大機(jī)組主蒸汽流量測(cè)量芻議2

1、大機(jī)組主蒸汽流量測(cè)量芻議Discussion on Measuring Live Steam Flow Rate of Large Capacity Turbo-Generator Unit上海外高橋發(fā)電廠二期工程籌建處 馮偉忠【摘要】介紹了采用調(diào)節(jié)級(jí)后壓力間接測(cè)量主蒸汽流量的原理、公式以及目前在大機(jī)組實(shí)用中存在的問(wèn)題，對(duì)各種誤差源進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的對(duì)策措施?！続bstract】The article introduces the principle and formula used to calculate the flow rate of live steam by measurin

2、g the steam pressure right downstream the governing stage, as well as the existing problems found in the application on the large capacity turbo-generator units. Various deviations that cause the problems are analyzed and relevant solutions are proposed.【關(guān)鍵詞】汽輪機(jī) 主蒸汽 流量 【Key words】turbine live steam

3、flow rate 0引言在以往，汽輪發(fā)電機(jī)組的主蒸汽流量的測(cè)量較普遍的采用流量噴嘴（或孔板）的方案，這種方法簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確性高。但也同時(shí)存在著節(jié)流損失的缺點(diǎn)。隨著機(jī)組容量的大型化及參數(shù)的不斷提高，該損失額已不容忽視。另外，對(duì)于某些機(jī)組，運(yùn)行參數(shù)已接近上限，主蒸汽的壓力損失將直接影響機(jī)組的出力。而對(duì)于高參數(shù)，特別是超臨界機(jī)組，若采用流量噴嘴的方案，在工藝上及誤差控制上存在著較大的困難。因此，現(xiàn)今的大容量機(jī)組的主蒸汽流量的測(cè)量，較多的采用調(diào)節(jié)級(jí)后壓力加溫度修正的間接換算法。1換算法應(yīng)用公式采用間接換算法方案，源于汽輪機(jī)理論中著名的“弗留格爾公式”。該公式的具體表述如下：對(duì)于具有n級(jí)的汽輪機(jī)級(jí)組在變工

4、況下未達(dá)臨界時(shí)，級(jí)組前后參數(shù)與流量之間的關(guān)系可由下式表達(dá)： (1)式中：G主汽流量；T級(jí)組前溫度（K）；P級(jí)組前壓力（絕對(duì)） 下標(biāo)：0額定值；X實(shí)際值；1，2級(jí)組進(jìn)、出口參數(shù)。當(dāng)所取的級(jí)組較多且含凝汽式機(jī)組的末級(jí)時(shí)，由于排汽壓力值與級(jí)組進(jìn)汽壓力值相比小得多， P22與P12相比可以忽略不計(jì)。此時(shí)式(1)可變?yōu)椋?(2)特別地，當(dāng)級(jí)組前溫度變化較小時(shí)（如再熱機(jī)組的中壓缸進(jìn)口），溫度修正項(xiàng)接近于1，故上式又可轉(zhuǎn)為更簡(jiǎn)單的形式： (3) 圖(1) 實(shí)際記錄負(fù)荷與流量關(guān)系數(shù)據(jù)目前，應(yīng)用較多的是式(2)。但從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，還存在著較明顯的誤差。右圖既為外高發(fā)電廠2號(hào)機(jī)(300MW)某日所記錄的連續(xù)1

5、0小時(shí)的負(fù)荷與流量的關(guān)系數(shù)據(jù)。該圖中的數(shù)據(jù)均為一小時(shí)的平均值。從圖中可以看出，數(shù)據(jù)存在著明顯的離散性。因在此期間機(jī)組的冷卻水溫及機(jī)組的真空度變化很小，機(jī)組的汽耗變化應(yīng)甚小，故此曲線能說(shuō)明一定的問(wèn)題。2誤差產(chǎn)生原因分析：21 公式應(yīng)用條件公式(1)(3)，對(duì)其應(yīng)用有著明確的條件限制：通流面積不變；級(jí)組內(nèi)各級(jí)流量相同；級(jí)組內(nèi)各級(jí)前溫度變化率相同。級(jí)組內(nèi)不得串有其他非線性元件。 圖(2) 再熱機(jī)組系統(tǒng)示意圖對(duì)于條件，只要避開(kāi)調(diào)節(jié)級(jí)，一般容易得到滿足。而對(duì)于條件，則情況較為復(fù)雜。通?；?zé)崾綑C(jī)組，各級(jí)回?zé)岢槠吭谙喈?dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)與機(jī)組的進(jìn)汽量近似的成正比，且其量與進(jìn)汽總量相比較小，故應(yīng)用(1)(3)式也能獲

6、得較高的準(zhǔn)確性。但對(duì)于再熱機(jī)組，這一條件難以滿足。事實(shí)上，由于再熱器的存在，以及再熱器噴水和對(duì)外供汽等因素，條件-均不能得到滿足（見(jiàn)右圖）。若僅將P1點(diǎn)作為流量計(jì)算點(diǎn)，應(yīng)用式(2),考慮到額定值均為常數(shù)，可作歸并，則有： (4)必須注意的是，上式的前提是將高壓缸的第一級(jí)壓力級(jí)直至低壓缸的末級(jí)均作為一個(gè)級(jí)組。但這樣卻誤將中間再熱器等及相應(yīng)的管道均作為汽輪機(jī)的壓力級(jí)（或線性元件）而一并對(duì)待，這必然會(huì)產(chǎn)生許多問(wèn)題并導(dǎo)致相應(yīng)的誤差。22 再熱機(jī)組的公式實(shí)際應(yīng)用環(huán)境及誤差分析221 再熱器特性分析再熱器及冷、熱再熱管道均為阻力元件，若先不考慮加熱及溫度變化，根據(jù)流體力學(xué)，其壓降與流量的關(guān)系為： 式中：再

7、熱系統(tǒng)（含冷、熱再管道）等效阻力系數(shù)；Q容積流量；v比容為簡(jiǎn)化分析，權(quán)將此處的蒸汽近似地作理想氣體處理，則上式可轉(zhuǎn)為： 得： (5)實(shí)際上式(5)括號(hào)內(nèi)就相當(dāng)于汽輪機(jī)級(jí)組壓降表達(dá)式，本式與其相比多了一項(xiàng)。其特性顯然不同。再熱器的作用是將高壓缸的排汽重新加熱至額定溫度，從而降低低壓缸末級(jí)排汽濕度。因此，蒸汽的比容將隨著溫度的逐步升高及壓力的逐漸降低而增大。此時(shí)，流量與壓降的關(guān)系更為復(fù)雜，只能用積分式表達(dá)： (6)式中：x沿再熱系統(tǒng)長(zhǎng)度方向的幾何點(diǎn)；L再熱系統(tǒng)全長(zhǎng)；x點(diǎn)阻力系數(shù)；此式與汽輪機(jī)的級(jí)組特性恐難相似。222 再熱汽減溫水問(wèn)題 圖(3) 實(shí)際記錄負(fù)荷與再熱器壓差關(guān)系數(shù)據(jù)燃燒器擺角對(duì)再熱器汽

8、溫的調(diào)節(jié)的適應(yīng)性較差，現(xiàn)較多的還是采用噴水減溫的方法控制再熱器出口汽溫。但由于該流量的注入，使得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。再者，此流量還將全額流入中、低壓缸。使得中低壓缸的壓降出現(xiàn)附加值。而此附加值亦與主汽流量無(wú)關(guān)，但卻會(huì)導(dǎo)致P2及P1的增加。從而造成主汽流量顯示值偏高。圖(3)為外高發(fā)電廠4號(hào)機(jī)某日所記錄的連續(xù)12小時(shí)的負(fù)荷與再熱器壓差的關(guān)系數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)的離散性已不言自明。223 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，甚至可對(duì)外供熱。如，西屋型300MW機(jī)組的最大供熱量可達(dá)50T/H。對(duì)于裝有多臺(tái)機(jī)組的電廠，往往并不是每臺(tái)機(jī)組均帶廠

9、用汽運(yùn)行。而通常是由12臺(tái)機(jī)組負(fù)責(zé)。并且還要根據(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，既P3和P2下降，導(dǎo)致P1相應(yīng)下降，造成主汽流量示值偏小。224 加熱器、給水泵及暖風(fēng)器的投、切在機(jī)組運(yùn)行中各組加熱器由于某種原因進(jìn)行投、切，將導(dǎo)致抽汽量的變化而影響P1值，特別的，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值在相同主汽流量時(shí)明顯上升而導(dǎo)致主汽流量顯示值偏高。汽動(dòng)給水泵的正常工作汽源一般取至中壓缸（四級(jí)抽汽），當(dāng)停用一臺(tái)或二臺(tái)汽動(dòng)給水泵時(shí)或其工作汽源切換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)的各級(jí)壓力提高，

10、使主汽流量示值偏高。鍋爐暖風(fēng)器加熱汽源由汽輪機(jī)抽汽（四級(jí)抽汽）所供，一般只在冬季使用，在其投入時(shí)，與原工況相比，由于抽汽量的增加，P1會(huì)降低，亦將造成主汽流量示值偏小。當(dāng)然，由于四級(jí)抽汽壓力較低，根據(jù)弗留格爾公式，其對(duì)平方差的影響較小。故給水泵及暖風(fēng)器的切、投對(duì)流量示值的影響甚微，一般可以忽略。225 溫度補(bǔ)償問(wèn)題從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)較大的降落，而且該點(diǎn)的溫度還隨調(diào)門(mén)的開(kāi)度改變或運(yùn)行方式的變化而變化。但是，P3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，和P1點(diǎn)的溫度變化基本無(wú)關(guān)。但若應(yīng)用式(2)而“眉毛胡子一把抓”，從P1點(diǎn)起至低壓缸末級(jí)均視為相同的

11、溫度變化率而進(jìn)行全額補(bǔ)償，顯然是不妥當(dāng)?shù)摹?26 通流部分結(jié)垢問(wèn)題弗留格爾公式的應(yīng)用是以通流面積不變?yōu)榍疤岬模峭鞑糠忠坏┏霈F(xiàn)結(jié)垢，則相當(dāng)于通流面積減少，勢(shì)必導(dǎo)致在相同的流量下P1值上升，從而造成主汽流量顯示值的偏高。以前，人們往往將P1點(diǎn)稱(chēng)作“監(jiān)視段壓力”。這是在有常規(guī)流量測(cè)量手段的情況下，以新投產(chǎn)或大修后的參數(shù)為基準(zhǔn)。在相同的運(yùn)行工況下，當(dāng)P1值出現(xiàn)明顯上升時(shí)既表明有結(jié)垢現(xiàn)象。雖然隨著水處理技術(shù)的提高及技術(shù)監(jiān)督的加強(qiáng)，汽輪機(jī)通流部分結(jié)垢的問(wèn)題已大為緩解，但尚不能言已徹底杜絕。而將P1點(diǎn)作為流量計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)后，結(jié)垢監(jiān)視則需另謀他途。226 抽汽工況變化所造成的誤差估算從定量分析的角度，因大

12、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。以上述廠用汽及對(duì)外供熱為例，若有50T/H的對(duì)外抽（供）汽。其造成的誤差約為： 式中：Gc抽（供）汽流量；GZ0額定再熱蒸汽流量300MW機(jī)組各工況及誤差對(duì)照表抽汽工況變化P1誤差 %一級(jí)高加切除+1.938一、二級(jí)高加切除+3.701全部高加切除+4.202冷再對(duì)外供熱50T/H-0.620再熱器減溫水42T/H+0.551暖風(fēng)器投入-0.055單臺(tái)給水泵切除+0.050如果抽（供）汽流量小于50T/H，該項(xiàng)誤差還不到此值。再者，雖再熱器減溫水本身是一個(gè)誤差源，但其誤差方向與前者相反，客觀上還能部分的抵消對(duì)外抽（供）汽所產(chǎn)生的誤差。

13、至于于暖風(fēng)器及給水泵，如前所述其影響可以忽略。這就能解釋目前采用公式(2)似乎不覺(jué)有大的問(wèn)題。不過(guò)若出現(xiàn)高加切除的工況，由于其抽汽量大且壓力高，所產(chǎn)生的誤差較大，但此時(shí)的運(yùn)行工況與正常時(shí)不同，沒(méi)有可比性，一般不易引起注意。右表為在額定工況下前述各抽汽量變化所引起的誤差計(jì)算值。上述分析的各項(xiàng)誤差，除再熱器特性，都和運(yùn)行工況有關(guān)，隨機(jī)性很大。至于發(fā)生通流部分結(jié)垢，其產(chǎn)生的流量示值誤差便隨結(jié)垢程度而變，無(wú)法預(yù)測(cè)。從熱控計(jì)量的角度來(lái)說(shuō)，上述的大部分誤差都應(yīng)力求避免。23 動(dòng)態(tài)特性及影響 前述所討論諸因素，均指穩(wěn)態(tài)工況而言，在機(jī)組的變工況過(guò)程中，弗留格爾公式的適用范圍更窄。再熱系統(tǒng)，包括冷、熱再熱管道，

14、本身就是一個(gè)大的腔室，在穩(wěn)態(tài)時(shí)呈阻力特性，但在動(dòng)態(tài)時(shí)卻是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)。另外，中、低壓缸由于其蒸汽參數(shù)低，容積大，在動(dòng)態(tài)時(shí)亦相當(dāng)于含有慣性環(huán)節(jié)。因此在機(jī)組變工況過(guò)程中，P1與流量的關(guān)系已無(wú)線性可言。圖(3)所示為當(dāng)出現(xiàn)一階躍主蒸汽流量變化后的P1動(dòng)態(tài)曲線示意圖。顯然，圖中的陰影部分便是兩者間的動(dòng)態(tài)偏差。然而，主蒸汽流量在鍋爐的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中是一個(gè)主要參數(shù)之一，特別是燃燒自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，要求測(cè)量信號(hào)有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。因此，采用P1點(diǎn)參數(shù)作圖(3) P1動(dòng)態(tài)特性示意圖為計(jì)算基準(zhǔn)的流量值作為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主信號(hào)是欠缺的。綜上所述，對(duì)于再熱機(jī)組，弗留格爾公式的應(yīng)用條件是欠缺的，再者，該公式是從理論公式

15、簡(jiǎn)化而來(lái)，本身還存在一定的誤差，雖然從工程應(yīng)用角度來(lái)說(shuō)已有較好的精度，但若應(yīng)用條件不符，其誤差便難以控制。3相應(yīng)對(duì)策31 應(yīng)用公式(1)，只計(jì)高壓缸從圖(2)可見(jiàn)，對(duì)于高壓缸，若高加運(yùn)行方式不變，僅考察P1及P2點(diǎn)（既將高壓缸全體壓力級(jí)作為一級(jí)組），則能滿足弗留格爾公式的應(yīng)用條件。另外，由于高壓缸通流部分的容積很小，在變工況時(shí)的響應(yīng)很快。故在動(dòng)態(tài)時(shí)弗留格爾公式也能適用。應(yīng)用式(1)，并將額定值作為常數(shù)歸并得： (7)若考慮高加的切除工況，可采用加修正項(xiàng)的方法解決： (8)式中：K1高加運(yùn)行狀態(tài)修正系數(shù)，高加投入時(shí)為零?？赏ㄟ^(guò)試驗(yàn)或計(jì)算求出。一般的，高壓缸只有一級(jí)抽汽，故上式中的修正系數(shù)僅指一級(jí)

16、高加的切投。當(dāng)然，對(duì)于高壓缸無(wú)抽汽的機(jī)組（如外高橋二期900MW機(jī)組），此修正項(xiàng)也就不存在了?，F(xiàn)在的大機(jī)組已普遍采用DCS，高加的運(yùn)行亦在其掌控之中，故上式很容易得到實(shí)現(xiàn)。采用此式后，很顯然，前述提到的所有問(wèn)題，除發(fā)生通流部分結(jié)垢外，其他都能得到避免。32采用傳統(tǒng)的節(jié)流式流量噴嘴方案此方法簡(jiǎn)單而實(shí)用，但如引言所述，其不足之處及工藝等限制客觀存在。有關(guān)壓降損失問(wèn)題，在此可作一個(gè)估算：設(shè)噴嘴的設(shè)計(jì)差壓為0.24MPa/1200T/H，則其壓力損失約為0.24MPa/3=0.08 MPa。此壓損將使給水泵的出口壓力增加，根據(jù)泵的功率特性，在額定工況時(shí)對(duì)于一臺(tái)300MW機(jī)組的給水泵增加功耗約為： (KW)式中：Ge機(jī)組額定主蒸汽流量；G0噴嘴設(shè)計(jì)最大流量；Pe給水泵額定揚(yáng)程； NP0給水泵額定功率(2×50%)顯然，這一損失值確實(shí)不宜忽略。4結(jié)語(yǔ)采用換算法進(jìn)行主蒸汽流量的測(cè)量，是一種可行的方案，在公式應(yīng)用條件具備的情況下能夠滿足工程實(shí)用的精度要求。對(duì)于大型再熱機(jī)組，由于系統(tǒng)的特殊性，不宜參照一般純凝機(jī)組而直接使用公式(2)。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，參照公式 (1)，并進(jìn)行相應(yīng)的修正，如采用公式(7)、(8)。另外，因通流部分結(jié)垢