編寫：劉金福
審核：徐志強
批准：於達仁
哈爾濱工業大學
動力工程控制與可靠性研究所
2023年11月15日
從上世紀90年代初開始，隨著國內電網裝機容量的增加和峰谷差的增大，要求原先被設計為帶基本負荷的汽輪發電機組必須參與調峰執行，一些機組在調峰時的負荷達到了額定負荷的50%，甚至更低。
在這種情況下，許多機組在調峰變負荷過程**現了一些問題，如二瓦瓦溫明顯公升高、軸振不穩定、出現低頻渦動等，嚴重影響機組的安全穩定執行。從而無法正常投入噴嘴調節，只能採用節流調節或降引數執行來緩解故障，但是這種執行方式調節閥節流損失大，極大的影響了機組執行的經濟性。發生這類問題的機組型號包括100mw、200mw、300mw和600mw，覆蓋了目前國內全部主力機型，是一類普遍存在的問題。
此外，國內及早期引進的許多汽輪機在設計時並沒有考慮深度調峰的要求，機組在調峰執行時效率偏低，影響機組的經濟性。造成這個問題的原因很多，其中之一在於汽輪機配汽方式設計不合理，在部分負荷下汽輪機調節汽門存在著很大的節流損失，調節級的效率低。
面對機組調峰過程**現的問題，部分電廠根據本廠機組執行狀況，針對機組存在的安全性及經濟性問題對配汽方式進行了改造，提高機組的執行安全性和效率，獲得了一定的效果。但是這些嘗試多是根據技術人員的實際經驗進行的，缺乏完整的理論分析，結果缺乏系統性。
汽輪機的配汽方式雖然只是汽輪機調節系統的乙個組成部分，但是對機組的安全性和經濟性有著重要的影響，汽輪機的配汽方式設計需要綜合熱力學、氣體動力學、轉子動力學等相關專業的理論和知識，進行系統的理論和試驗研究，以為汽輪機的配汽方式的設計提供理論指導。
本課題歷時十餘年的研究，系統、細緻地分析了配汽方式對機組安全性、經濟性的影響，並且進行了大量的實驗研究，建立了一套完整的汽輪機配汽方式的分析和設計方法，提高機組的安全性和效率，並實際工程中得到了推廣應用。
以俄製210mw汽輪機組的現場試驗為例，每當機組在順序閥狀態下工作在中間負荷區140~180mw時（特別是在170mw附近）,二瓦瓦溫特別高，有時高達100度以上，多次引起燒瓦事故，在現場實驗時，最高溫度也達到78度，都超過了瓦溫的報警線，如圖 21所示。
圖 21 2瓦瓦溫隨負荷的變化規律
通過現場測試，瓦溫的變化規律與負荷的變化規律有關，如圖 22所示。
圖 22 部分進汽時負荷的變化規律
同時，瓦溫的變化規律還與調節級壓力（如圖 23所示）、轉子軸心位置（如圖 24所示）、軸振動（如圖 25所示）有很大的關係，而與脹差關係不大（如圖 26所示）。
圖 23 調節級壓力的變化規律
圖 24 2瓦右軸心位置隨負荷的變化規律
圖 25 2瓦振動隨負荷的變化規律
圖 26 軸系串軸、脹差隨負荷的變化規律
對2瓦軸心位置進行進一步分析，發現在滿負荷時，軸心位於轉子靜止狀態軸心位置的右上方（油膜力作用的結果），而在低負荷時（180mw以下），軸心位置向右下方偏移，在滿負荷、180mw負荷時的軸心位置如圖 27所示。
圖 27 2瓦軸心位置的變化
1瓦軸心位置（只安裝了乙個感測器）與2瓦左上方感測器測量的2瓦軸心位置的變化規律非常接近，軸心位置在感測器方向上向下變化了0.13mm。從5瓦處測量的軸心位置圖看，在整個變負荷的過程中，5瓦軸心位置變化很小（小於0.
08mm），但也能看出軸心位置與負荷有一定的關係，如圖 28所示。
圖 28 5瓦軸心位置變化
一、基本原理
蒸汽在調節級中流動時，對調節級動葉片產生汽流力的作用，這個汽流力可分解為沿圓周方向的切向力、沿半徑方向的徑向力和沿轉軸方向的軸向力。其中切向汽流力在葉輪上產生力偶而使轉子旋轉，同時產生乙個通過轉軸中心的力；軸向汽流力使轉子產生軸向位移，並且對轉軸產生乙個翻轉力矩；徑向汽流力一般很小，其影響可以忽略不計。
當調節級均勻進汽時，切向汽流力所產生的通過轉軸中心的力和軸向汽流力對轉軸的翻轉力矩均勻的分布於整個圓周，能夠自平衡，不對外表現力的作用。
但當調節級部分進汽時，它們不能夠自平衡，表現出調節級配汽不平衡汽流力的作用，在機組的各軸承處產生附加載荷。
二、調節級變工況計算
為了進行調節級不平衡汽流力的計算，就必須首先計算汽流對調節級動葉片所產生汽流力。作用在乙個動葉片上的切向汽流力和軸向汽流力分別為：
2-1）
2-2）
式中、、、、、分別表示通過動葉片的蒸汽流量、動葉片的軸向面積、在動葉片進、出口蒸汽的絕對切向流速、在動葉片進、出口蒸汽的絕對軸向流速。可以看出，要計算和，必須進行調節級變工況熱力計算，求得相關引數。
汽輪機在工況變動時,通過汽輪機的蒸汽引數和流量均發生變化,而調節級參加工作的調節閥數目與開度不一定相同,調節級通道面積可隨著蒸汽流量的改變而改變,這就使得調節級變工況核算工作較為複雜。調節級變工況的計算方法很多,但目前還沒有確定的方法,一般它的核算借助於調節級特性曲線，調節級曲線一般採用計算方法計算。
噴嘴配汽變工況熱力計算主要由四部分構成：調節閥門計算；調節級一股汽流計算；調節級各股汽流的合算；調節級背壓的計算。其中的一些公共介面引數需要進行反覆迭代才能湊準。
調節閥門計算是在給定閥門前後壓力和閥門開度的情況下，確定閥門的流量。在設計調節閥時，為了減小閥門全開時的壓力損失，調節閥後均設計有擴壓管。在計算通過閥門的蒸汽流量時，由於閥門在不同的開啟位置時，閥門的最小通流面積不是常數，同時因擴壓管的存在，使閥門喉部壓力與閥門後（擴壓管後）壓力不相等，並且擴壓管的擴壓效率隨工況的變化而變化，使得蒸汽壓力沿擴壓管流程的變化規律也跟隨變化。
這樣，通過閥門的流量就不能簡單的看成和噴嘴流動一樣是閥門前後壓力比的函式，這給理論計算帶來了困難。所以在閥門流量計算時，通常借助試驗曲線。
調節級變工況計算由於存在多股汽流，使得計算要比其它各級的計算複雜的多，隨著部分進汽率的不同，各股汽流的級前引數、流量、級反動度、級效率等隨之發生比較大的變化，直接對調節級進行變工況計算將很難進行，必須另尋其它途徑。通過噴嘴組一股汽流的計算，即先假定調節閥全開，整個調節級通過一股汽流，可以計算出一系列表徵調節級特性的特性曲線，利用這些特性曲線就可以方便對調節級變工況進行計算，使問題迎刃而解。
調節級一股汽流計算即調節級特性計算，是在假定調節閥全開的情況下計算調節級的熱力引數。通過調節級一股汽流的計算，可以確定一些汽輪機調節級變工況計算所必需的特性曲線，利用這些曲線就可以簡捷、方便的進行調節級的變工況計算。
由於噴嘴配汽調節級變工況的機理是通過改變調節閥的通流面積來控制通過每個噴嘴組的流量，進而控制汽輪機的功率，這樣在調節級內就形成了性質不同的多股汽流。調節級的變工況計算即是對調節級各股汽流進行合算，每股汽流的級前壓力即調節閥後壓力在變工況下是變動的，取決於各閥的開度，對於全開閥門閥門前壓力，對於部分開啟的閥所通過的蒸汽相應的要受到此閥的節流作用，但噴嘴之後的蒸汽壓力及調節級後的壓力都是相同的。
各股汽流的合算是在給定各股汽流的級前級後引數的情況下，計算各股汽流的的流量、各股汽流的焓降及動葉相應弧段的汽流力和總的橫向汽流力、各股汽流出口的混合焓、調節級的輪周效率和相對內效率等。
調節級背壓的計算是給定調節級的總流量和調節級後的溫度，確定調節級後的壓力。弗留蓋爾公式反映了在變動工況級組壓力與級組流量的關係，其公式的基本形式為：
2-3)
式中下標「1」代表級組前引數，「2」代表級組後引數；帶「'」為變工況引數，不帶「'」為額定工況引數。
該公式的適用條件是：在同一工況下通過級組各級的流量應相等；在同一工況下級組的通流面積應相等；通過級組各級汽流應是一股均質流；應用級數一般應多於5～6級。
技術總結報告
注 本提綱適用於市科委 除基礎專案 各類科技計畫專案，專案驗收工作報告編寫中應包含以上內容。某新產品新技術研發專案驗收工作總結報告目錄 一 專案概述及立項背景 二 研發內容和取得的成果 三 專案研究程序與主要工作 四 合同指標完成情況 五 專案經費使用情況 六 成果市場推廣應用前景分析 七 自我評價...
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