大型汽輪機主蒸汽流量測量方法

　　為了提高經濟性，大型汽輪機主蒸汽流量一般不通過流量測量裝置獲得，而是通過計算的方法獲得。在對火電機組進行在線性能監測時，需用主蒸汽流量來計算熱耗率等經濟指標，主蒸汽流量計算精度低會引起熱耗率計算值的較大偏差。目前廣泛采用弗留格爾公式計算主蒸汽流量，而采用BP神經網絡或支持向量機回歸的新方法理論上也是可行的。由于汽輪發電機組工況變動頻繁，影響主蒸汽流量的因素眾多，要保證其較高的在線計算精度較為困難。
　　
　　一、現有主蒸汽流量計算方法比較
　　
　　1.1弗留格爾公式
　　
　　弗留格爾公式用來描述汽輪機變工況時的流量特性有兩種常見形式：　　
　　式（1）用于凝汽式汽輪機調節級后流量計算，式（2）用于單個壓力級級組流量計算。
　　
　　式（1）應用條件為：工況變化前后，調節級后的通流部分面積不變，抽汽流量與主蒸汽流量為線性關系。式（2）應用條件為：級組內有足夠多的級數，蒸汽流速為亞音速，且通流面積不變。二式中的流量原意是指通流部分流量，考慮到汽封和閥桿的漏汽流量相對較少且與主蒸汽量近似成正比關系，故一般換成主蒸汽流量來處理。
　　
　　式（1）是由理想氣體公式推導而來，理想氣體與高壓蒸汽的性質有顯著差異，故用式（1）計算高壓蒸汽流量是不合理的。作為替代，可借用噴嘴臨界流量變工況公式來計算凝汽式汽輪機的主蒸汽流量：　　
　　考慮到某些汽輪機調節級后無溫度測點，推導出一個以主蒸汽溫度進行修正的噴嘴配汽計算主蒸汽流量的半經驗公式，但形式稍復雜，系數的確定也較困難。
　　
　　式（1）的應用條件在電廠實際生產過程中不易得到滿足，故應用式（2）針對調節級后第1壓力級級組進行主蒸汽流量計算，并且以一段抽汽（一抽）溫度代替調節級后溫度進行修正。
　　
　　根據式（1），利用熱力試驗得到比較的主蒸汽流量，確定了流量公式的修正系數，在常見運行工況下使計算誤差小于2％。式（1）的適用條件和實際過程的差異進行了討論，分析了鍋爐再熱器內的流動、再熱器減溫水、廠用汽、加熱器、暖風器、汽動給水泵投停、再熱蒸汽溫度變化、通流面積變化、蒸汽容積動態特性等因素的影響。提出以高壓缸內所有壓力級組成的級組為對象，結合試驗數據應用式（2）計算主蒸汽流量，而當高壓加熱器（高加）停運時用試驗系數來修正主蒸汽流量。研究了汽輪機采用噴嘴配汽方式時調節級的部分進汽度對主蒸汽流量計算精度的影響。
　　
　　1.2BP神經網絡或支持向量機回歸
　　
　　基于BP神經網絡或支持向量機回歸的方法的特點是：可根據機組的現場實時數據自學習以提高主蒸汽流量計算精度，計算模型通用，通過有限的樣本數據訓練后可達到1％誤差的計算精度，可通過相關參數診斷通流部分面積是否變化并計算出相對正確的主蒸汽流量。然而，這類方法存在以下問題：提供的樣本都是機組數據采集系統（DAS）根據弗留格爾公式計算出來的，并非主蒸汽流量的真實值。只有通過熱力試驗才能得到較為可信的主蒸汽流量值。熱力試驗的工況點有限，得到的數據樣本數較少，并不能滿足訓練樣本數的需要。這類方法實現過程較復雜，而且尚未經過實際應用的驗證。
　　
　　二、新的主蒸汽流量計算方法
　　
　　2.13種主蒸汽流盆計算公式比較
　　
　　弗留格爾公式形式簡單，通過長期應用的檢驗已被證明可靠和有效，故本文以弗留格爾公式作為研究對象，應用式（1）-（3）對某臺660MW機組汽輪機的多個典型工況進行主蒸汽流量的計算，分析、比較這3種公式的計算精度。原始數據來源于該型汽輪機熱平衡設計資料（表1）。
　　
　　以額定工況作為標準工況，采用式（1）和式（2）計算主蒸汽流量，修正溫度取調節級后溫度。由調節級后壓力和溫度算出比體積，再用式（3）計算主蒸汽流量。3種公式計算出的主蒸汽流量與標準流量的相對誤差見圖1。
　　
　　從圖1看出，在工況1即額定工況，主蒸汽流量計算誤差為零。3種公式的誤差方向都一致，部分負荷時誤差為正，流量計算偏大；高于額定負荷時為負，流量計算偏小。在部分負荷范圍，式（l）和式（2）的誤差都較大，zui大誤差接近5%，而式（1）的誤差稍大于式（2）。
　　
　　在部分負荷工況下，式（3）的結果明顯優于式（1）和式（2），特別是滑壓運行的工況5、6、7，誤差小于0.5%，驗證了的正確性。定壓運行的工況2、3、4誤差稍大，超出了1%，這是由于噴嘴配汽時調節級存在部分進汽度，引起主蒸汽流量計算值偏大。
　　
　　工況8即高加停運工況式（2）的誤差小于1%，相對較好，而式（1）和式（3）的誤差都較大。
　　
　　2.2調節級后溫度修正方法
　　
　　當汽輪機采用噴嘴配汽時，調節級后沿周向的蒸汽溫度有較大差異，因此當汽輪機的調節級后無溫度測點或有溫度測點難以測得準確的級后溫度時，尋找替代調節級后的溫度參數，如一抽或高壓缸排汽（高排）的測點溫度，因其與調節級后溫度變化趨勢一致。由于同樣的原因，調節級后比體積也難以確定，因此式（3）的實用意義也受到影響。
　　
　　如果采用一抽溫度進行修正作為調節級后溫度還需考慮現場一抽溫度測點的位置應與通流部分抽汽級接近。如果測點位于抽汽管內，當高加停運時，由于無流量通過，溫度測量值會偏低。所以，使用高排溫度是一種較好的選擇，即使高加切除，高排測點處一直保持有一定流量通過。如果確定采用高排溫度進行修正，則可再根據高排壓力計算出高排比體積，故可用高排參數取代調節級后參數使用式（3）。
　　
　　2.3新的主蒸汽流量計算公式
　　
　　從圖1顯示的大多數工況的主蒸汽流量計算誤差結果來看，只有式（3）的精度較高，在高加切除工況，式（2）誤差zui小，式（1）相對其它兩式較差。所以，如果把式（2）和式（3）的優點結合起來可以得到一個較優的公式。
　　
　　式（2）的適用條件簡單，容易滿足，其排除了蒸汽比體積動態特性和級組后所有設備工況變化的影響，所以應優先選用。目前大型汽輪機高壓缸內的第1壓力級組后往往是一段給水加熱抽汽口，應把對象確定為第1壓力級組。至于高加投停、廠用汽投停、再熱器減溫水等因素對第1壓力級組以后的通流部分變化的影響，可以體現到該級組前后參數的變化上。式（3）采用壓力和比體積的乘積pv來修正，計算精度較高。因此，提出一個新的主蒸汽流量計算公式：　　
　　表2給出了分別利用一抽溫度、高排溫度代替調節級后溫度，以及分別用調節級后和高排后pv進行修正，采用式（2）、式（4）計算主蒸汽流量的誤差。計算所用初始數據取自表1。　　
　　從表2可見，式（2）用高排溫度修正略小于用一抽溫度修正的誤差，但在部分負荷工況時仍較大。從工況8、9的計算結果看，式（2）或式（4）*可以應對高加切除、供廠用汽這兩種特殊工況，而不需要再用其它系數加以修正。從式（4）的部分負荷工況的結果看，定壓工況和滑壓工況的差異很小，說明采用高排參數代替調節級后參數進行修正實際上補償了定壓運行噴嘴配汽時部分進汽度的影響，這樣在式（4）中就不需要對這一因素單獨做修正，從而簡化了公式。式（4）在所有工況下的誤差均小于l%，尤其在部分負荷工況計算誤差更小，改進效果明顯。
　　
　　對于調節級結垢引起通流面積減小的問題，由于是一個緩慢的過程，可以通過定期的汽輪機性能試驗診斷出來，方法就是利用弗留格爾公式，將試驗數據與歷史數據作對比，找出一個通流面積修正系數對式（2）或式（4）進行修正。
　　
　　三、結語
　　
　　汽輪機主蒸汽流量的在線計算精度在性能監測中較為重要。本文在弗留格爾公式的基礎上，分析比較了常見的幾種主蒸汽流量計算方法，并結合現場實踐經驗，提出了一種新的汽輪機主蒸汽流量計算公式及其修正方法。對某臺660MW汽輪機的計算結果表明，所提出的汽輪機主蒸汽流量計算公式在各種典型工況下都具有較高的精度，具有一定的應用價值。
　　
　　由于汽輪機設計參數的性能與制造安裝后產品的實際參數性能會有所差異，本文提出的汽輪機主蒸汽流量計算公式在具體應用時，應以汽輪機熱力性能試驗數據為依據，靈活運用。