汽轮机调节阀中蒸汽流量的计算

    汽轮机主蒸汽流量的计算是汽轮机变工况分析中的重要环节，计算方法有多种，比较典型有使用汽轮机调节级参数、主凝结水流量、汽轮机级间参数等，在此基础上，再辅以必要的修正或采用现代数学手段处理，即可得到较为精确的主蒸汽流量。该流量是通过汽轮机总的主蒸汽流量，对于有些场合，比如要分析具体每个调节阀的特性，仅确定总蒸汽流量是不够的，还需要得到通过汽轮机每个调节阀的蒸汽流量。

    大型汽轮机一般有单阀和顺序阀两种配汽方式，如果各调节阀及其相对应的喷嘴组完全相同，在不考虑汽门布置、阀门内不均匀流场等因素影响的情况下，单阀配汽时，通过汽轮机各调节阀的流量是相同的，总的蒸汽流量平均分配到各个调节阀。

    顺序阀配汽时，由于各调节阀的开度不同，通过各调节阀的蒸汽流量也就不完全相同，总蒸汽流量在各调节阀中的分配要比单阀方式复杂得多。多数情况下，在负荷变化时，顺序阀配汽的汽轮机只有一个调节阀的开度处于不断变化状态，其他调节阀基本全开。调节阀开度变化时，通过它的蒸汽流量必然会发生变化，总的蒸汽流量也就发生变化，这会影响到汽轮机调节级后的蒸汽压力，从而使得通过处于全开状态调节阀的蒸汽流量也发生变化，这给确定顺序阀配汽方式下通过各调节阀的蒸汽流量带来一定困难。寻求一种简单、实用、又有一定精度的计算方法显得很有必要。

    1 汽轮机主蒸汽流量的计算方法

    使用主蒸汽流量G与调节级压力p_e成正比、与主蒸汽压力成反比来计算主蒸汽流量，如果保持主蒸汽压力不变，上述方法即可表示为：

        （1）

    汽轮机主蒸汽流量可用相对值表征，其比较的标准所要求的机组状态就是额定负荷、所有调节阀全开，因此式（1）中下角标“0”用来表示上述状态下的各参数的值，下角标e表示该参数为调节级级后参数，下同。

    很明显，式（1）忽略了调节级温度Te变化对主蒸汽流量的影响，实际应用中会产生较大误差，一般采用下式：

        （2）

    式（2）考虑到了调节级温度变化对流量的影响，对式（1）作了一定程度的改进。

    调节级无疑属于汽轮机高压级段，使用式（2）计算配汽函数中的主蒸汽流量时也会产生上述偏差，为了提高计算精度，使用p与υ代替T，进一步改进式（2）得到：

        （3）

    式（3）中的各参数均很容易获得，因此较为方便。

    使用式（3）对汽轮机实际的主蒸汽流量进行了对比计算，结论是：在滑压工况下，式（3）计算误差小于0.5%，在定压工况下，由于喷嘴配汽时调节级存在部分进汽度，计算结果误差可超过1%，但精度比式（2）有较大幅度提高。

    2 级的变工况计算方法

    在认可渐缩喷嘴的出口压力与流量呈椭圆关系的基础上，忽略蒸汽质量体积与反动度变化的影响，得到：

        （4）

    式（4）中：p₀表示级前压力；p₂表示级后压力；T₀表示级前温度；ε_nc表示级的临界压比；右下角多加一角标“1”均表示变工况参数，下同。

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    式（4）用于只有一个级构成的级组的变工况计算时，其误差也仅有0.7%，精度很高。级的压比ε_n=p₂/p₁，对式（4）稍作变形可得：

        （5）

    很显然，如果知道级的临界压比，在已确定标准工况的情况下就可以对确定变工况通过级的蒸汽流量。级的临界压比可以通过设计数据或试验的方式获得。

    3 各调节阀蒸汽流量计算

    大型汽轮机多数采用喷嘴配汽，每个调节阀对应一个调节级喷嘴组，通过调节阀与相应调节级喷嘴组的蒸汽流量相同，因此可通过计算调节级喷嘴组的蒸汽流量得到调节阀的蒸汽流量。

    通过调节级的总蒸汽流量G_a由两部分组成：一是通过全开调节阀的蒸汽流量G_b，二是通过半开状态调节阀的蒸汽流量G_c，有：

        （6）   

    如前所述，G_c的变化会对G_b产生影响。将处于全开状态的调节阀后的调节级为研究对象，在半开状态调节阀开度改变时，式（5）可用于计算通过全开状态的调节阀后调节级的蒸汽流量变化。

    因此，通过调节级各喷嘴组的蒸汽流量可采用以下步骤计算：（1）在由式（2）或式（3）计算得到G_a；（2）由式（5）计算得到Gb；（3）由式（6）计算得到G_c；（4）按通过流量与喷嘴组的通流面积成正比将G_b分配到各全开调节阀。

    4 应用实例

    某汽轮机为300MW、亚临界、中间再热、高中压合缸、双缸双排汽、单轴、凝汽式汽轮机，型号为N300－17/537/537。该汽轮机共有6只调节阀，采用喷嘴配汽，每只调节阀所对应的喷嘴数均相同。经计算，确定调节级的临界压比为0.512。顺序阀方式运行时，各调节阀（图1中简称“GV”，下同）的开度与流量指令的关系见图1。

图1 顺序阀方式下调节阀开度    

    试验确认，该汽轮机额定负荷、各调节阀全开时，主蒸汽压力为15.2MPa，主蒸汽温度为536℃，调节级后压力为12.2MPa，调节级后温度为486℃。以上面工况为标准工况，主蒸汽流量记为100%，通过上述方法计算可得顺序阀方式运行时，不同调节阀开度下，通过各调节阀的蒸汽流量见图2。

图2 顺序阀方式下调节阀蒸汽流量变化

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    在顺序阀方式下，调节阀GV2首先从全开状态逐渐关小，通过它的蒸汽流量沿图2中GV2线变小，通过其他5只全开状态的调节阀的蒸汽流量沿AB线逐渐增加，到B点时，GV2全关，GV1开始关小，通过它的蒸汽流量沿图2中GV1线变小，通过其他4只全开状态的调节阀的蒸汽流量沿BC线逐渐增加，到C点时GV1全关，GV4开始关小，以下过程与上述类似。在GV5关小过程中，GV3、GV6已达到临界状态，主蒸汽压力不变时，通过它们的蒸汽流量也就不再发生变化，表现在图2中基本是一段直线。

    在每个工况下，如果以当时汽轮机总主蒸汽流量为比较基准，记为100%，则通过各调节阀的蒸汽流量相对值见图3，以相对值表示的调节级流量可方便地应用于调节级后蒸汽混合焓计算等情况。

图3 顺序阀方式下调节阀蒸汽流量相对值

    5 结语

    使用调节级后压力计算汽轮机主蒸汽流量时，要同时考虑调节级后温度的变化，如果使用汽轮机排汽压力与质量体积替代温度，则可以提高计算的精度。以全开调节阀后和各喷嘴组为研究对象，级的变工况计算公式可以应用于调节级的变工况计算，通过半开状态调节阀的蒸汽流量也可以随之确定。实例计算结果表明：顺序阀方式下，当汽轮机一只调节阀逐渐关小时，通过其他全开调节阀的绝对蒸汽流量逐渐增加，达到临界状态后，通过的绝对蒸汽流量不再变化。从图3看，上述过程中，通过全开调节阀的相对蒸汽流量基本呈线性增加的。

    需要指出的是，本文提供的这种汽轮机主蒸汽流量在各调节阀中的分配计算方法是基于主蒸汽流量等于通过调节级的蒸汽流量这一前提的，这会增加计算误差，在计算时不考虑各调节阀之间存在重叠度的情况。因此，这种计算方法适合应用于对计算精度要求不十分严格情况，尤其适合按相对值进行计算的场合。