1、No.1Mar.2023DONGFANG TURBINE2023年3月第1期某超超临界纯凝机组供热改造后转速飞升计算与分析某超超临界纯凝机组供热改造后转速飞升计算与分析Abstract：After heat supply reformation of pure condensing steam turbine unit,part of the volume in the heating pipeline becomesthe flow volume of the steam turbine,which essentially increases the volume of the origin
2、al unit.This paper takes the heat supplyreformation of an ultra-supercritical steam turbine as the research object,analyzes and discusses the influence of the new volume onthe speed rise under load rejection conditions,and provides a reference for the similar units.Key words：speed rise,heat supply r
3、eformation,flow volume第一作者简介：曾娅（1982-），女，高级工程师，毕业于四川大学机械制造设计及其自动化专业，主要从事汽轮机本体设计工作。曾娅1，米斌1，刘宏兵2，李煜1，徐晓康1，董天文1（1.东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000；2.东方电气自动控制工程有限公司，四川 德阳，618000）摘要：纯凝机组进行供热改造后，供热管道中的部分容积成为汽轮机的通流容积，其本质上增大了原机组的容积。文章以某超超临界汽轮机供热改造为研究对象，分析和讨论新增有害容积对甩负荷工况下转速飞升的影响，为类似机组供热改造提供参考。关键词：转速飞升，供热改造，通流容积中
4、图分类号：TK262文献标识码：B文章编号：1674-9987（2023）01-0005-03Calculation and Analysis of Speed Rise of an UltraSupercritical Pure Condensing Steam Turbine Unit afterHeat Supply ReformationZENG Ya1，MI Bin1，LIU Hongbin2，LI Yu1，XU Xiaokang1，DONG Tianwen1（1.Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000;2.Dongfang E
5、lectric Automatic Control Engineering Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2023.01.0020引言当汽轮机突然失去电负荷后，自动控制系统将同步关闭汽轮机的调阀以及抽汽管道上的逆止阀和电动阀，以防止蒸汽继续进入汽轮机中做功。在OPC介入情况下，甩负荷后转子的飞升可分为3个阶段：a）调节汽阀尚未开始关闭，此时蒸汽流量保持不变，转速按接近线性规律升速；b）调节汽阀开始关闭直至全关，在阀门严密的情况下，5Mar.2023No.1DONGFANG TURBINE2023年3月第
6、1期进汽量逐渐减少直至0。随着进汽减小和中间容积蒸汽压力降低，机组有害容积包括各导汽管、汽缸、和抽汽管道所存蒸汽做功能力逐渐显现；c）当有害容积的剩余蒸汽做功恰好等于汽轮机各项损失之和时，转子动能不再增加，加速度为0，转子转速达到其最高飞升转速1。本文以某超超临界汽轮机为研究对象，针对b）、c）阶段进行计算和分析，讨论有害容积、阀门关闭时间对飞升转速的影响。1机组简介某电厂4#机为引进型超超临界汽轮机，改造前为纯凝机组，2019年实施了连通管打孔抽汽改造，抽汽量300 t/h，供热压力0.81.0 MPa。其连通管水平段利旧，竖直管段抬高，中排处增加三通，抽口920。为避免与中压进汽管干涉，抽
7、口管道与轴向50夹角向A列伸出。约2.5m后靠墙，抽汽管道向下接至平台。在平台上依次放置安全阀、逆止门、快关阀和电动闸阀。三通标高约18 m，阀门放置平台标高约15 m，布置如图1所示。与纯凝相比，从三通出口至止回阀之间形成新增有害容积，与改造前比，飞升转速必然升高，有可能在甩负荷时造成转子超速。需由汽轮机设备厂家根据转子转动惯量、时间常数、汽轮机内部通流容积等进行充分计算和论证。本文计算了改造后纯凝工况与供热工况下机组甩不同电负荷的飞升转速和飞升时间。图1某超超临界机组供热改造管道布置示意图连通管上设置供热蝶阀调整供热压力，设计方案为液动，带独立油站，阀门关闭时间0.5 s。2理论计算对于中
8、间再热机组，参照火力发电设备技术手册2，甩全负荷时的最大转速飞升增量可按式（1）估计：nmax=n0TmCHT1H+T2H3+TVH()+CIT1I+T2I3+TVI()+CLT1L+T2L3+TVL()（1）式中，n0为额定转速，r/min；为甩负荷为额定功率的百分比，甩全负荷时=1；Tm为汽轮发电机组转子时间常数，s；Tm=J0/Mt0，J为汽轮发电机转子的转动惯量，Mt0为额定转矩；CH、CI、CL为高压缸、中压缸、低压缸功率的比例；T1H、T1I、T1L为高压、中压、低压油动机延迟时间；T2H、T2I、T2L为高压、中压、低压油动机关闭时间；TVH、TVI、TVL为高压、中压、低压容积
9、时间常数，s。3改造后纯凝工况的计算改造后机组为纯凝工况，需考虑新增有害容积、不考虑蝶阀关闭的情况下进行校核计算。从VWO工况流量，甩至30%、10、100电负荷的过程机组动态特性，结果如图2所示。（a）30%时间/s012243648607284961081205.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50.0最大转速Max=4.906%飞升时间T=1.44s止回阀中压排汽中心线安全阀转速飞升百分比/%6No.1Mar.2023DONGFANG TURBINE2023年3月第1期（b）10%（c）100%图2VWO流量甩电负荷工况4改造后抽汽工况的计算结果改造后，计入新增有害
10、容积，甩负荷时，供热蝶阀采用“先关后开”的逻辑控制，即先关至最小开度，待转速不再上升后再打开蝶阀维持短时间空转。从VWO工况流量，甩至30%、10%、100%电负荷的过程机组动态特性计算结果如图3所示：（a）30%（b）10%（c）100%图3VWO流量甩电负荷工况5计算结果分析改造后，考虑新增有害容积，VWO纯凝工况下甩负荷计算结果见表1。表1改造后纯凝工况转速飞升改造后，考虑新增有害容积，抽汽工况采取“先关后开”逻辑，VWO流量下甩负荷计算结果见表2。表2改造后抽汽工况转速飞升项目转速飞升百分比/%飞升时间/s甩至30%电负荷4.9061.44甩至10%电负荷6.7032.05甩全负荷9.
11、07413.17项目转速飞升百分比/%飞升时间/s甩至30%电负荷4.6941.89甩至10%电负荷6.0361.89甩全负荷6.7061.89时间/s012243648607284961081207.06.05.04.03.02.01.00.0最大转速Max=6.703%飞升时间T=2.05 s时间/s0122436486072849610812010.09.08.07.06.05.04.03.02.01.00.0最大转速Max=9.074%飞升时间T=13.17 s时间/s0369121518212427305.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50.0最大转速Max=
12、4.694%飞升时间T=1.89s时间/s转速飞升百分比/%7.06.05.04.03.02.01.00.0最大转速Max=6.036%飞升时间T=1.89 s036912151821242730036912151821242730时间/s7.06.05.04.03.02.01.00.0最大转速Max=6.706%飞升时间T=1.89 s转速飞升百分比/%转速飞升百分比/%转速飞升百分比/%转速飞升百分比/%（下转第11页）7No.1Mar.2023DONGFANG TURBINE2023年3月第1期（上接第7页）计算结果显示，机组改造后VWO纯凝工况，甩100%负荷时，飞升转速将达到最大值9
13、.074%，飞升时间13.17 s，此时为最危险工况。改造后抽汽工况，供热蝶阀采取“先关后开”逻辑，高中压缸的有害容积不能顺利流入低压缸，减少有害容积对低压的作功能力。同时，蝶阀关小也憋高中排压力，降低有害容积对高中压的作功能力。因此，飞升转速较纯凝工况降低，飞升时间也大幅降低。6结论通过对某超超临界汽轮机机组改造后，甩负荷转速飞升进行理论计算分析，得出以下结论：（1）某引进型超超临界供热机组实施了连通管打孔抽汽后，飞升转速小于超速保护动作转速，符合火力发电建设工程机组甩负荷试验导则2的要求。（2）纯凝机组改造为供热机组后，蝶阀先关后开对防止转子超速非常有效。参考文献1中国动力工程学会.火力发
14、电设备技术手册:第二卷:汽轮机M.北京:机械工业出版社,1998.2国家能源局.火力发电建设工程机组甩负荷试验导则:DL/T 1270-2013S.北京:中国电力出版社,2014.图11拉筋等效应力分布-优化后随着Dk/Ld的变小（常规叶片材料体系范围内、非数值意义上的长叶片），即叶片更长、叶身成型扭曲更多及运行时的扭转恢复效果更强，拉筋孔区域的应力集中更明显，如Dk/Ld=1.9、松拉筋位于0.78 Ld处的长叶片在不局部处理拉筋孔区域时的应力集中可达11倍；参照图8所示方式，对拉筋孔区域截面单侧厚度最大优化60%、高度方向于削弱面两侧各优化0.9倍孔径，其应力集中情况仅为4.5，基本能将拉
15、筋孔的峰值应力控制在低于0.2的75%，能够满足安全运行的静强度需求，当然在设计松拉筋结构时亦需考虑叶片振动特性满足要求。随削弱面型线优化厚度的增加，应力集中下降的幅度变小，超过60%时收效甚微、且会增加对三维气动流场的影响。4结论本文对高转速汽轮机采用松拉筋结构长叶片的拉筋孔区域应力分布进行了分析，运行时在离心力的作用下，拉筋孔存在明显的应力集中现象，分别位于削弱面的背弧靠出气侧、内弧靠进气侧孔的边缘处。拉筋孔区域型线不作优化时，应力集中系数可达511倍，Dk/Ld越小、叶型扭曲越多，应力集中越大，不利于拉筋孔区域的叶身安全性，需要对其进行局部优化。结合分析结果，沿叶身型线成型趋势，对拉筋孔局部区域的厚度进行优化，可使拉筋孔的应力集中系数降至45，从而大幅降低峰值应力水平，在叶片的安全性方面收效显著，并且结构简洁。同时，对于松拉筋直径、位置和削弱面的厚度优化需要从静强度和振动特性两方面进行兼顾。参考文献1中国动力工程学会.火力发电设备技术手册:第二卷:汽轮机M.北京:机械工业出版社,2007.2周显丁,谢永慧,吴居.新型阻尼结构叶片振动特性试验研究J.东方汽轮机,2011(4):4-10.3王仲博.汽轮机松拉筋整圈连接叶片组的运行经验J.汽轮机技术,1988(5):60-66.4喻光荣.纵剖松拉筋在长叶片中的应用问题J.动力工程,1996,16(1):8-13.11
