專利名稱：：一種汽輪機的噴嘴配汽方法
技術領域：
：本發明涉及汽輪機領域，尤其涉及一種汽輪機的噴嘴配汽方法。
背景技術：
：高參數大功率汽輪機主要有節流配汽和噴嘴配汽兩種配汽方式。節流配汽是指所有調節閥同步動作，開度相同，等效于一個調節閥工作，機組在偏離設計工況運行時，調節閥存在嚴重的節流損失，降低了機組運行的經濟性。噴嘴配汽也稱為順序閥配汽，該配汽方式下多個調節闊依次開啟，一個閥門開啟后(存在一定重疊度)后面一個閥門開始開啟，部分負荷工況僅在開啟的閥門存在節流現象，其余調節閥或完全開啟或完全關閉，其經濟性高于節流配汽方式，因而得到普遍應用。隨著超臨界、超超臨界技術的應用，機組轉子相對變輕，而噴嘴配汽時作用在轉子上的汽流力增加，巨大的不對稱汽流力使得軸系的穩定性降低、振動加大、瓦溫升高，有些機組噴嘴配汽甚至無法投入，嚴重威脅機組的安全運行和經濟運行。
發明內容本發明的目的在于提供一種汽輪機噴嘴配汽方法，它能夠極大提高噴嘴配汽時的軸系穩定性，解決噴嘴配汽時機組軸系穩定性的惡化問題，降低噴嘴配汽時軸承的振動幅值和軸承瓦溫，提高機組的運行效率和安全性。為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現一種汽輪機的配汽方法，沿汽輪機的軸向觀察，其轉子順時針方向旋轉時，所述汽輪機徑向分布有左下方蒸氣室、左上方蒸氣室、右上方蒸氣室、右下方蒸氣室，以及與各蒸氣室相對應連通的左下方調節閥、左上方調節閥、右上方調節閥、右下方調節閥，其特征在于，當汽輪機負荷增大時，先同時開大左下方調節閥和右上方調節閥的開度，再依次開大右下方調節閥和左上方調節闊的開度;當汽輪機負荷減小時，先關小左上方調節閥，再關小右下方調節閥，然后同時關小左下方調節閥和右上方調節閥的開度；最后，通過上述方式逐漸調節調節閥開度，直到汽輪機負荷穩定。本發明的進一步改進在于當汽輪機運行時，優先同時同開度調整左下方調節閥和右上方調節閥，直到開度最大。本發明的優點是，基于現有設備硬件，無需費用高昂的硬件設備改造，僅在控制邏輯中修改閥門開啟的順序設置，即可提高機組的運行效率和安全性。圖1為大功率汽輪機調節級前配汽機構示意圖；圖2為圖1的A-A側向剖視圖；圖3為汽輪機工質流動示意圖4為傳統配汽方法下調節級內產生的橫向氣流力和彎矩分析示意圖；圖5為傳統配汽方法下調節級內產生的橫向氣流力和彎矩變化示意圖；圖6為不同配汽方法(1、2、3、4、節流配汽)下的軸系穩定性示意圖；圖7為不同配汽方法(5、6、7、8、節流配汽)下的軸系穩定性示意圖；圖8為不同配汽方法(9、10、11、12、節流配汽)下的軸系穩定性示意圖9為不同配汽方法(4、5、9、11、節流配汽)下的軸系穩定性示意圖IO為本發明的配汽方法下瓦溫變化示意圖；圖11為本發明的配汽方法下軸振變化示意圖；圖中標號說明如下1、左下方調節閥；2、左上方蒸汽室；3、左上方調節閥；4、右上方蒸汽室；5、右上方調節閥；6、右下方調節閥；7、右下方蒸汽室；8、左下方蒸汽室；9、連接通道；10、噴嘴葉柵；11、動葉柵；12、轉子葉輪；13、軸氣封；圖中符號說明如下Flu——大開度調節閥對應弧段周向氣流力；&—一小開度調節閥對應弧段周向氣流力；《。——大開度調節閥對應弧段軸向氣流力；F2。——小開度調節閥對應弧段軸向氣流力；&——不平衡橫向氣流力；&——不平衡橫向彎矩；G——流量；SM——穩定性域度；T——瓦溫；1#T1——前軸承軸瓦1號傳感器溫度；1#T2——前軸承軸瓦2號傳感器溫度；2#T1——后軸承軸瓦1號傳感器溫度；2#T2——后軸承軸瓦2號傳感器溫度；V——軸振；l#Vx——前軸承X方向軸振；l#Vy——前軸承Y方向軸振；2#Vx——后軸承X方向軸振；2#Vy——后軸承Y方向軸振。具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步的詳細說明。參照圖1、圖2、圖3，典型的大功率汽輪機有四個調節閥，從汽輪機的軸向觀察，其轉子順時針方向旋轉時，分別為左上方調節閥3，右上方調節閥5，左下方調節閥l,右上方調節閥6，由鍋爐出來的高溫高壓蒸汽經過四個調節閥，進入汽輪機。左上方調節閥3、右上方調節閥5、左下方調節閥l、右下方調節閥6分別通過四條通道9連接到相應四個環形蒸汽室，即左上方蒸汽室2、右上方蒸汽室4、左下方蒸汽室8、右下方蒸汽室7，每個蒸汽室的出口都安裝著一組噴嘴葉柵IO，進入蒸汽室的蒸汽通過噴嘴葉柵10，降低壓力提高速度并改變了流動方向，沖擊到安裝在轉子葉輪上的動葉柵11上，推動轉子葉輪轉動。在常規的噴嘴配汽方式下，為了降低熱應力，先同時開啟兩個相鄰的調節閥(如左上方調節閥3、右上方調節閥5),這樣只有對應的兩個蒸汽室(左上方蒸汽室2、右上方蒸汽室4)有蒸汽流過，對應的噴嘴葉柵只占半個環面，因此調節級內，推動轉子葉輪轉動的力也只存在于半個環面，這樣蒸汽的作用力除了形成推動轉子轉動的力外還會合成一個不平衡的橫向汽流力。該汽流力很大，會改變轉子軸承系統兩端軸承載荷的大小和方向，影響軸系的穩定性。隨著負荷的增加，兩個調節閥(左上方調節閥3、右上方調節閥5)逐漸全開，調節級內的不平衡汽流力達到最大。負荷進一步增大時，左下方調節閥l開始開啟，直至全開。負荷再增加，最后右下方調節閥6開啟。當四個調節閥均全開時，高溫高壓蒸汽均勻通過四個調節閥進入四個蒸汽室(2、4、8、7)，并經靜葉柵10改變壓力和速度，沖擊到動葉柵形成周向均勻的推力，推動轉子葉輪旋轉。此時調節級噴嘴葉柵出口汽流均勻，蒸汽的作用力除推動轉子轉動外，其余作用互相抵消，對轉子系統的穩定性影響最小。在負荷波動過程中，噴嘴配汽，相鄰兩個閥門同時調節，使得轉子系統承受很大的不平衡汽流力，該汽流力導致軸系穩定性惡化，振動幅值加大瓦溫升高。本發明對噴嘴配汽的配汽方法進行改進，在低負荷時先開啟處于對角位置的左下方調節閥l、右上方調節閥5，與之連通的左下方蒸汽室8、右上方蒸汽室4有等量的蒸汽進入，此時左上方蒸汽室2、右下方蒸汽室7沒有蒸汽進入，經過噴嘴葉柵10的蒸汽汽流呈現軸對稱分布，蒸汽的作用力除推動轉子旋轉外其余作用相互抵消，對轉子穩定性幾乎不產生影響。當負荷增大時，同時開啟左下方調節閥1、右上方調節閥5開度達到全開位置后，再開啟處于右下方調節閥6，負荷進一步增加時，最后開啟左上方調節闊3，直至四個閥門全開。當負荷減小時，先關閉左上方調節閥3，負荷繼續降低則關閉右下方調節閥6，最后同時關閉左下方調節閥1和右上方調節閥5，直到關閉停機。發明人在實踐中發現滿負荷時，噴嘴配汽穩定性較好；部分負荷時節流配汽的穩定性較好；當部分負荷時，配汽方式由節流配汽切換為噴嘴配汽時，往往軸振增大，瓦溫升高，穩定性惡化。發明人經過認真分析和研究，部分負荷下噴嘴配汽與節流配汽的主要區別在于，噴嘴配汽時，調節級因不同噴嘴組對應的調節閥開度不同，使得蒸汽氣流沿周向不均勻，氣流在形成推動轉子轉動的氣流力外還會產生一個徑向的不平衡氣流力(橫向氣流力)和橫向彎矩。如附圖4所示，上半個弧段對應的調節閥開度較大，對葉片的作用力較大，下半個弧段對應的調節閥開度較小，對葉片的作用力較小，其合力會形成一個不平衡橫向氣流力F,和一個不平衡橫向彎矩Tl。該橫向氣流力和彎矩會影響轉子在支撐軸承上的載荷大小和不同軸承上的載荷分配，從而對軸承的動態特性產生影響，最終影響到軸系的穩定性。噴嘴配汽時軸系穩定性惡化的問題是氣流激振問題，屬于氣動彈性力學范疇，其振動激勵是由氣流的流動產生的，因此對轉子振動穩定性的求解必須先求解對軸系產生作用力的蒸汽流場。除調節級外，其它透平級可以認為氣流沿周向均勻，不會產生影響軸系穩定性的不平衡氣流力，因此流動的求解僅需在調節級內進行。由于部分負荷時，調節級內的蒸汽流動沿周向不均勻，且調節級動葉片高度與調節級靜葉片相差較多，很多大功率機組中兩高度甚至相差超過20%，因此氣流沿徑向的流動變化也不能忽略，所以對噴嘴配汽條件下調節級內流動的分析只能是全三維的，基于二維層面的定量分析是沒有太大意義的，而由于計算條件的限制，目前國內外關于調節級部分進汽條件下的分析研究基本都分析的是非全周模型或采用二維模型。目前應用廣泛的流動數值分析方法中，最為先進和完善的是采用二階全隱式有限體積(或有限元)方法，求解完整的N-S方程，并加入合適的紊流方程，同時求解溫度、壓力和速度場。但這樣的分析方法對于全周調節級內部這樣復雜的流場進行全三維分析在現階段幾乎是不可能的，這也是目前國內外的研究都沒有進行大功率機組調節級全三維數值模擬的原因。由于本發明涉及的內容主要是轉動軸系的受力，而非流動細節和流動效率，且同一噴嘴組內的葉片周圍的流動具有高度的相似性，因此發明人采用有限體積方法，對每一個噴嘴組內的一片動葉片周圍的全三維流場求解完整的N-S流動方程，采用先進的SST紊流模型(該模型集合了工程領域應用最廣泛的兩種紊流模型的優點)，二階全隱式迭代，同時求解溫度場、壓力場和速度場的分布，得到該動葉上受到的氣流力。然后采用坐標旋轉的方法，得到同一噴嘴組對應的其它動葉片上受到的氣流力。這樣，只需在每個噴嘴組內的一個流道進行上述的流動數值模擬，即可矢量合成為軸系所受氣流力。目前國內外關于調節級內不均勻流動的分析主要集中于200MW以下的機組或小型實驗透平，本發明采用上述方法對一600MW亞臨界大功率機組的調節級內流場進行了分析求解，得到給定配汽方法下不同負荷工況的軸系所受橫向氣流力和橫向彎矩，如附圖5所示。從該圖中可以看出，隨著流量(負荷)的變化，橫向氣流力和橫向彎矩不斷發生變化，因此單個工況的穩定性分析不能反映該配汽方法下軸系的穩定性，必須對日常可能存在的工作負荷范圍進行全面的穩定性分析。為分析不平衡氣流力作用下汽輪機轉子系統的穩定性，本發明利用汽輪機高壓轉子的轉子軸承有限元分析模型，根據閥門開啟順序的排列組合，對包括節流配汽在內的全部共13種閥門開啟順序(為了較低負荷下降低氣缸和透平部件的熱應力，仍采用先同時開啟兩個閥門的方案，不同的順序閥配汽方法共12種，如下表l所示)進行了運行負荷范圍的穩定性分析，得到穩定域度的分布，如附圖6、7、8、9所示。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從圖6、7、8、9中可以看出，節流配汽的穩定性最好，但是節流配汽損失較大，不利于長期運行的提高效率節能降耗。12種噴嘴配汽方法中，9-12的對角閥門進汽結構由于對角閥門開度相同，產生的橫向氣流力基本抵消，因此在低負荷下具有很好的穩定性，但當左上方調節閥開啟以后，再次出現進汽的不均勻，使得穩定性發生惡化。國內也有文章提出過對角進汽的配汽方式，但未進行系統完善的理論分析，且并非所有的對角閥門進汽方式的穩定性都優于相鄰閥門的穩定性。如圖9中配汽方法11在較大負荷時穩定性惡化顯著，與相鄰閥門進汽的配汽方法5相比穩定性差。僅調節闊開啟順序為1，5-6-3的配汽方法9在大部分運行工況具有最好的穩定性。發明人在寧海電廠的大功率汽輪發電機組上進行了實驗，該機組在變更配汽方法之前，從節流配汽切換為噴嘴配汽時，軸振大幅增大，瓦溫顯著升高，很快超過報警界限，無法在噴嘴配汽條件下運行。采用本發明后，實驗結果如圖10和圖11所示。從圖中的軸振和瓦溫的實驗結果可以看出，與節流配汽相比，新的噴嘴配汽方法的軸振和瓦溫較節流配汽變化不大，在安全的范圍內，大幅提高了部分負荷下的運行經濟性，每度電的煤耗最多下降超過4g標準煤。發明人還將該配汽方法在國華電力超過20臺同類大功率機組上進行實驗，使得不能切換為噴嘴配汽的機組成功實現了噴嘴配汽，原來可以實現噴嘴配汽運行的機組軸系穩定性也普遍提高。權利要求1、一種汽輪機的噴嘴配汽方法，從汽輪機的軸向觀察，其轉子順時針方向旋轉時，所述汽輪機徑向分布有左下方蒸氣室、左上方蒸氣室、右上方蒸氣室、右下方蒸氣室，以及與各蒸氣室相對應連通的左下方調節閥、左上方調節閥、右上方調節閥、右下方調節閥，其特征在于，當汽輪機負荷增大時，先同時開大左下方調節閥和右上方調節閥的開度，再依次開大右下方調節閥和左上方調節閥的開度；當汽輪機負荷減小時，先關小左上方調節閥，再關小右下方調節閥，然后同時關小左下方調節閥和右上方調節閥的開度；最后，通過上述方式逐漸調節調節閥開度，直到汽輪機負荷穩定。2、根據權利要求1所述的一種汽輪機的噴嘴配汽方法，其特征在于，當汽輪機運行時，優先同時同開度調整左下方調節閥和右上方調節閥，直到開度最大。全文摘要本發明涉及汽輪機領域，尤其公開了一種汽輪機的配汽方法，首先從汽輪機的軸向觀察，其轉子順時針方向旋轉時，所述汽輪機徑向分布有左下方蒸氣室、左上方蒸氣室、右上方蒸氣室、右下方蒸氣室，以及與各蒸氣室相對應連通的左下方調節閥、左上方調節閥、右上方調節閥、右下方調節閥，其特征在于，當汽輪機負荷增大時，先同時開大左下方調節閥和右上方調節閥的開度，再依次開大右下方調節閥和左上方調節閥的開度；當汽輪機負荷減小時，先關小左上方調節閥，再關小右下方調節閥，然后同時關小左下方調節閥和右上方調節閥的開度；最后，通過上述方式逐漸調節調節閥開度，直到汽輪機負荷穩定。文檔編號F01D17/14GK101307698SQ20081015016公開日2008年11月19日申請日期2008年6月27日優先權日2008年6月27日發明者張俊杰,徐亞濤,戴義平,王志強,王江峰,林高申請人:西安交通大學