汽轮机飞升转速计算方法

汽轮机发电机组飞升转速计算 甩负荷时汽轮机的飞升转速对机组的安全性存在较大影响，一般要求飞升转速不超过危急保安器动作转速。然而由于甩负荷后机组的运行处于大动态非线性状态，其蒸汽参数的变化，以及负荷的变动均为非线性过程，兼之实际机组运行中调节系统的滞后、阀门关闭速度不同及关闭严密性均存在不确定因素，故进行准确计算难度很大。影响飞升转速的关键因素一是调节系统及执行机构的延迟时间，一是汽轮机系统中存在的余汽作功，此外阀门关闭不严也会造成机组持续升速。鉴于后者属于现场问题，存在不确定性，且无法理论计算，故在进行飞升转速计算时不予考虑。 此次，Z711机组在甩负荷时，飞升转速达到3280rpm，导致了保护动作，为了解飞升转速过高的原因，对该机组进行飞升转速计算。 根据转子能量方程，有 其中， 为整个汽轮机发电机组的转动惯量， 为转动角速度， 为汽轮机功率， 为发电机功率。 若 、 分别为额定状态机组出力和角速度，则有 ， 为惯性时间，即以额定功率 使转子系统从0达到 所需的时间。 汽轮发电机组甩负荷后的转速飞升有两个关键因素：一是调节系统及执行机构的延迟及执行机构的执行时间，二是管道以及汽轮机通流部分的余汽作功。 从发出关闭阀门信号起，由于调节系统信号传递延迟以及执行机构动作延迟，存在延迟时间 ，执行机构关闭阀门所需时间为 ，由于阀门的关闭为非线性过程，采用近似过程来代替，假定在前2/3 时间内阀门依然没有动作，在2/3 时刻阀门瞬时完全关闭。因此在时间间隔 中阀门保持全开汽轮机维持其功率不变，则由于电机甩负荷必然导致转速飞升，实际由于转速飞升过程中将导致效率降低，汽轮机的实际功率应该下降，假定其保持不变是偏于安全的。在 时刻后，阀门完全关闭，则汽轮发电机组的动能增加将只能依靠管道及汽轮机通流部分的余汽作功，即余汽作功是转速飞升的另一个关键因素。 在上述假定下，第一个因素作功近似为 第二个因素作功是一个动态非线性过程，可以作如下简化： 在阀门全部关闭后，汽轮机系统变成一个如图所示的系统。蒸汽从容积为 ，压力为 的腔室中流出，流经叶片通道，进入压力为 的腔室中，则有在这一过程中蒸汽所作的功为： 阀门关闭后汽轮机等价系统示意图 其中M为腔室1中初始时刻的蒸汽质量， 为其焓值， 为其比容， 、 为腔室2中的蒸汽压力焓值。对于具有二次进汽的汽轮机，可以简化为两个或多个并联的类似等价系统，也可以经过适当的方法折算为一个等价系统。此次对Z711机组进行的计算即简化为一个等价系统。 从南汽处得到汽轮机的通流图及主蒸汽和二次进汽管道图，用以计算余汽容积，同时取得汽轮机和发电机的转动惯量，分别为3.407t.m2和10t.m2。 阀后主蒸汽管道2×14m×（Φ219×12） 补汽管道1×11m×（Φ377×10） 由于抽汽管道尺寸未知，暂不考虑。 t0＝0.3s，ts=0.2s 相关有害容积包括以下内容： 主蒸汽管道容积：0.836m3 蒸汽室容积：0.042m3 补汽管道容积：1.1m3 补汽腔室容积：0.447+1.164m3 旋转隔板抽汽腔室容积：0.568m3 低压部分腔室容积：0.671+0.313+0.318m3 通流部分汽道容积：0.113+0.157+2.716m3 所有有害容积均折算到进汽腔室，则有： 汽轮机背压取p2=4.5kPa，温度t2=30.8℃，焓值i2=544.2kcal/kg 主蒸汽管道和进汽腔室：容积0.878m3，焓值i0=826.54kcal/kg，比容v0=0.0612m3/kg 高压通流部分有害容积：V=0.113m3，平均比容v=0.112m3/kg，平均焓值i=793.3kcal/kg 当量有害容积Vr=v0/v*(i-i2)/(i0-i2)*V=0.0545m3 旋转隔板腔室有害容积：V=0.568m3，比容v=0.191m3/kg，焓值i=762.11kcal/kg 当量有害容积Vr=0.140m3 中压通流部分有害容积：V=.157m3，平均比容v=0.3m3/kg，平均焓值I=737kcal/kg 当量有害容积Vr=0.022m3/kg 补汽腔室和补汽管道：V=2.711m3，比容v=0.55m3/kg，焓值i=698.05，流量36t/h 当量有害容积Vr=0.164m3/kg 低压部分腔室和通流部分有害容积： V=4.002m3，平均比容v=3.875m3/kg，平均焓值i=641kcal/kg 当量有害容积Vr=0.026m3 由此，总有害容积为V1＝1.2845m3，对应压力P1=5.7MPa，焓值i1=826.54kcal/kg，比容v1=0.0612m3/kg，总蒸汽质量为20.99kg。 由此余汽作功量N2＝17489kJ，考虑计算中的不确定量，将该值放大1倍，即N2=34978kJ 对汽轮发电机组而言，有如下能量平衡方程： 其中 为发出停机信号时汽轮机的角速度，现假定等于 ，即假定发出信号时汽轮机正在正常运行，如果有确切数据，将根据实际数据计算。 代入惯性时间后，得到下式： ＝ ＝3000rpm， ＝0.3s， ＝11s， ＝60MW， ＝0.2s =3135.7rpm 其中余汽造成的超速约为77rpm，此值已然是保守值，实际值当小于此值。由于调节系统和执行机构延迟造成的超速约为58rpm。如果延迟时间增加0.2s，则造成的额外超速为26rpm，最高转速可达3162rpm。如果在发出停机信号前机组已然超速，则超速值当累加到目前的计算值上。若存在阀门关闭不严的情况则，超速值还将根据实际情况增加。 总之，根据目前的情况进行理想状态下计算，100％甩负荷时余汽造成的超速不超过77rpm。现场中存在的其他不确定因素，如实际调节系统和执行机构的延迟时间、执行机构的动作时间以及阀门关闭不严等，需要另外考虑。 国内同类型机组为深南电投运的哈汽产品，据说也存在同样飞升转速过高导致保护动作的问题。 参考文献： 1．W.特劳佩尔[瑞士]，热力透平机（特性与结构强度），机械工业出版社，1988年第一版 2．翦天聪，汽轮机原理，水利电力出版社，1986年第一版 3．冯伟忠，双轴汽轮发电机组的超速控制及计算分析，动力工程，1999年2月Vol.19，No.1 4．付新河，广州发电厂1号汽轮机电超速保护系统的改进，广东电力，2003年Vol.1，No.2