蘇忠強(qiáng)

(上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海 200240)

生物質(zhì)發(fā)電是可再生能源發(fā)電的重要組成部分，擴(kuò)大生物質(zhì)發(fā)電規(guī)模，可以加快電力低碳轉(zhuǎn)型步伐，也能為“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出積極貢獻(xiàn)。提高生物質(zhì)發(fā)電汽輪機(jī)效率可有效提高生物質(zhì)電廠的發(fā)電效率，降低生物質(zhì)燃料的消耗，減少碳排放，并節(jié)約成本。而調(diào)節(jié)級作為汽輪機(jī)通流的重要組成部分，功率占比大，提高調(diào)節(jié)級效率能在很大程度上提高汽輪機(jī)的通流效率。

由于汽輪機(jī)配汽機(jī)構(gòu)的變工況特性復(fù)雜,眾多行業(yè)專家對調(diào)節(jié)級已有多方面的研究。江浩等[1]以600 MW機(jī)組為例，分析了亞臨界機(jī)組和超臨界機(jī)組在不同調(diào)節(jié)閥配置下機(jī)組性能的變化，并說明了重疊度對2類機(jī)組性能的影響。藍(lán)吉兵等[2]采用全三維CFD方法，分析了不同葉型對調(diào)節(jié)級性能的影響。禹志根等[3]通過數(shù)值模擬分析了不同閥點(diǎn)下調(diào)節(jié)級過渡腔室對壓損的影響情況，得到閥點(diǎn)越小，壓損越大的結(jié)論。余建希等[4]以330 MW汽輪機(jī)為對象，驗證了用數(shù)學(xué)模型來分析推算調(diào)節(jié)閥后壓力和溫度的準(zhǔn)確性和可靠性。陳文等[5]基于600 MW機(jī)組現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)和數(shù)值分析的結(jié)果，提出調(diào)節(jié)級壓比是判斷調(diào)節(jié)閥流量特性的重要參數(shù)。萬忠海等[6]以600 MW機(jī)組為例，提出一種基于調(diào)節(jié)閥固有特性函數(shù)和調(diào)節(jié)級通用特性函數(shù)的汽輪機(jī)配汽端仿真計算方法，以探究參數(shù)變化對調(diào)節(jié)閥流量特性的影響及其規(guī)律。周海飛等[7]利用數(shù)值計算，分析負(fù)荷變化對調(diào)節(jié)級內(nèi)部流動特性和汽流激勵力特性的影響，指出負(fù)荷越小，損失系數(shù)越大，并且軸向汽流力和周向汽流力都呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。付濤等[8]分析了超超臨界機(jī)組的配汽方式，提出針對機(jī)組調(diào)峰情況對配汽方式進(jìn)行優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)更大的收益。

已有研究大多是針對調(diào)節(jié)級結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)和模擬分析，對于結(jié)合項目實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)來優(yōu)化調(diào)節(jié)級效率方面的研究成果較少。本文主要針對采用噴嘴調(diào)節(jié)的某25 MW生物質(zhì)發(fā)電汽輪機(jī)，結(jié)合生物質(zhì)機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)，在最大通流能力一定的條件下討論調(diào)節(jié)閥與噴嘴布置優(yōu)化的問題，并得出了該機(jī)組閥門重疊度對調(diào)節(jié)級性能的影響數(shù)值，旨在為選取合適的閥門重疊度、提升機(jī)組效率提供技術(shù)支持。

1 配汽方式與閥點(diǎn)優(yōu)化說明

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級調(diào)節(jié)方式一般分為節(jié)流調(diào)節(jié)和噴嘴調(diào)節(jié)。節(jié)流調(diào)節(jié)指所有進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽都經(jīng)過1個閥門或幾個同時啟閉的閥門后再進(jìn)入汽輪機(jī)第1級。噴嘴調(diào)節(jié)的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級噴嘴分為若干組，每組噴嘴由1個調(diào)節(jié)閥控制，利用閥門開度來控制噴嘴流量，從而調(diào)整進(jìn)汽流量，因此可以在部分負(fù)荷下合理開啟與關(guān)閉閥門，減少閥門的節(jié)流損失[9]。

因燃料季節(jié)變化，生物質(zhì)電廠汽輪機(jī)運(yùn)行的負(fù)荷變化范圍較大，一般在40%～100%額定負(fù)荷之間，這就使得汽輪機(jī)不得不進(jìn)行深度變負(fù)荷運(yùn)行。這對機(jī)組變工況性能提出了較高的要求。采用噴嘴調(diào)節(jié)，可以有效提高低負(fù)荷下汽輪機(jī)的效率。某25 MW生物質(zhì)發(fā)電汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥配汽機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 某25 MW生物質(zhì)發(fā)電汽輪機(jī)配汽機(jī)構(gòu)示意圖

該配汽機(jī)構(gòu)采用3個閥門分別控制3組噴嘴，1、2、3閥按照閥門順序依次開啟。在配汽過程中，只有最后開啟的那組調(diào)節(jié)閥的汽流有可能受到明顯的節(jié)流。假設(shè)節(jié)流越嚴(yán)重，閥后的壓力就越低，流過該閥對應(yīng)噴嘴組的流量也就越少。而流量越小，節(jié)流導(dǎo)致有效能的損失比例就不會很大，從而實(shí)現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)性。

由于機(jī)組負(fù)荷常常波動較大，因此汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥和調(diào)節(jié)級噴嘴的設(shè)計需要合理化，使調(diào)節(jié)方式更靈活，以提高調(diào)節(jié)級效率，并避免出現(xiàn)汽輪機(jī)瓦溫高或者軸振大等故障。要提高調(diào)節(jié)級的性能，不僅可以通過合理配置閥門噴嘴數(shù)，還可以采用噴嘴子午面端壁優(yōu)化[10]、閥門開啟順序優(yōu)化、葉片型線優(yōu)化、出口流道優(yōu)化等等措施，而本文討論的閥點(diǎn)優(yōu)化主要是通過分配各閥控制的噴嘴數(shù)量和閥門的大小來匹配機(jī)組各運(yùn)行工況，使機(jī)組各長期運(yùn)行工況下的效率得到均衡，使機(jī)組長期處在高效率的運(yùn)行狀態(tài)下。

一般來說，閥點(diǎn)優(yōu)化前需要先進(jìn)行調(diào)節(jié)級熱力設(shè)計。由于調(diào)節(jié)級級數(shù)少，因此效率低于壓力級，但調(diào)節(jié)級焓降大于壓力級。為了提高汽輪機(jī)效率，調(diào)節(jié)級焓降不應(yīng)設(shè)計得過大。

閥點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計的目的是提高調(diào)節(jié)級的調(diào)節(jié)性能，降低閥門節(jié)流損失。優(yōu)化措施是根據(jù)機(jī)組進(jìn)口蒸汽的溫度和壓力、進(jìn)口容積流量等參數(shù)，綜合考慮調(diào)節(jié)級進(jìn)汽能力和機(jī)組性能，分配各閥控制的噴嘴面積，使得機(jī)組性能保證點(diǎn)的流量靠近閥點(diǎn)的流量，降低閥門節(jié)流損失。

2 閥門噴嘴配置方案選擇分析

以某25 MW生物質(zhì)發(fā)電項目為例，機(jī)組進(jìn)汽壓力為8.83 MPa，溫度為535 ℃，額定抽汽工況進(jìn)汽量為139 t/h，純凝工況進(jìn)汽量為97 t/h，閥門全開工況進(jìn)汽量為158 t/h。由于該機(jī)組保證的長期運(yùn)行工況為純凝工況和額定抽汽工況，因此，該25 MW生物質(zhì)發(fā)電汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級性能需要兼顧這2種工況。

針對機(jī)組上述情況，在總進(jìn)汽能力不變的前提下，對比分析某25 MW生物質(zhì)發(fā)電汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥和噴嘴配置的3種方案。閥門噴嘴配置方案如表1至表3所示。

表1 噴嘴閥門配置方案1

表2 噴嘴閥門配置方案2

表3 噴嘴閥門配置方案3

通過某25 MW生物質(zhì)發(fā)電汽機(jī)調(diào)節(jié)級3組方案對比可知，在保證閥門通流能力一致的情況下，可以通過調(diào)整噴嘴數(shù)目來改變機(jī)組變工況下各閥的流量分配。進(jìn)一步計算3組方案的調(diào)節(jié)級流量和效率差值關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 各方案調(diào)節(jié)級效率差值曲線對比

從各調(diào)節(jié)級效率差值曲線可以看出，閥門全開情況下，閥門壓損最小，調(diào)節(jié)級效率最高。隨著運(yùn)行流量負(fù)荷的減小，閥門節(jié)流損失不斷增大，調(diào)節(jié)級動、靜葉的總壓損失也不斷增大，調(diào)節(jié)級效率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。在閥點(diǎn)附近的調(diào)節(jié)級效率更高，為保證機(jī)組長期運(yùn)行工況具有最佳效率，應(yīng)將長期運(yùn)行的各個工況設(shè)置在閥點(diǎn)附近。

某25 MW生物質(zhì)發(fā)電汽輪機(jī)一年中主要運(yùn)行工況為純凝工況和額定抽汽工況，因此，機(jī)組性能考核工況主要為純凝工況和額定抽汽工況。通過不同方案的曲線對比，將各個工況結(jié)果匯總，如表4所示。

表4 不同工況下相對方案1的調(diào)節(jié)級效率差值匯總

從表4數(shù)據(jù)可知，如果只考慮純凝工況，應(yīng)該選擇方案2。如果只考慮額定抽汽工況，應(yīng)該選擇方案3。但生物質(zhì)發(fā)電汽輪機(jī)組與常規(guī)煤電機(jī)組不同，應(yīng)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況考慮。生物質(zhì)發(fā)電的燃料一般就地取材，燃料量隨季節(jié)變化，春、秋、冬季燃料量較多，夏季燃料量相對較少，燃料量少意味著鍋爐蒸汽蒸發(fā)量少，供熱量也少。因此，機(jī)組額定抽汽工況供熱運(yùn)行的時間為3個季度，時間較長，純凝工況不供熱運(yùn)行時間為1個季度，時間較短，應(yīng)優(yōu)先考慮額定抽汽工況性能。因此，某25 MW生物質(zhì)發(fā)電汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級的配置應(yīng)選擇方案3。

3 閥門重疊度的影響

閥門重疊度指的是一個調(diào)節(jié)閥未全部開啟，下一個調(diào)節(jié)閥已經(jīng)開啟之間的閥門升程差。因此，重疊度一般在閥點(diǎn)附近。設(shè)置一定的重疊度可以改善機(jī)組調(diào)節(jié)閥的總流量特性，使控制調(diào)節(jié)過程更加柔性，避免閥門誤動作。這里主要以某25 MW生物質(zhì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級為例，選取3組不同重疊度的方案，對比其重疊度與效率的關(guān)系。為了方便對比，通過改變3個調(diào)節(jié)閥的開啟點(diǎn)，生成3組不同閥門升程重疊度的方案進(jìn)行計算，具體如表5所示。

表5 3種不同閥門升程重疊度方案

再根據(jù)某25 MW生物質(zhì)汽輪機(jī)機(jī)組的邊界參數(shù)計算得到3種不同閥門升程重疊度方案下的流量升程曲線，如圖3所示。

圖3 不同閥門重疊度方案的流量升程曲線

從圖3中可以看出，重疊度越大，即后續(xù)調(diào)節(jié)閥越提前開啟，開啟點(diǎn)的調(diào)節(jié)級總流量就越小。為了保證長期運(yùn)行點(diǎn)的調(diào)節(jié)級效率，就需要結(jié)合生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)，合理布置閥門重疊度，減少閥門損失。根據(jù)3種不同重疊度方案分別計算某25 MW生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組長期運(yùn)行工況的調(diào)節(jié)級效率，得到相對重疊度方案1的調(diào)節(jié)級效率差值結(jié)果，如表6所示。

表6 不同工況下各重疊度方案的調(diào)節(jié)級效率差值

從表6中可以看出，考慮生物質(zhì)項目只有夏季不供熱(即純凝工況)，其他季節(jié)均需供熱(即額定抽汽工況)，應(yīng)該選擇重疊度方案1，但重疊度方案1的純凝工況效率很差。因此，綜合考慮2個工況，此項目應(yīng)該選擇重疊度方案3，使汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級效率長期處在較好的水平。可以得出結(jié)論，重疊度并非越大越好或者越小越好，而是應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行合理配置。

4 結(jié) 論

本文以某25 MW生物質(zhì)發(fā)電汽輪機(jī)為研究對象，以調(diào)節(jié)級效率為優(yōu)化目標(biāo)，分析了調(diào)節(jié)閥的噴嘴配置和閥門重疊度對調(diào)節(jié)級效率的影響，認(rèn)為提升調(diào)節(jié)級實(shí)際運(yùn)行效率應(yīng)結(jié)合機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的情況，選擇合適的噴嘴閥門配置和閥門重疊度。通過對比并分析某25 MW生物質(zhì)發(fā)電汽輪機(jī)多個閥門噴嘴配置方案和閥門重疊度，得出以下主要結(jié)論：

1)調(diào)節(jié)級在閥門全開時，節(jié)流損失最小，效率最高，在各閥點(diǎn)的效率高于偏離閥點(diǎn)的效率。在閥門全開、進(jìn)汽流量不變的情況下，采用不同的閥門噴嘴配置方案，會導(dǎo)致調(diào)節(jié)級效率變化。合理的閥門噴嘴面積比，可以有效提高整個調(diào)節(jié)級的效率。

2)生物質(zhì)發(fā)電汽輪機(jī)運(yùn)行條件獨(dú)特，在保證最大進(jìn)汽能力的前提下，需要結(jié)合生物質(zhì)燃料的實(shí)際情況，考慮閥門噴嘴的配置，從而實(shí)現(xiàn)最佳的變工況運(yùn)行性能。

3)閥門重疊度應(yīng)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行區(qū)域合理設(shè)置，閥門開啟不應(yīng)過早，也不能滯后太多。同時還要注意，若只考慮效率，把調(diào)節(jié)級進(jìn)汽流量設(shè)計在閥點(diǎn)，可能會導(dǎo)致閥門左右動作。通過設(shè)置合適的閥門重疊度，既可以保證調(diào)節(jié)級的效率，又可以使調(diào)節(jié)級流量略偏離閥點(diǎn)，這樣也有利于改善實(shí)際運(yùn)行時的閥門控制策略，進(jìn)一步提升汽輪機(jī)效率。