汽輪機單閥、順閥控制與汽輪機配汽方式的關(guān)系，汽輪機配汽方式詳解

改變汽輪機功率，可通過改變蒸汽在葉柵通流部分的焓降和改變進汽量。這種改變進汽量和焓降的方式稱為汽輪機的配汽。汽輪機的配汽有節(jié)流配汽、噴嘴配汽和旁通配汽多種方式?，F(xiàn)在的汽輪機普遍采用數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具備閥門管理功能，即同一臺汽輪機既可以采用閥門同時啟閉的節(jié)流配汽(稱為單閥控制)，也可以采用閥門順序啟閉的噴嘴配汽(稱為順序閥控制)，目前汽輪機都有調(diào)節(jié)級。

一、節(jié)流配汽

采用節(jié)流配汽的汽輪機，其全部蒸汽通過一個或幾個同時啟閉閥門，進入汽輪機的第一級，調(diào)節(jié)汽門后的壓力即為汽輪機的進口壓力。在部分負荷運行時，閥后壓力決定于流量比，進汽溫度基本保持不變^[12]。特點如下：

1.負荷小于額定值時，所有進汽受到節(jié)流作用。節(jié)流配汽在部分負荷下相對內(nèi)效率下降的主要原因是調(diào)節(jié)汽門的節(jié)流損失，低負荷時調(diào)節(jié)汽門的進汽機構(gòu)節(jié)流損失大，并且隨負荷下降而損失增大。

2.同樣負荷下，背壓越高，節(jié)流效率越低，所以，背壓式汽輪機一般不用節(jié)流配汽。與噴嘴配汽相比，由于沒有調(diào)節(jié)級，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低，定壓運行流量變化時，各級溫度變化較小，熱應力小，對負荷變化適應性較好。

將汽輪機高壓缸的第一級設為調(diào)節(jié)級，將該級的噴嘴分成4組或更多組。每一噴嘴組由1個獨立的調(diào)節(jié)汽門供汽，通常認為調(diào)節(jié)級后的壓力相等^[13]。為減小噴嘴配汽調(diào)節(jié)級的漏汽量，調(diào)節(jié)級采用低反動度(約0.05）的沖動式。特點如下：

1.部分進汽度e<1，存在部分進汽損失，余速不能被利用，100％負荷效率低于純節(jié)流配汽機組。

2.部分負荷，根據(jù)負荷大小，調(diào)門順序開啟，只有通過部分開啟的調(diào)門有節(jié)流損失，而通過全開調(diào)門的汽流沒有節(jié)流損失，因此效率高于節(jié)流。既可以承擔基本負荷，又可調(diào)峰。

3.變工況時，調(diào)節(jié)級汽室及高壓缸各級溫度變化較大，引起的熱應力較大。

旁通配汽主要用于船舶和工業(yè)汽輪機，通過設置內(nèi)部或外部旁通閥增大汽輪機的流量，增大汽輪機的功率輸出或增大汽輪機的抽汽供熱量。

一、調(diào)節(jié)級壓力與流量的關(guān)系

調(diào)節(jié)級的最危險工況是當?shù)谝徽{(diào)節(jié)汽門全開而其他調(diào)節(jié)汽門都關(guān)閉時，調(diào)節(jié)級動葉受力最大，為最危險工況^[14]。

1.當只有第一調(diào)節(jié)汽門全開而其他調(diào)節(jié)汽門關(guān)閉時,第一級理想比焓降最大；

2.此時流過第一噴嘴組的流量是第一噴嘴組的最大流量；

3.這股流量集中在第一噴嘴組后少數(shù)動葉上，每片動葉分攤的蒸汽流量最大；

4.動葉的蒸汽作用力正比于流量和比焓降之積。

（調(diào)節(jié)級的最危險況．當只有第一調(diào)節(jié)汽門全開而其他調(diào)節(jié)汽門關(guān)閉時，第一級的理想比含降最大，而且流過第一噴嘴組的流量是所有工況下的最大流量，這股流量集中在第一噴嘴組后的少數(shù)動葉上，使每片動葉分攤的蒸汽流量最大。而且，此時動葉前后壓差也最大。因此，此工況下，蒸汽對動葉的作用力最大。故第一調(diào)節(jié)汽門全開而其他調(diào)節(jié)汽門都關(guān)閉時，調(diào)節(jié)級動葉受力最大，為調(diào)節(jié)級的最危險工況）

1.汽缸沿圓周上溫度的均勻性

節(jié)流調(diào)節(jié)原多應用于小型機組，目的是使調(diào)節(jié)系統(tǒng)及汽缸的結(jié)構(gòu)簡單，但是，現(xiàn)在大型機組亦有采用節(jié)流調(diào)節(jié)，其理由是：節(jié)流調(diào)節(jié)可以做到全周進汽，使汽缸在進汽段（高溫段）溫度均勻，汽缸結(jié)構(gòu)簡單，減小汽缸體內(nèi)的熱應力和因溫度不勻引起的翹曲。對于大型機組采用節(jié)流調(diào)節(jié)時，為著避免節(jié)流調(diào)節(jié)閥尺寸過大，開啟閥門所需要的提升力過大，將節(jié)流調(diào)節(jié)閥設計成為相同的若干個，外觀上與噴嘴調(diào)節(jié)相同，但各閥同步開啟和關(guān)閉。當用數(shù)個調(diào)節(jié)閥時，可以在機內(nèi)內(nèi)部聯(lián)通成為全周進汽，亦可以分為幾個弧段進汽（降低汽缸承受的最大壓差），這時進汽度稍小于1

噴嘴調(diào)節(jié)是幾個調(diào)節(jié)閥分別向幾個對應的噴嘴弧段供汽，隨著負荷的增加，各閥依次開啟^[15]。為使汽缸結(jié)構(gòu)簡化，調(diào)節(jié)閥可設計安置在機旁，用導汽管與汽缸內(nèi)噴嘴弧段（蒸汽室）相聯(lián)。因考慮熱膨脹，導汽管甚長，使調(diào)節(jié)閥后有一不小的中間容積。當調(diào)節(jié)閥的數(shù)目較多、閥的尺寸較小時，亦有直接布置在上汽缸和下汽缸上，與汽缸直接相連。由于噴嘴調(diào)節(jié)的噴嘴弧段是依次投入工作的，所以有一些弧段內(nèi)為新汽，有一部分是節(jié)流后的新汽，當調(diào)節(jié)閥尚未開啟時，該噴嘴弧段中的壓力和溫度和調(diào)節(jié)級后相等，使噴嘴弧段間的溫差甚大，同時與其相鄰及相接的汽缸亦有較大的溫差；加上在調(diào)節(jié)級只有調(diào)節(jié)閥開啟的弧段有強烈蒸汽流動，對應于未開啟調(diào)節(jié)閥的弧段沒有蒸汽流動。這些都將導致調(diào)節(jié)級處汽缸沿周向溫度不均勻，除在汽缸體內(nèi)會引起熱應力外，還會使汽缸產(chǎn)生熱翹曲。為了保證安全運行，使得汽輪機的前軸封和第一非調(diào)節(jié)級的噴嘴板汽封的徑向間隙不能調(diào)得過小，否則會引起動、靜之間碰磨，使機組發(fā)生事故。但較大的汽封間隙將增大漏汽量，降低效率。有一些機組采用了噴嘴調(diào)節(jié)，又不希望在調(diào)節(jié)級汽缸處有過大的熱應力和熱變形，故設計成在開機及低負荷時各調(diào)節(jié)閥都開一些，各噴嘴弧段都有一些蒸汽通過，使汽缸圓周間溫度較均勻。隨著負荷增加，進入汽輪機的流量隨之增大，除正常工作的噴嘴弧段外，其它調(diào)節(jié)閥及相應的噴嘴弧段又停止進汽，只有到大負荷時方重新開啟。純滑壓運行常是調(diào)節(jié)閥全開，新汽溫度維持不變，故汽缸在進汽段沿圓周間溫度是均勻的。另外，有些機組滑壓運行時不是讓各調(diào)節(jié)閥都全開，這時汽缸沿圓周溫度將不均勻。

對于節(jié)流調(diào)節(jié)或滑壓調(diào)節(jié)，由于調(diào)節(jié)級工作噴嘴數(shù)不變，工作時通流面積不變，調(diào)節(jié)級前溫度近似不變或不變；則認為在不同進汽流量下，調(diào)節(jié)級前后壓力比近似認為不變，即焓降不變，葉片上所受到的蒸汽作用力只是隨著流量的增大而增大，故在最大流量時，葉片受力為最大。對于噴嘴調(diào)節(jié)，當?shù)谝粋€調(diào)節(jié)閥剛?cè)_時，噴嘴前的壓力近于新汽壓力，調(diào)節(jié)級后壓力由于流量較小而較低，故這時級的焓降為最大。同時級前后壓差亦為最大，這時雖然全機流量并不大，但通過每一個工作噴嘴的流量卻為最大（常為臨界流量），故這時作用到與工作噴嘴相對應的葉片上所受的蒸汽作用力要比額定工況時大得多^[16]。加上工作葉片有時有工作蒸汽流過，有時又沒有，使葉片所受到的擾動力很大，動應力大。調(diào)節(jié)葉片強度即按此工況設計，所以對調(diào)節(jié)級葉片強度要求很高，常把葉根設計成雙T型，或者橄樹型。葉片的寬度亦隨機組的容量增大而增大，葉寬由高壓機組的50mm左右逐步增大到75mm、100mm，甚至大到120mm左右，而相同參數(shù)及容量的節(jié)流調(diào)節(jié)機組，第一級葉片的寬度只有70～80mm。噴嘴調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)級葉片在葉頂還需要較厚的包箍或雙包箍，有時調(diào)節(jié)級就采用分流，而第一壓力級并不分流，目的之一也是為了降低調(diào)節(jié)級葉片應力。為了減小噴嘴調(diào)節(jié)機組低負荷時的應力，應當增大第一個調(diào)節(jié)閥全開時的流量，提高調(diào)節(jié)級后壓力，減小這時調(diào)節(jié)級的理想焓降。若采用較大尺寸的第一個調(diào)節(jié)閥，又會引起閥門設計和制造上的麻煩，并使開啟閥門的提升力過大，調(diào)節(jié)閥零件不能互換等缺點，故常用的方法是讓第一、二個調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)相同并同時開啟，要比只一個調(diào)節(jié)閥全開時全機流量大一倍，調(diào)節(jié)級后壓力亦高一倍，使焓降變小，有時還會使通過每個葉片的流量變?。ㄗ?yōu)椴怀R界），使調(diào)節(jié)級葉片應力變小。

對于噴嘴調(diào)節(jié)的機組，在負荷變小時，調(diào)節(jié)級級后壓力變低，調(diào)節(jié)級的焓降增大，使調(diào)節(jié)級后的汽溫隨負荷升降而變動，這就使轉(zhuǎn)子和汽缸受到冷卻或加熱，它們的內(nèi)外溫差增大，引起較大的交變熱應力，因而限制了機組的負荷變化速度，以保證機組一定的使用壽命。對于節(jié)流調(diào)節(jié)，汽輪機在低負荷運行時，用調(diào)節(jié)閥節(jié)流降低新汽壓力，汽溫亦有些降低，但在流量由100%下降到25％時（以CLN600-24.2/566/566型600MW汽輪機為例）汽溫只下降38℃，只是噴嘴調(diào)節(jié)的三分之一多些，故負荷適應性能較好^[17]。對于滑壓調(diào)節(jié)，在負荷降低新汽壓力降低時，但新汽溫度不變，則轉(zhuǎn)子及汽缸最高溫度在負荷變動時基本不變，這樣就允許機組的負荷有較快的變動，即機組的適應性為最好。

在負荷變動時，高壓缸排汽溫度亦將發(fā)生變化，當流量由100％減小到25％時，對噴嘴調(diào)節(jié)的機組，高壓缸排汽溫度下降108℃，節(jié)流調(diào)節(jié)只下降21℃，而滑壓調(diào)節(jié)還升高8℃。由上可以看出，對于節(jié)流調(diào)節(jié)的機組，在流量由100％下降到25％時，高壓缸內(nèi)的蒸汽溫度平均下降20～40℃，滑壓調(diào)節(jié)時高壓缸內(nèi)蒸汽、汽缸溫度近似于不變。故從整個高壓轉(zhuǎn)子和汽缸的溫度變化大小來看，噴嘴調(diào)節(jié)不適于負荷快速變化，滑壓調(diào)節(jié)的負荷適應性最好。

應當注意，上述的數(shù)據(jù)都是對穩(wěn)態(tài)而言，對于動態(tài)過程，由于中間再熱機組有一甚大的中間再熱容積，容積時間常大到10～15s，這使得在汽輪機負荷變動時，例如負荷降低時，高壓缸的排汽壓力、中間再熱壓力較緩慢的下降，對于調(diào)節(jié)級或者節(jié)流調(diào)節(jié)的第一級來講，距中間再熱容積較遠，受中間再熱容積的壓力影響較小，隨著負荷下降，流量下降，壓力較快下降，但不是階躍式下降；對于距中間容積最近的一些級，例如高壓缸最后一個級組，因級組前的壓力因流量減小而降低，但級組后壓力受中間容積中壓力慣性的影響下降得很少，使得這一級組的焓降變小，效率變低，使高壓缸的排汽溫度不但不隨負荷的降低而降低，反而有所升高，然后高壓缸排汽溫度再隨著中間再熱容積壓力降低而降低。

對于節(jié)流調(diào)節(jié)和滑壓調(diào)節(jié)來講，高壓缸的理想焓降在負荷變動時，基本上不變，當流量由100％下降到25％時，節(jié)流調(diào)節(jié)高壓缸理想焓降基本上不變，只稍有增加，約4.2kJ/kg，對滑壓調(diào)節(jié)亦是稍有增加，增加23kJ/kg，即理想焓降分別增大3％及5%，故高壓缸的相對內(nèi)效率可以近似地認為不變。

對于噴嘴調(diào)節(jié)而言，全開調(diào)節(jié)閥后壓力近似于不變，而高壓缸的排汽壓力因流量減小而降低，使蒸汽在高壓缸內(nèi)的理想焓降增大361.7kJ/kg，非調(diào)節(jié)級的理想焓降因噴嘴前溫度變低，還會變少一些，調(diào)節(jié)級的理想焓降比此值還大一些（393kJ/kg)，使調(diào)節(jié)級的理想焓降增大了幾倍（3.13倍），亦即使級的速度比變小，離開設計點較多，使調(diào)節(jié)級的效率顯著下降，高壓缸的相對內(nèi)效率下降。

根據(jù)對調(diào)節(jié)方案的分析，從熱效率來看，節(jié)流調(diào)節(jié)及滑壓調(diào)節(jié)都因初壓變低，使每公斤蒸汽的作功能力變小，而噴嘴調(diào)節(jié)的每公斤蒸汽作功能力為最大。雖然噴嘴調(diào)節(jié)因高壓缸排汽溫度下降，使蒸汽在再熱器中吸熱量增大，仍可能是噴嘴調(diào)節(jié)的熱效率高些。對具體機組要具體分析，進行比較最后方能決定^[18]。一般地說，對于超高壓機組，在負荷變低時，還是噴嘴調(diào)節(jié)的熱效率稍高些、稍經(jīng)濟些，或者說與滑壓調(diào)節(jié)的熱效率相近。對于額定負荷來講，噴嘴調(diào)節(jié)時仍是部分進汽，所以調(diào)節(jié)級有鼓風損失和斥汽損失，使調(diào)節(jié)級效率稍低，而節(jié)流調(diào)節(jié)和滑壓調(diào)節(jié)，可以設計成全周進汽，或者部分進汽度較大，斥汽損失、鼓風損失較小，故在額定負荷時調(diào)節(jié)級的效率稍高，較噴嘴調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)級的效率高出0.4%～0.6%，此數(shù)值雖小，對于經(jīng)常在滿負荷下運行的大機組，亦是一個不可忽視的因素^[19]。

汽輪機配汽方式詳解