本发明涉及一种汽轮机效率的工程热力学方法，具体涉及一种汽轮机低压缸效率的直接测量方法。
背景技术：
目前，我国火电机组占整个发电装机容量的60％以上，汽轮机是火力发电厂中将热能转化为机械能的重要装置，随着技术的进步，汽轮机向高参数、大容量方向发展，目前主流的大型机组分别是1000mw超、超临界，600mm超、超临界，超临界、亚临界机组和300mw等级超临界、亚临界机组。无论容量大小，汽轮机基本结构均为：高、中、低压缸结构，其中上述大型机组汽轮机高、中压缸蒸汽工作在过热区，其效率可以通过直接测量高、中压缸入口、出口蒸汽参数(温度和压力)计算缸体入口蒸汽和出口的焓、熵，直接就可以计算出缸效率。具体如下：
根据实测的缸体进、出蒸汽参数来确定缸效率，见图1所示，计算公式如下：
式中：ηi－缸效率，％；
hi－缸体入口蒸汽焓，kj/kg；
ho－缸体出口蒸汽焓，kj/kg；
hs－缸体出口蒸汽等熵焓，kj/kg。
缸效率反应了缸体将蒸汽热能转化为动能的能力，表征了蒸汽做功的完善程度。低压缸入口蒸汽为过热蒸汽，出口蒸汽为湿蒸汽，入口蒸汽可以通过直接测量蒸汽的压力和温度，根据水蒸气热力性质，计算得到蒸汽的焓和熵，但出口蒸汽为湿蒸汽即蒸汽中含有水分，一般低压缸出口蒸汽设计干度约为80％-90％。不能直接通过测量压力和温度得到蒸汽的焓和熵。
低压缸效率的测试方法采用能量和流量平衡的方法：即测量输入汽轮机总能量q0，扣除汽轮机对外输出的功p，即为排入冷端系统(凝汽器)的总能量qc(qc＝q0-p)。再通过汽轮机的流量平衡，计算排入冷端系统(凝汽器)的总流量fc，通过qc/fc得到排汽焓，从而间接计算出低压缸效率。
上述常规低压缸效率测试方法存在明显的缺点：
(1)由于需要测量的参数较多，因此试验中需要的仪器、仪表数量较多，对300mw等级汽轮机大约需要50-60台压力变送器，60-80只热电偶，至少需要一台高精度电功率表，并且需要在系统中安装一只高精度asme凝结水流量喷嘴；
(2)该方法试验不确定度偏大，从能量和流量平衡的角度来说，系统中所有的测量误差和系统误差(包括热力系统内、外泄漏等因素)全部累计到能量或流量平衡计算中，从而累计到低压缸排汽焓的计算值中，影响低压缸效率结果的不确定度；
(3)由于采用的试验仪器、仪表较多，该方法试验成本较高。
(4)试验期间，需要对热力系统按照设计热平衡图的方式进行系统隔离，对一台300mw机组进行的低压缸效率试验，现场需要检查隔离状态的阀门约有200～300个左右，需要隔离操作的阀门约有60～100个，因此系统隔离的工作量大，且对正常运行的机组有一定的风险。
从上面的描述可以看出，常规低压缸效率测量方法需要采集的数据多、仪表需求量大、工作量大、计算方法复杂，并且试验期间对机组运行带来了一定安全风险。因此，在实际应用中往往只有机组投产后第一次性能验收或机组经过大的改造后才会进行低压缸效率测试。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种汽轮机低压缸效率的直接测量方法，该方法可以在较低成本、使用少量测试仪表及低安全风险的前提下，直接测试得到低压缸效率。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种汽轮机低压缸效率的直接测量方法，包括以下步骤：
1)布置、安装试验测点及数据采集系统，待测量的参数包括：低压缸入口蒸汽压力p1、低压缸入口蒸汽温度t1、低压缸排汽压力p2及低压缸排汽温度t2这四个参数，如果上述四个参数中单个参数为多重测量，则计算值取多重测量的平均值，数据采集系统采样周期小于或等于10秒；
2)将机组稳定在40％～60％额定负荷，在锅炉规程允许的安全范围内，将再热蒸汽温度调整至高于额定温度5～10℃，将机组背压调整至机组额定夏季背压；
3)机组稳定运行30分钟，将机组背压继续调高1～2kpa(调高机组背压的具体方法可以采用减少凝汽器入口循环水量、停运一台真空泵或通过真空破坏门放入适量的空气等方法来实现)；
4)机组稳定运行30分钟，通过实时采集数据判断低压缸排汽温度t2是否满足大于低压缸排汽压力p2对应饱和温度15℃以上，如果满足该条件，则进入步骤5)，不满足该条件，则重新进入步骤3)；
5)开始试验计时，采集30分钟试验数据，数据记录间隔为10秒/次，进入步骤6)；
6)整理试验数据，计算得到低压缸入口蒸汽焓hli、低压缸排汽焓hlo及低压缸排汽等熵焓hls，计算得到低压缸效率ηl。
本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法如下：
低压缸入口蒸汽压力p1采用在低压缸入口管道上开孔引出传压管的方式进行布置，低压缸入口蒸汽温度t1采用在管道上开孔安装焊接型温度套管的方式进行布置，低压缸入口蒸汽温度布置于低压缸入口蒸汽压力下游1倍管径之后；
低压缸排汽压力p2采用在低压缸排汽喉部安装网笼探头的方式进行布置，每个排汽通道安装2个网笼探头(p2计算值取多重测量参数的平均值)，低压缸排汽温度t2采用在低压缸排汽喉部截面开孔安装温度套管的方式进行布置，每个排汽通道至少布置2个排汽温度测点(t2计算值取多重测量参数的平均值)；
低压缸进汽压力p1及低压缸排汽压力p2测量均采用精度为0.075级的压力变送器进行测量，低压缸进汽温度t1采用精度为0.4级的工业e型热电偶进行测量，低压缸排汽温度t2采用精度为0.2级的精密级铂电阻进行测量；
数据采集系统采用imp分布式数据采集系统，精度为0.02级。
本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法如下：
201)退出汽轮机低真空保护；
202)通过减少进入机组凝汽器的循环水量，或调整机组抽真空系统工作状态，来提高机组运行背压；其中，国内通用湿冷机组额定背压为4.9kpa，夏季工况额定背压为11.8kpa。
本发明进一步的改进在于，步骤6)中，低压缸入口蒸汽焓hli、低压缸排汽焓hlo及低压缸排汽等熵焓hls计算方法为：
根据水蒸气热力性质表，采用低压缸入口蒸汽压力p1、入口蒸汽温度t1计算得到低压缸入口蒸汽焓hli、熵sli；
根据水蒸气热力性质表，采用低压缸排汽压力p2、低压缸排汽温度t2计算得到低压缸排汽焓hlo；
根据水蒸气热力性质表，采用低压缸进汽熵sli、低压缸排汽压力p2计算得到低压缸排汽等熵焓hls。
本发明进一步的改进在于，低压缸效率由公式(2)计算得到：
式中：ηl－低压缸效率，％；
hli－低压缸入口蒸汽焓值，kj/kg；
hls－低压缸排汽等熵焓，kj/kg；
hlo－低压缸排汽焓，kj/kg。
本发明具有如下有益的技术效果：
1、节约试验的各种成本，本发明仅用原来测试方法1/8不到的仪表，即可完成低压缸效率的测试，大大节省了试验仪表数量、简化了试验现场安装仪表工作量，避免了需要对热力系统隔离的潜在风险，简化了计算方法。
2、避开了原测试方式需要计算全厂能量和流量平衡推算低压缸效率的繁琐。也避免了热力系统中其他因素(如系统内、外泄漏)等对原低压缸测试带来的不确定度增加。简化的试验方法可以有效提高低压缸效率测试的不确定度，真实反应低压缸效率。
3、得到的缸效率与设计值得偏差δηi完全可以表征低压缸与设计状态的偏差程度，也可以反映机组改造(或大修)前、后缸效率的相对变化情况，便于评判改造(或大修)的效果。
本发明的主要技术要求点是：通过提高低压缸入口温度、有效提高了低压缸工作蒸汽的干度，再通过调高低压缸排汽压力p2，将低压缸排汽调整到过热区，用过热蒸汽性质，即低压缸排汽的压力p2和温度t2计算低压缸排汽焓hlo，从而得到低压缸效率。避免了通过间接计算的误差大、试验成本高的缺点。再通过比较设计干蒸汽状态下低压缸效率和试验干蒸汽工作状态下的低压缸效率的差δηi，就可以判断低压缸做功的完善程度。
综上所述，本发明提供的一种汽轮机低压缸效率的直接测量方法，通过采用非常少的仪表，辅助调整机组运行参数进行试验，即可得到低压缸效率。本试验方法能够显著减少仪表使用数量，使试验成本大幅度降低，并且降低了试验对机组带来的安全风险，得到的试验结果不确定较常规方法明显改善。
附图说明
图1为本发明一种汽轮机低压缸效率的直接测量方法的流程图。
图2为利用本发明方法进行低压缸效率测试时的汽轮机通流膨胀过程线示意图。
图3为根据实测的缸体进、出蒸汽参数来确定缸效率的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做出进一步的说明。
如图1所示，本发明提供的一种汽轮机低压缸效率的直接测量方法，包括：现场运行状态调整和核心内容及原理两部分：
1.机组运行状态调整
(1)在机组稳定运行工况下，调整机组负荷到40％-60％额定负荷；
(2)参考锅炉出口运行参数，调整主蒸汽参数(压力、温度)到额定参数(设计参数)、再热蒸汽温度到额定温度+5～10℃，即再热蒸汽温度高于额定设计温度5～10℃，并确保在锅炉规程允许的安全范围内。
(3)减少机组循环水量，或调整机组抽真空系统工作状态，提高机组运行背压到机组设计夏季工况背压，该背压为机组设计安全背压，对国内通用湿冷机组额定背压为4.9kpa，夏季工况背压一般为11.8kpa。在此工况下运行30分钟以上。
(4)继续减少循环水量或调整机组抽真空系统工作状态，将机组背压继续提高1～2kpa。
(5)在此工况下稳定运行30分钟，待参数温度后采集汽轮机低压缸入口参数(p1、t1)、出口蒸汽参数(p2、t2)。
(6)根据测试得到的低压缸出口温度t2核算低压缸排汽的状态(计算p2对应的饱和温度)，确保低压缸排汽温度t2高于低压缸排汽压力p2对应饱和温度15℃以上。
(7)若达到上述条件，可继续采集、记录试验数据30分钟、整理试验数据，并计算得到低压缸效率(依据公式(1))，若未达到可继续提高低压缸排汽压力1-2kpa，重复步骤(4)～(7)，测试得到低压缸效率。
2.本发明的主要技术核心内容及原理
(1)通过1中的步骤(2)提高了再热蒸汽温度，从而相应提高了低压缸入口蒸汽温度，与设计工况相比，提高了低压缸蒸汽的干度，改善工作在低压缸蒸汽的工作状态。
(2)通过1中的步骤(4)调整了低压缸排汽压力，使低压缸工作蒸汽的过程线上移到低压缸排汽压力下饱和线以上，并使低压缸排汽具有一定的过热度，如图3所示。
(3)根据饱和线以上蒸汽的状态计算蒸汽的焓值、从而计算该状态下低压缸效率ηi1。
(3)本发明通过整个上移低压缸膨胀过程线，从而巧妙的避开了低压缸湿蒸汽区测量困难的问题，如图2所示。
(4)低压缸效率对比
测量低压缸效率的目的是发现低压缸与设计值得偏差或运行一段时间后观察低压缸效率的变化情况。
本发明在过热区测试得到的低压缸效率ηi1无法完全与设计状态下(正常工作状态)的低压缸效率相比对，因此在依据本发明做测试前，需要汽轮机制造厂家给出一个与本发明类似参数下的干蒸汽低压缸效率设计值ηi0。
比较本发明的测试值ηi1与汽轮机设计厂家在相同工况下计算低压缸效率ηi0的差异，即可判断低压缸状态。
即δηi＝ηi0-ηi1
低压缸效率是低压缸将蒸汽热能转化为动能的工作状态的反应，缸效率值直接反映了蒸汽在低压缸中实际焓降与理想焓降的比值。因此，在干蒸汽区缸效率与设计值得差异δηi完全也能反应出同样工作在湿蒸汽工作时汽轮机低压缸效率与设计值的差异。