余海鵬，赫廣迅，劉 鑫，孫 嘉

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

隨著我國發(fā)電技術的進步和成熟，人們已把更多的目光投向清潔能源和新能源。傳統(tǒng)火力發(fā)電面臨前所未有的嚴峻考驗，當前性能最先進的超超臨界大型火力發(fā)電機組在大容量、高參數的基礎上繼續(xù)挖掘機組潛能的空間和難度將不斷增加。近年來，受宏觀經濟尤其是工業(yè)生產下行等影響，用電量保持低速增長已經成為常態(tài)。與此同時，我國電力生產經過一段時期的迅速擴張和結構調整，電網容量不斷擴大，能源結構不斷調整，隨著風電、水電和太陽能發(fā)電等的大力發(fā)展，可再生能源和核電在電力結構中所占比例逐步上升［1］。為順應清潔、高效、環(huán)保的發(fā)展趨勢，許多火電機組紛紛進行了節(jié)能減排技術改造和控制策略改進，以滿足國家的新標準和新要求［2］。電網為了保證發(fā)電機組的供電質量，對于火電機組一次調頻的投入率、調節(jié)指標的考核較以往更加嚴格［3-4］，從而推動了發(fā)電廠與設備廠家不斷追求技術進步與革新。

火電機組最常見的配汽調節(jié)方式主要分為非全周進汽配汽調節(jié)和全周進汽配汽調節(jié)兩大類，其中非全周進汽配氣調節(jié)主要是指噴嘴調節(jié)，全周進汽配汽調節(jié)又分為全周進汽節(jié)流調節(jié)和全周進汽補汽閥調節(jié)［5］。隨著超超臨界機組進汽參數和容量的不斷提高，常規(guī)噴嘴調節(jié)技術無法滿足機組高參數的技術要求，全周進汽加補汽閥的配置逐漸成為追求技術進步與革新的一個方向［6-7］。國際大型汽輪機設備制造商（如西門子、阿爾斯通等）和國內汽輪機廠家（如上海汽輪機廠、哈爾濱汽輪機廠等）都有帶補汽閥運行的機組設計能力和投運業(yè)績。帶補汽閥運行作為660 MW 等級和1 000 MW 等級超超臨界機組主流運行方式之一［8-9］，其帶來的實際經濟效益和核心技術將是任何一家公司發(fā)展不能忽略的重要競爭力，必須投入人力、物力進行研究，才能保證可以滿足用戶多樣化的需求。

本文針對補汽閥設計與運行的關鍵技術進行研究，主要解決了補汽閥設計工程中開啟點選取、補汽位置選取、補汽閥流量配汽計算、補汽閥開啟點優(yōu)化、補汽閥機組一次調頻能力研究等問題。

1 補汽閥技術

1.1 補汽閥進汽原理

補汽閥技術主要是指通過在主進汽與補汽位置之間增設一個補汽閥，當機組達到額定通流能力后，通過補汽閥將一部分主汽流量直接送入補汽位置，從而達到在不增加主汽壓力的前提下提高機組負荷的目的。這樣設計的優(yōu)點在于：一是可以提高機組額定工況的主汽參數，從而提高機組效率；二是在機組運行過程中可以通過快速升負荷來實現機組一次調頻功能。補汽閥機組進汽方式如圖1所示。

圖1 補汽閥機組進汽示意圖

1.2 采用補汽閥技術的必要性

隨著國內火力發(fā)電技術的發(fā)展，機組不斷向高參數、高容量方向發(fā)展，以追求更高的發(fā)電效率。當前比較成熟的高效機組已經達到1 000 MW的功率等級，同時進汽參數達到28 MPa/600 ℃/620 ℃等級，并且不斷向更高參數31 MPa/630 ℃/630 ℃發(fā)展。隨著機組參數提升，必然需要結構設計優(yōu)化的支持。在1 000 MW功率等級、28 MPa/600 ℃/620 ℃進汽參數條件下，不同的配汽方式會有不同的經濟性和安全性。

在我國，火電機組常見的進汽調節(jié)方式主要是噴嘴配汽調節(jié)、全周進汽節(jié)流調節(jié)、全周進汽補汽閥調節(jié)等3種調節(jié)模式。其中，噴嘴配汽調節(jié)適用于600 MW 等級超臨界參數及以下的機組，當參數達到28 MPa/600 ℃/620 ℃時，噴嘴本身的安全裕度小、設計困難，如果強行采用噴嘴配汽調節(jié)，需要犧牲較大程度的經濟性［11］，與提高機組效率的目標不相符。目前最先進的超超臨界機組都不采用噴嘴配汽調節(jié)技術。

全周進汽節(jié)流調節(jié)和全周進汽補汽閥調節(jié)在結構設計方面均不存在安全問題，唯一的差別是全周進汽節(jié)流調節(jié)機組在設計運行過程中需要保留一定的主汽壓力節(jié)流以滿足一次調頻需求，這就使得機組在全負荷范圍內都有進汽節(jié)流壓損，而且額定工況進汽壓力往往低于額定進汽壓力，機組運行效率相對較差。與之相反，全周進汽補汽閥調節(jié)機組由于其補汽閥技術可以實現一次調頻，機組運行時不需要保留主汽壓力節(jié)流，而且額定工況進汽壓力可以達到額定進汽壓力，機組運行效率相對較好。根據計算，當機組負荷低于補汽閥開啟點負荷時，全周進汽補汽閥調節(jié)機組的熱耗一般比全周進汽節(jié)流調節(jié)機組的熱耗低12～20 kJ/kWh，機組運行效率更高［12］。所以，全周進汽補汽閥調節(jié)機組既能滿足機組一次調頻需求，又能提高機組運行效率，已大量應用于超超臨界機組設計當中。

1.3 補汽閥結構特點

某公司補汽閥結構有以下特點：補汽閥與主汽調節(jié)聯(lián)合閥為一個整體，主汽調節(jié)聯(lián)合閥通過法蘭與汽缸連接在一起，補汽閥通過導汽管與高壓模塊進行連接，補汽閥與汽缸之間的管道具有一定的撓性。補汽閥與主汽調節(jié)聯(lián)合閥布置如圖2所示。

圖2 補汽閥與主汽調節(jié)聯(lián)合閥布置

主汽調節(jié)聯(lián)合閥采用彈簧支架，同時主汽閥與汽缸之間為剛性連接，因此主汽調節(jié)聯(lián)合閥與高壓缸可以作為整體結構。當補汽閥開啟時，閥體本身振動的一部分會被彈簧支撐吸收，同時由于導汽管具有一定的撓性，因此不會將振動傳遞到汽缸本體。

補汽閥開啟時，蒸汽從補汽閥出口經導汽管進入高壓通流。高壓內缸補汽位置為環(huán)腔結構，在設計時針對其進行了優(yōu)化，使得補汽汽流的沖擊不會直接作用在轉子上，而是在補汽環(huán)腔內進行分流，經過導汽流道進入通流部分。導汽流道出口方向與主蒸汽的流動方向有一定的夾角，補汽進入通流部分時會對主汽產生微小的擾動，因此在補汽閥開啟時不會對轉子造成額外的振動。

2 補汽閥的選型及設計

2.1 補汽閥開啟點選取

在主汽壓力達到額定值且主汽調節(jié)閥已經全開時的汽輪機進汽量，稱為補汽閥的開啟點［13-14］，此時已經達到機組最大通流能力。

如果開啟點設置小于額定工況，雖然在部分負荷時機組經濟性有所提高，但額定工況存在補汽損失，機組熱耗偏高；如果開啟點大于額定工況，額定工況存在滑壓運行損失，機組熱耗同樣升高，只有機組在大于額定負荷點（補汽閥設置開啟點）運行時才達到機組最優(yōu)性能。補汽閥開啟點對額定工況熱耗的影響如圖3所示。所以補汽閥開啟點設置為額定工況時，機組額定負荷經濟性最優(yōu)，并且加權負荷同樣具有較高的經濟性能。

圖3 補汽閥開啟點對額定工況熱耗的影響

根據圖3對比可知，與開啟點在100%負荷的額定工況熱耗相比，開啟點在96.2%負荷時額定工況熱耗增加16.8 kJ/kWh，開啟點在103.8%負荷時額定工況熱耗增加6.9 kJ/kWh。因此，補汽閥開啟點設置在100%負荷時，額定工況熱耗最低。

2.2 補汽位置選取

在主進汽與補汽位置之間增設一個補汽閥，具體位置根據經濟性、補汽前后溫差、補汽對主調門通流能力的影響等方面來確定。主要考慮以下3點選取原則：

1）防止補汽閥出口達到音速，補汽閥前后壓比不能低于臨界壓比0.546。

2）補汽溫差建議不超過70 ℃，避免熱應力大影響設備壽命。

3）補汽流量盡量小。

以百萬超超臨界機組為例，補汽位置選取在不同級后的數據如表1所示。

表1 不同補汽位置的機組參數

根據以上選型原則，經過詳細計算分析，得出結論為：補汽引入位置在高壓第4級后的機組相對熱耗最低，補汽溫差最小，設計最為合理。

2.3 配汽流量計算

常規(guī)調節(jié)閥和主汽閥前后壓損較小，一般為4%以內，閥門口徑選型時，可按照常規(guī)設計經驗，根據喉部流速進行選型設計。根據大量運行機組經驗反饋，該閥門口徑選型方式合理，能滿足實際運行要求。

為解決該問題，補汽閥設計需從流量配汽方法入手，按照補汽閥相對口徑不同來進行配汽對比計算，主要是對比達到最大補汽流量時閥門的相對開度。最大補汽時閥門開度與相對口徑的關系曲線如圖4所示。

圖4 最大補汽時閥門開度與相對口徑的關系曲線

根據圖4曲線對比可知：補汽閥閥門相對口徑越大，最大補汽時的閥門開度就越小，越容易出現小開度下閥碟頻繁磕碰閥座的現象；補汽閥閥門相對口徑越小，達到最大補汽時的閥門開度就越大，即越有利于機組安全運行。根據工程經驗，建議最大補汽時閥門開度在50%以上，可以保證補汽閥參與機組一次調頻時閥碟不會頻繁磕碰閥座，機組參與一次調頻更安全。

3 調峰機組補汽閥開啟點優(yōu)化

當前，帶補汽閥的調峰機組在調峰過程中負荷較低，一般處于開啟點以下，此時機組運行存在滑壓運行損失，機組運行熱耗變高。開啟點對機組參數的影響如圖5、圖6所示。補汽閥開啟點設置越低，相同的調峰負荷下滑壓損失越小，調峰負荷的經濟性就越好［15］。

圖5 開啟點對主蒸汽壓力的影響

圖6 開啟點對各工況熱耗的影響

以100%負荷作為補汽閥開啟點為基準，補汽閥在90%負荷開啟和80%負荷開啟對應的各部分負荷工況下，機組熱耗變化如表2所示。

表2 不同補汽閥開啟點下各部分負荷下的機組熱耗

根據表2的對比可知：與100%負荷作為補汽閥開啟點相比，90%負荷作為開啟點時，90%負荷以上時機組熱耗升高，90%負荷以下熱耗降低；80%負荷作為開啟點時，80%負荷以上時機組熱耗升高，80%負荷以下熱耗降低?？梢钥闯?，降低補汽閥開啟點負荷后，與100%負荷作為補汽閥開啟點相比，開啟點以上負荷熱耗升高，開啟點以下負荷熱耗降低。因此，具體項目最終的補汽閥開啟點需要根據全年負荷情況進行核算后統(tǒng)籌考慮。

4 補汽閥機組一次調頻能力研究

4.1 超超臨界機組一次調頻特性

汽輪發(fā)電機組的一次調頻主要靠汽輪機調節(jié)機構的瞬間動作來釋放蒸汽管道及鍋爐內部儲存的能量，從而快速提高機組出力，達到電網對于機組一次調頻負荷增加的要求。超超臨界機組采用的直流鍋爐不設汽包，因此用于儲存熱量的體積有限，一次調頻能力較差，只能靠犧牲壓力指標來盡量滿足負荷波動需求，導致汽輪機調節(jié)閥動作大才能滿足調頻要求［16］。

直流鍋爐儲熱體積為固定值，導致總儲熱能量與主蒸汽壓力有很大關系，如圖7所示。由圖7可知：在相同主汽溫度條件下，蒸汽比容隨主汽壓力降低而增加，固定儲熱體積的儲熱能力隨主汽壓力降低而降低。

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圖7 機組主蒸汽壓力與儲熱能力關系

在不同主蒸汽壓力下運行時，相同的壓損調整帶來的可用于調頻的蒸汽質量（相對儲熱量）如圖8所示。由圖8可知：在相同壓力變化率條件下，主蒸汽壓力越低，參與一次調頻的可用蒸汽質量流量越小。超超臨界機組主汽壓力隨機組負荷降低而降低，表明機組在負荷較低時一次調頻能力更差。

圖8 機組主蒸汽壓力與相對儲熱量關系

根據計算，可以用于調頻的質量基本正比于調頻功率，經坐標轉換后，相同功率調頻量與所需主蒸汽壓力變化率關系曲線如圖9所示。由圖9可知：在相同調頻量下，主汽壓力越高，所需壓損變化率越小，此時一次調頻速度更容易；主汽壓力越低，所需壓損變化率越大，此時一次調頻速度更難。根據計算，常規(guī)百萬超超臨界機組，采用5%預節(jié)流，額定工況下可以調整的一次調頻功率為26.8 MW，對應轉速調頻量為4.0 r/min。

圖9 機組相同功率調頻量所需壓損變化率關系

4.2 補汽閥機組的一次調頻能力

在一次調頻時，由于鍋爐蒸發(fā)量無法迅速改變，因此需要開啟補汽閥迅速增加高壓缸的進汽量，從而迅速增加機組出力，以滿足一次調頻的功率要求［17-18］。以百萬超超臨界機組為例，預節(jié)流調節(jié)與補汽閥調節(jié)一次調頻能力對比如圖10所示。

圖10 機組一次調頻能力與負荷關系

由圖10 可知：在100%負荷下，預節(jié)流最大一次調頻負荷為26.8 MW，對應轉速調頻量為4.0 r/min；補汽閥最大一次調頻負荷為41.1 MW，對應轉速調頻量為6.13 r/min。在30%負荷下，預節(jié)流最大一次調頻負荷為7.4 MW，對應轉速調頻量為1.10 r/min；補汽閥最大一次調頻負荷為11.3 MW，對應轉速調頻量為1.69 r/min。根據上述對比計算，相比5%預節(jié)流調節(jié)，補汽閥調節(jié)在全負荷范圍內的一次調頻量增加了約53%。

4.3 補汽閥防振動措施

當前投運的很多百萬機組補汽閥開啟時均會產生一定程度的振動，導致補汽閥無法長時間投運。根據補汽閥的設計和運行特點，可以考慮從以下5個方面進行優(yōu)化：

1）補汽閥設計時采用合適的閥體結構，如采用籠式閥，可以使其在小流量時仍有較大開度，避免出現閥門在小開度時形成氣流渦引起振動。

2）補汽閥與主汽調節(jié)聯(lián)合閥設計為一個整體，同時采用彈簧支架，使補汽閥本身振動不會影響振動。

3）高壓內缸補汽位置設計環(huán)腔導流結構，補汽汽流不會直接沖擊轉子，而是與主蒸汽的流動方向有一定的夾角進入通流，在補汽閥開啟時不會對轉子造成額外的振動。

4）優(yōu)化補汽閥控制邏輯，減少補汽閥在調負荷時的頻繁動作，保證補汽閥盡量在必要調頻時才做出開啟響應動作。

5）在補汽閥開啟過程中設置開度節(jié)點，使補汽閥每次都動作一定行程。同時，讓主汽調節(jié)閥協(xié)助實現調頻，防止出現因為補汽閥開度大幅頻繁調整而引起汽流不穩(wěn)。

5 結語

本文針對超超臨界機組補汽閥的設計選型和運行相關問題進行研究，介紹了補汽閥的基本原理和機構特點，總結了補汽閥設計過程中開啟點選取、補汽位置選取、不同口徑補汽閥配汽流量對比的設計經驗。針對調峰機組對比了不同負荷作為開啟點對機組整個負荷區(qū)間的熱耗影響，結果表明調峰機組補汽閥開啟點需要根據全年負荷情況進行核算后統(tǒng)籌考慮。針對機組的一次調頻能力，對補汽閥調節(jié)和節(jié)流調節(jié)的調頻能力進行了對比，結果表明在全負荷范圍內補汽閥調節(jié)的一次調頻能力比5%預節(jié)流調節(jié)增加了53%左右。

本文研究的設計技術可以應用于后續(xù)所有帶補汽閥機組。補汽閥開啟點優(yōu)化技術，可以考慮在參與深度調峰的超超臨界機組項目中進行推廣，提高設計機組在寬負荷范圍內的運行效率。