体数据。

    （3）机组喷嘴组共4组，排列的顺序为从机头往发电机方向看，左上和右下方为1、2号喷嘴组，左下方为3号，而右上方为4号。由于阀切换后，调门开度的改变，汽缸受力特性亦不一样，轴承负荷重新分配，导致振动特性变化。东汽厂300MW机组在顺序阀方式运行时，l号瓦X/Y方向尤其是Y方向的振动均较大，如安顺电厂2号机300MW机组因此只能带250MW负荷，在湛江电厂4号机300MW机组（凸轮配汽）亦出现同样的问题，解决的方法是将3、4号调门互换， 即顺阀方式运行，当1、2号调门接近全开时，4号调门先开，再开3号调门。有的机组干脆直接将3号调门称作4号调门。类似的问题在华能汕头电厂俄制K-300-170-3型机组上亦存在，采取互换3、4号调门的方法得以成功解决。由于3、4号调门控制的喷嘴数和布置方向并不同，3号为3O个，4号为27个，因此而带来的如阀门提升力、流量特性和配汽机构重叠度等一系列问题已引起厂家和各研究机构的关注。本机基于以上实践经验，在机组试验前，已将3、4号调门互换。整个切换过程中，机组的振动特性良好。

    2.6 调节系统方面

    单阀模式由于4个调门同时开启，好象一个阀门一样，就由4个阀门组成的总阀门而言，对于转速控制，流量特性不如顺阀模式。因而，当主蒸汽压力大于1O.0MPa，且阀位设定值REF小于O.5%，机组将强迫顺序阀运行。实践表明，通过优化的PID参数设定，滑参数启机过程，单阀模式对转速的控制亦比较理想。在一些高参数汽机空转的情况下，如甩负荷后，若主蒸汽压力大于lO.OMPa，为使转速易于控制，DEH可能会自动切换到顺序阀方式运行。

    2.7 机组其它参数的比较

    阀切换过程及之后，机组的轴向位移、各轴承的回油温度、金属温度、高、中压缸绝对膨胀、凝汽器真空、汽缸壁上下缸温差、缸壁内外温差和法兰内外壁温差等，均无显著变化，在这些参数上，两者相差不大。

    3 结束语

    工作于不同阀门配汽方式下，由于各阀门开启的特性不同，对机组各参数产生不同影响。与顺序模式相比，调节系统单阀模式运行使高、中压缸保持较高的温度水平，转子与汽缸的膨胀更趋于一致，而由于再热参数相同，两者低压缸的温度水平差别不大，对低压缸胀差的影响不大；单阀运行使高、中压缸排汽温度较高，相应排汽焓值高，高、中压缸相对效率较低；由于进汽方式的改变，对高、中压缸轴承的振动有较大影响，相应地影响了低压缸轴承的振动情况。由于配汽特性的不同，不仅改变了调节系统的一些特性，对机组其他参数的影响亦应引起关注。

    汽机负荷的调节，除了调节系统配汽特性以外，还有与汽压有关的滑压和定压两种模式，不同组合对汽机本身、锅炉、热力系统和调节系统方面均有较大差别。应根据实际情况，采取不同的负荷变动方式，在保证机组安全运行的同时，取得最佳的经济性，并较好地适应负荷变化。

    目前可变阀门管理方式，在顺阀方式工作时，对阀门重叠度可变的研究和优势的利用方面还略显欠缺，应当注意到，配汽机构的目的是取得合理的流量特性，它应当是线性和连续稳定的。应利用可变的重叠度，对机组调节性能和经济性作进一步研究。