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论联合循环汽轮机的设计 |
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| 论联合循环汽轮机的设计 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-26 19:51:12  |
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摘要： 本文在讨论联合循环汽轮机的设计中各个部分的基础上，详细介绍 了南汽厂联合循环汽轮机的设计特点。特别是针对联合循环对汽轮机的要求对汽轮机每一部 分的设计给出较好的解决方法。
前言
自八十年代末燃油及燃气联合循环电站快速发展，由于它快速启动等优越性并越 来越多承担调峰运行，这对联合循环中汽轮机提出许多新的要求，这种要求主要体现在以下 几方面：(1)由于燃气轮机启动很快，相应要求汽轮机也能快速启动，(2)为了提高整个循环 的效率，要求汽轮机能够滑压运行。(3)根据燃机、余热锅炉及汽机启动时间的不同步，要 求汽轮机热力系统能够带有旁路系统。(4)燃气轮机多以进口机组或按国外技术生产(南汽与 GE公司合作生产)，其控制系统为数字电液控制系统，为了整个电厂控制水平一致，要求汽 轮机也能采用数字电液控制系统。
我厂根据以上要求在对联合循环用汽轮机的设计中对原有机组进行了大量新设计。并取得成 功，到目前为止已先后设计生产不同型号规格的联合循环汽轮机19套，并投入运行。下面对 上面的要求在汽轮机设计中所涉及的重点进行介绍：
1 汽轮机的通流及本体部分设计
联合循环电站中汽轮机实际上是利用余热发电。即燃气轮机的排烟通过余热锅炉把凝结水加 热加压成汽机运行所需参数的蒸汽，进入汽轮机做功通过发电机转化为电能(图1为联合循环电站流程示意图)。
在联合循环中汽轮机的出力直接影响到整个循环的效率。在燃机功率一定的情况下，最大限度提高汽轮机的出力就能得到最高的循环效率。在其它 条件不变的情况下，汽轮机的出力主要取决于进入汽轮机的蒸汽参数及汽轮机的内效率。进 汽温度决定于燃机的功率。一般不会有大的变化，但进汽压力可以通过调节汽阀进行调节。
汽轮机的功率：
Nc=G·Hag·ηT=G·CP·T[1-(P1/ P2 )(K-1/ K) ]·ηT
其中： NSTG：汽轮机功率
G：蒸汽流量
Hag：蒸汽绝热焓降
Cp：蒸汽比热
T：蒸汽初温
P1：排汽压力
P2：进汽压力
K：绝热指数
ηT：蒸汽轮机效率
提高进汽压力使单位蒸汽量的作功能力增加，由于受燃气轮机排烟 温度及排烟量的限制，余热锅炉的产汽量将因蒸汽压力提高而减少，因而最大的汽轮机出力 N取决于蒸汽充量和进汽压力间的最佳匹配。
也即汽轮机滑压运行时汽轮机效率最高。为了汽轮机适应滑压运行，汽轮机的通流必须为之 新设计，通流部分级数增加，使〖HT5，7〗火〖KG-*4〗含 降分配更加合理。最大可 能地提高级效率乃至整机效率，变工况时，由于是滑压运行，热力过程线在〖HT5，7〗火〖 KG-*4〗含 -〖HT5，7〗火〖KG-*4〗商 图上向右移，末级所处的蒸汽湿度明 显减少，运行更加安全。
同时为提高汽轮机本身的内效率，汽机内部通流也必须采用新技术后汽轮机内效率可提高4% 。
为了提高整个循环的效率，汽轮机在联合循环运行中快速启动是必须的，为了满足汽轮机的 快速启动，汽轮机的通流及本体部分也较常规电站进行了大量的改进设计工作。汽轮机所有 压力级均为全周进汽，汽缸体受热均匀。由于联合循环汽轮机大多无回热抽汽，因此，缸体 结构上下对称均匀，也有利于快速启动。轴封系统采用迷宫式，所有汽封环均采用铜材制成 。为了给汽轮机快速启动创造条件，同时也增加运行的安全性，对汽轮机疏水系统作重点考 虑，尤其是低压部分，设计了机内疏水和机外疏水相结合的系统，确保疏水畅通。
2 汽轮机的配汽的设计
联合循环汽轮机为了快速启动，而且能够在滑压方式下运行，要求汽轮机斩配汽能够满足这 样的要求。常规中小汽轮机采用喷嘴配汽。这种配汽方式在空载和低负荷时只有部分进汽度 ，这种情况对汽机暖机不利，特别在快速启动时尤为明显，为此在设计配 时，采用全部喷 嘴同时进汽的控制方式，使汽轮机进汽部分始终处于均匀受热状态，这样就能满足在整个启 动过程，及低负荷时能够保证汽楞进汽均匀，以利于汽机快速启动特别在汽机利用调节汽阀 自动升速启动时。同时这也为汽机自动启动奠定了基础。
3 冷凝器的设计
联合循环电站在运行时多为调峰运行。这就需要机组频繁启停。在启动时一般燃机首先启动 ，接着余热锅炉投入启动，当锅炉压力达到一定值时汽机才能投入启动，由于汽机结构、强 充等原因汽机启动比较慢，在冷态时更如此，由于汽机启动时耗汽量较小，余热锅炉产生的 蒸汽，除少部分进入汽轮机冲转外，其余部分若不回收，将对空排放，势必造成能源浪费同 时产生很大的噪声，不符合环保要求。因此，系统通常均设有旁路系统，回收多余蒸汽在电 站汽思想内容热力系统设计时一般采用在汽机主汽门前加装一套旁路系统，通过一级减温减 压阀，然后再通入冷凝器，由于一级减温减压之后蒸汽参数仍然较高，为此在设计冷凝器时 在其喉部设计一个二级减温压装置 ，将一级减温减压后的蒸汽再次减温减城市后排入冷凝 器。由于有了旁路系统，汽轮机滑参数启动更加方便可行，并使得整个联合循环电站启动时 间大大缩短。
同时考虑联合循环电站运行时，污机故障停机，而这时燃机、余热锅炉仍然在运行，一般要 求蒸汽排入冷凝器。从热力角度，常规冷凝器将不满足要求，主要是冷却面积不够，所以联 合循环汽轮机用冷凝器的冷却面积要根据汽机旁路的设计容量确定，在要求100%路容量时， 设计的冷凝器体积较常规的要大得多，这将增加制造成本，和用户成本。为此地冷凝器设坟 时采用了具有较高冷却效果的螺纹管，当量冷却面积提高20%以上，这样冷凝器的整体体积 将减小。
4 控制系统的设计
目前在所有联合循环电站中基本上都采用DCS系统，过去常规液压控 制系统，已不能满足要 求。这此设计数字电液调节系统(简称DEH)用于联合循环汽轮机。DEH系统对联合循环中汽机 特殊要求的运行方式能较满意的解决，它能实现升速(手动或自动)，配合并负荷控制阀位控 制或功频控制)和进汽压力自动控制及低汽压限制，可与DCS通调，控制参数在线调整和超速 保护功能等。能使汽轮机适应各种工况并长期安全运行。下面对其构成和功能进行详细介绍 ： 4.1DEH系统构成
DEH装置核心部分，主要采用美国WOODWORD公司煺字控制器505，另外系统中配有相应的阀位 控制器、伺服扩行机构(主要包括电液驱动器、油动机—、测速传感器、阀位传感器、功率 传感器及压力变送器。图2为联合循环汽机控制系统示意图。
4.2 DEH系统功能
汽轮机采用由数边防式电液控制系统(DEH系统)实现的纯电调控制方式，并网前对汽轮机进 行转速控制，并网后对汽轮机进行负荷控制。
DEH系统的基本自动控制功能是汽轮机的转速控制和负荷(热电负荷)控制功能。同时它也具 有其他辅助功能。
4.2.1 启动升速及转速控制和保护
可以选择自动，手动，半自动三种启动方式之一，这三种方式的切换只有在停机后在控制器 程序组态中改变来实现：在DEH控制下可进行电超速保护试验，机械超速保护试验。具有 超速保护(109%)功能。
在DEH控制过程中当机组转速超速时，升速后测量转速丢失，输出至阀位控制器信号断路时5 05控制器保护停机。外辊热工保护信号停机时，若接至505也可停机。
4.2.2 同步及自动初负荷控制
机组定速后，可对运行人员通运手动或“自动准同其”装置发出的增减信号调整机组转速以 便并网。机组并网后，DEH立即自动使机组带一上定的初始负荷以防止机组逆功率运行(只在 功频控制时)，在采用阀位控制进建议不使用初负荷以利于滑参数汽机时在额定初终参数停 机时可以把负荷减完。
4.2.3负荷、进汽压力控制及甩负荷
DEH系统能在汽轮发电机并入电网后实现汽轮发电机从接带初始负荷直到带满目标负荷的自 动控制，并能根据电网要求，参与一次调频。
系统具备开环和闭环两种控制方工去改变或维持汽轮发电机的负荷。
开环控制根据转速给定值及频差信号确定阀门的开度指令。该种方式即阀位控制方式。在采 用阀位控制模式时可以组态辅助控制为低汽压限制。在这种情况下可以满足滑压 行，在网 后加转变速设定开大调节汽门，进汽压力随之下降。当压力滑至限制值时不再下降 ，限制 调门开度(辅助控制与转速控 制为低选)。若需要定压运行可投入串级控制控制系统根据串 级设定控 制调门前进汽压力为定值。
闭环控制则以汽轮发电机的实发功率(或汽轮机的调节级压力)作为反馈信号进行负荷自动调 节。该种方式即为功频控制方式。
当机组甩负荷时控制器立即切换到转速控制方式并切除功率和进汽压力控制。维持汽轮机在 同步转速下空转具体转速可在服务模式中设定)，以便汽机能迅速重新并网。
4.2.4 操作及通调
所有控制指令可以通过控制器本身键盘、触点、遥控或通讯方式。控制器配备有RS-232，RS -422，RS-485三种通调接口供用户选择与DCS通讯。通调协议采用MODBUS协议。硬接线开关 量采用干接点，模拟量采用4-20mA。
控制器有两种操作模式：程序模式和运行模式，程序模式用于组态控制器的功能以适合具体 的控制要求，程序模式一旦组态且后不再改变，直至需要改变控制功能时。运行模式主要用 于操作汽轮机启动正常运行至停机整个控制过程。根据用户需要通过编程组态满足现场控制 使用要求。
4.2.5 自诊断及系统保护
每次启动前，DEH控制器可以自诊断控制器组态接线及诊断控制器组态，接线及内部硬件是 否正常。可以运行过程中控制参数在线进行故障诊断并给出报警指示。
当机组超速或程序组态中需要保护项目处于保护状态时。DEH控制器执行停机。4.3系统性 能及技术指标
4.31 转速控制
范围：0～3400r/m
精度：≤2%额定负载
4.3.3 速度不等率：在线3～6%连续可调
4.3.4 压力不等率：在线5～10%连续可调
4.3.5 系统迟缓率：≤0.1%4.3.6 转速超调量：≤7%4.3.7 系统响应时间：≤50ms
4.3.8 系统可用率：99.9%
4.4 汽轮机数字电液调节系统现场调试及投运
机组在厂内调试合格后，发给用户经安装后现场开机调试达到并超过设计技术指标。其中通 过对控制器的PID参数调节能使机组转速控制精度达到±0.5r/m。作为汽轮机的关键
控制参数，其控制精度比以往系统提高了一个数量级，在启动过程中成功实现自动升速至30 00r/m。其升速曲线见图3，许多控制参数在线可调，为运行带来极大方便，改变了以往机组 控制系统厂内调试后现场很难更改的现场。该机组经过电力系统规范要求72小时试运转，机 组控制系统一切正常。对机组进行50%和100%甩负荷试验，机组飞升转速分别为3071r/m，31 73r/m，且过渡时间短，并很快稳定，见图4。机组控制系统操作界面友好，用户易于掌握使 用，系统功能模块化，便于故障分析与处理，提高系统可用率。机组控制品质受到用户及安 装与调试单位好评。
5结束语
本文给出了联合循环汽轮机设计中遇到的问题的解决方法。在机组设计生产后成功投入运行 。随着联合循环国内应用的发展，用户对汽轮机的要求不断提高，从早期以液压控制为主的 凝汽式汽轮机到以数字电液控制为主的汽轮机。最近联合循环热电站出相继出现，为此我厂 也设计出适合联合循环运行的数字电液控制抽汽轮机。对联合循环汽轮机设计的不断研究和 提高，生产出达到国外同期水平汽轮机，替代了进口产品，可以满足不同用户的要求。同时 也为联合循环汽轮机的设计积累了成功经验。[HT2H][HS2] 燃气—蒸汽联合循 环热电冷三联供
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