胡遠(yuǎn)濤，張 琰，張 聰

(1.上海電力股份有限公司，上海 200010；2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233；3.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎| 濟(jì)南 250013)

“十三五”期間，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，全社會(huì)用電增速明顯放緩，我國(guó)電力供應(yīng)將進(jìn)入持續(xù)寬松的新階段。目前，300 MW機(jī)組在火電中仍占一定比重，某廠國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型300 MW汽輪機(jī)投產(chǎn)于1996年，為改善機(jī)組安全運(yùn)行條件并提高效率，該廠對(duì)汽輪機(jī)通流部分進(jìn)行了升級(jí)改造，設(shè)計(jì)銘牌功率提高至320 MW。由于蒸汽流動(dòng)中存在沿程阻力和局部阻力等原因，將在高壓進(jìn)汽閥中產(chǎn)生壓力損失[1]。對(duì)于300 MW亞臨界及其以上汽輪機(jī)組，當(dāng)汽輪機(jī)高壓進(jìn)汽閥的蒸汽壓力損失上升1%，高壓缸效率則大約下降0.14%[2]。針對(duì)該機(jī)組的特點(diǎn)，根據(jù)汽輪機(jī)同流改造后的滑壓運(yùn)行試驗(yàn)和通類型機(jī)組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得出機(jī)組在調(diào)峰范圍內(nèi)的滑壓運(yùn)行參考曲線，選擇合適的閥門開啟順序，并對(duì)典型運(yùn)行工況的閥門內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)閥門管理方式給出積極建議。

本文模擬所使用的高壓進(jìn)汽閥為聯(lián)合進(jìn)汽閥，由1個(gè)主汽閥和3個(gè)調(diào)節(jié)汽閥的蒸汽室組成，主汽閥是臥式布置，調(diào)節(jié)汽閥是立式布置[3-4]。

1 系統(tǒng)閥門管理

對(duì)于定壓運(yùn)行的變負(fù)荷機(jī)組而言，汽輪機(jī)負(fù)荷或轉(zhuǎn)速的變化是通過改變調(diào)節(jié)閥的進(jìn)汽量來實(shí)現(xiàn)，通過改變調(diào)節(jié)閥啟閉個(gè)數(shù)和開度即進(jìn)汽面積來調(diào)節(jié)進(jìn)汽量。根據(jù)進(jìn)汽面積改變方式的不同，把調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)方式分為兩種：節(jié)流調(diào)節(jié)(或稱為單閥調(diào)節(jié))和噴嘴調(diào)節(jié)(或稱為順序閥調(diào)節(jié))，也就是全周進(jìn)汽和部分進(jìn)汽。

節(jié)流調(diào)節(jié)方式下，各調(diào)節(jié)閥同時(shí)啟閉來改變進(jìn)汽的面積，在任何負(fù)荷下每個(gè)調(diào)節(jié)閥的開度均相同，調(diào)節(jié)級(jí)為全周進(jìn)汽。噴嘴調(diào)節(jié)時(shí)，通過順序開啟各調(diào)節(jié)閥來改變進(jìn)汽面積，部分負(fù)荷時(shí)只有一個(gè)(或多個(gè))閥門有節(jié)流損失，其余閥門或全開，或全關(guān)，調(diào)節(jié)級(jí)為部分進(jìn)汽。根據(jù)兩種調(diào)節(jié)的特性，在機(jī)組啟動(dòng)、升速和變負(fù)荷過程中，希望采用節(jié)流調(diào)節(jié)均勻加熱；而當(dāng)均勻加熱完成后，希望采用噴嘴調(diào)節(jié)提高機(jī)組的效率。閥門的切換就是這兩種調(diào)節(jié)方式的轉(zhuǎn)換，可以有效解決機(jī)組運(yùn)行快速性和經(jīng)濟(jì)性的矛盾。閥門管理可以實(shí)現(xiàn)多種配汽規(guī)律并能實(shí)現(xiàn)各種配汽規(guī)律的無擾切換，使汽輪機(jī)可最有效運(yùn)行。

2 通流改造后的滑壓運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)

機(jī)組通流部分改造后，銘牌功率有了提高，但為了適應(yīng)改造后機(jī)組功率的提高，對(duì)其進(jìn)行滑壓運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)。以單元機(jī)組為研究對(duì)象，分別在250，190，130 MW負(fù)荷點(diǎn)下，測(cè)定汽輪機(jī)在不同進(jìn)汽壓力下的機(jī)組熱效率和缸效率，通過分析比較確定各負(fù)荷點(diǎn)機(jī)組滑壓運(yùn)行的最佳壓力參數(shù)，得出機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行范圍內(nèi)的最佳滑壓曲線。試驗(yàn)工況見表1。

為便于在同一負(fù)荷下對(duì)各工況的試驗(yàn)結(jié)果在同一基礎(chǔ)上進(jìn)行比較，根據(jù)汽輪機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)程及汽輪機(jī)制造廠提供的各項(xiàng)目修正曲線，對(duì)機(jī)組試驗(yàn)熱耗進(jìn)行修正。修正包括參數(shù)偏差和系統(tǒng)條件偏差對(duì)熱耗的影響，參數(shù)包括主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、再熱蒸汽溫度和汽輪機(jī)排汽壓力；系統(tǒng)條件包括過熱器減溫水流量和再熱器減溫水流量。

修正后熱耗率[5]如下：

q=q0(1-ε1-ε2-ε3-ε4)-(q1+q2)

(1)

式中q，q0——修正后熱耗率、試驗(yàn)熱耗率；q1，q2——過熱器減溫水、再熱器減溫水對(duì)熱耗率的修正量；ε1，ε2，ε3，ε4——主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、再熱蒸汽溫度、汽輪機(jī)排氣壓力的熱耗修正率。

2.1 250 MW工況試驗(yàn)結(jié)果與分析

機(jī)組在250 MW負(fù)荷下，汽輪機(jī)不同進(jìn)汽壓力下的熱耗率試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表1得出，機(jī)組在250 MW負(fù)荷下，工況1的汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力為16.50 MPa時(shí)，經(jīng)過修正的熱耗率比工況2低。由此得出，機(jī)組負(fù)荷高于250 MW以上時(shí)，汽輪機(jī)定壓運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較好，即額定進(jìn)汽壓力16.70 MPa。

表2 250 MW負(fù)荷下各試驗(yàn)工況試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)同類型汽輪機(jī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，機(jī)組負(fù)荷約220 MW以上，汽輪機(jī)定壓運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性比滑壓運(yùn)行好。因此，機(jī)組負(fù)荷在220～320 MW區(qū)間，推薦汽輪機(jī)定壓運(yùn)行，即汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力為額定值16.70 MPa。

2.2 190 MW工況試驗(yàn)結(jié)果與分析

機(jī)組在190 MW負(fù)荷下，汽輪機(jī)不同進(jìn)汽壓力下的熱耗率試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 190 MW負(fù)荷下各試驗(yàn)工況試驗(yàn)結(jié)果

由表3得出，在機(jī)組190 MW負(fù)荷下，工況3的汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力為12.6 MPa時(shí)，其熱耗率比工況1、工況2低(修正后熱耗率)。由此得出，機(jī)組負(fù)荷約190 MW時(shí)，汽輪機(jī)調(diào)門閥位接近3閥全開(即2+45%，第4閥尚未開啟)，此時(shí)汽輪機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較好。

2.3 130 MW工況試驗(yàn)結(jié)果與分析

機(jī)組在130 MW負(fù)荷下，汽輪機(jī)不同進(jìn)汽壓力下的熱耗率試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4得出，在機(jī)組130 MW負(fù)荷下，工況3的汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力為10.22 MPa時(shí)，其熱耗率比工況1、工況2低。由此得出，機(jī)組負(fù)荷約130 MW時(shí)，汽輪機(jī)調(diào)門閥位接近3閥全開(即2+45%，第4閥尚未開啟)，此時(shí)汽輪機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較好。

表4 130 MW負(fù)荷下各試驗(yàn)工況試驗(yàn)結(jié)果

2.4 滑壓運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果與分析

機(jī)組在調(diào)峰范圍內(nèi)的汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 機(jī)組在調(diào)峰范圍內(nèi)的汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)同類型汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行特性，推薦機(jī)組在調(diào)峰范圍內(nèi)的汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行參數(shù)見表6。季節(jié)不同有所變化。

表6 機(jī)組在調(diào)峰范圍內(nèi)的汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行參考參數(shù)

機(jī)組在調(diào)峰范圍內(nèi)的汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行參考曲線見圖1。

圖1 機(jī)組在調(diào)峰范圍內(nèi)的汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行參考曲線

機(jī)組負(fù)荷在220～320 MW區(qū)間，推薦汽輪機(jī)定壓運(yùn)行，進(jìn)汽壓力為額定值16.7 MPa。機(jī)組負(fù)荷在130～220 MW區(qū)間，推薦汽輪機(jī)調(diào)門閥位調(diào)整在接近3閥全開[2+(40%～45%)，第4閥將開未開啟]，汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行，壓力隨汽輪機(jī)調(diào)門閥位而變化。

3 數(shù)值模擬

根據(jù)滑壓運(yùn)行試驗(yàn)情況探討調(diào)節(jié)閥實(shí)際的運(yùn)行管理模式。對(duì)于噴嘴調(diào)節(jié)來說，一般有兩種進(jìn)汽方式：對(duì)角進(jìn)汽和順序進(jìn)汽。這兩種進(jìn)汽方式具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)[6]。

(1) 采用順序進(jìn)汽時(shí)，調(diào)節(jié)閥上產(chǎn)生的蒸汽推力對(duì)軸產(chǎn)生的附加作用力較大；采用對(duì)角進(jìn)汽由于是上下缸一起進(jìn)汽，調(diào)節(jié)閥上下產(chǎn)生的蒸汽推力方向相反，對(duì)軸產(chǎn)生的附加作用力小。

(2) 對(duì)于順序進(jìn)汽，汽流對(duì)動(dòng)葉片的激振為2次/圈；對(duì)于對(duì)角進(jìn)汽，汽流對(duì)動(dòng)葉片的激振為3～4次/圈。

(3) 對(duì)于順序進(jìn)汽，在正常負(fù)荷時(shí)汽缸是半邊受熱，所以致使汽缸的溫差較大；但是對(duì)于對(duì)角進(jìn)汽，汽流對(duì)稱進(jìn)入汽缸，可以避免汽缸溫差較大。

由于目前使用的配汽機(jī)構(gòu)不適用于對(duì)角進(jìn)汽，所以仍使用順序進(jìn)汽。在此前提下，如何優(yōu)化進(jìn)汽順序，使得蒸汽對(duì)軸的附加推力最小、汽缸上下溫差最小、熱應(yīng)力最小等問題則必須考慮到。

改造后汽輪機(jī)組的調(diào)節(jié)閥開啟順序?yàn)?-2-4-3-6-5，如圖2所示。主蒸汽進(jìn)汽時(shí)，1號(hào)和2號(hào)調(diào)節(jié)閥同時(shí)開啟，隨著負(fù)荷的增加依次順序開啟4，3，6，5號(hào)調(diào)節(jié)閥。

圖2 改進(jìn)后調(diào)節(jié)閥開啟順序示意圖

按照調(diào)節(jié)閥開啟順序，選取該機(jī)組的320，300，270，230，200，160，140，120 MW等典型工況進(jìn)行聯(lián)合進(jìn)汽閥A，B內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬，如圖3至9所示。機(jī)組典型運(yùn)行工況下的調(diào)節(jié)閥壓損情況如表7所示。

表7 機(jī)組典型運(yùn)行工況下的調(diào)節(jié)閥壓損情況 %

圖3 聯(lián)合進(jìn)汽閥A，B截面X=0的速度云圖(機(jī)組負(fù)荷為320 MW)

圖4 聯(lián)合進(jìn)汽閥A，B截面X=0的速度云圖(機(jī)組負(fù)荷為300 MW)

圖5 聯(lián)合進(jìn)汽閥A，B截面X=0的速度云圖(機(jī)組負(fù)荷為270 MW)

圖6 聯(lián)合進(jìn)汽閥A，B截面X=0的速度云圖(機(jī)組負(fù)荷為230 MW)

圖7 聯(lián)合進(jìn)汽閥A，B截面X=0的速度云圖(機(jī)組負(fù)荷為200 MW)

圖8 聯(lián)合進(jìn)汽閥A，B截面X=0的速度云圖(機(jī)組負(fù)荷為160 MW)

圖9 聯(lián)合進(jìn)汽閥A，B截面X=0的速度云圖(機(jī)組負(fù)荷為140 MW)

結(jié)合圖3至圖9，分析表7中的數(shù)據(jù)可得到。

(1)負(fù)荷降低時(shí)，隨著開度的減小，流量降低，單個(gè)調(diào)節(jié)閥壓損的大小不僅受開度和流量的影響，還受同一個(gè)聯(lián)合進(jìn)汽閥中其他調(diào)節(jié)閥的影響。

(2) 同一負(fù)荷時(shí)，1號(hào)和2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)調(diào)節(jié)閥開度相同，流量相同的條件下，1號(hào)調(diào)節(jié)閥和3號(hào)調(diào)節(jié)閥的壓損分別比2號(hào)調(diào)節(jié)閥和4號(hào)調(diào)節(jié)閥的壓損要大。1號(hào)和2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)調(diào)節(jié)閥在聯(lián)合進(jìn)汽閥中具有相同的位置，主蒸汽通過主汽閥喉部后，在主汽閥軸線的上方交匯，主蒸汽不能順利進(jìn)入1號(hào)和2號(hào)調(diào)節(jié)閥，在主汽閥喉部和1號(hào)和2號(hào)調(diào)節(jié)閥之間的上部形成了漩渦，下部形成了流動(dòng)死區(qū)，造成了流動(dòng)不均勻，產(chǎn)生了較大的壓力損失。通過主汽閥喉部能量較低的蒸汽大部分進(jìn)入了1號(hào)和2號(hào)調(diào)節(jié)閥，其他蒸汽繞過1號(hào)和2號(hào)調(diào)節(jié)閥閥桿分別流向3號(hào)和4號(hào)調(diào)節(jié)閥，此時(shí)的蒸汽已經(jīng)充分混合，速度方向相差不大，可以相對(duì)平緩的分別進(jìn)入5號(hào)和4號(hào)調(diào)節(jié)閥喉部。同樣的原理，如果5號(hào)和6號(hào)調(diào)節(jié)閥也同時(shí)開啟，蒸汽經(jīng)過3號(hào)和4號(hào)調(diào)節(jié)閥閥桿，更平緩地進(jìn)入5號(hào)和6號(hào)調(diào)節(jié)閥喉部。因此，雖然5號(hào)閥中蒸汽的流程比3號(hào)閥的長(zhǎng)，更比1號(hào)閥的長(zhǎng)，5號(hào)閥和3號(hào)閥的壓力損失相差不多，小于1號(hào)閥，同理，6號(hào)閥和4號(hào)閥的壓力損失相差不多，小于2號(hào)閥；聯(lián)合進(jìn)汽閥A，B中1號(hào)和2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)位置相對(duì)應(yīng)，由于受到5號(hào)和6號(hào)調(diào)節(jié)閥開度的影響，1號(hào)和3號(hào)調(diào)節(jié)閥的壓力損失分別比2號(hào)和4號(hào)調(diào)節(jié)閥的大。

(3) 滑壓試驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)果大體一致。但是機(jī)組負(fù)荷在200，160，140 MW時(shí)，數(shù)值模擬采用的調(diào)節(jié)閥開度分別為2+50%+80%、2+20%+40%、2+25%，根據(jù)分析所得，這種調(diào)節(jié)閥閥位優(yōu)于試驗(yàn)結(jié)論2中的調(diào)節(jié)閥閥位，產(chǎn)生的壓損較小。

4 結(jié)語

通過對(duì)滑壓運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)及數(shù)值模擬可以得到如下結(jié)論。

(1) 通過滑壓運(yùn)行試驗(yàn)可得：機(jī)組負(fù)荷在220～320 MW區(qū)間，汽輪機(jī)定壓運(yùn)行，進(jìn)汽壓力為額定值16.7 MPa；機(jī)組負(fù)荷在130～220 MW區(qū)間，汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行，壓力隨汽輪機(jī)調(diào)門閥位而變化。

(2) 負(fù)荷減小時(shí)，流量隨開度的減小而減小，單個(gè)調(diào)節(jié)閥壓損的大小不僅受開度和流量的影響，還受同一個(gè)聯(lián)合進(jìn)汽閥中另外兩個(gè)調(diào)節(jié)閥開度和流量的影響。

(3) 同一負(fù)荷時(shí)，同一聯(lián)合進(jìn)汽閥中的調(diào)節(jié)閥內(nèi)的蒸汽相互影響。

(4) 滑壓試驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)果大體一致。