600MW汽輪機滑壓運行調節閥運行方式的研究

　　以N600-16.7/537/537型機組為例，研究滑壓運行時(shí)不同的調節閥運行方式的經(jīng)濟性，計算比較機組由三閥全開(kāi)轉換到四閥全開(kāi)時(shí)，調節級理想焓降的變化;計算比較由三閥全開(kāi)轉換到前3只閥門(mén)全開(kāi)，4號閥部分開(kāi)啟時(shí)，綜合考慮調節級理想焓降和節流損失得出其經(jīng)濟性變化;計算比較由三閥全開(kāi)轉換到四閥均部分開(kāi)啟，且保持相同的開(kāi)度時(shí)的經(jīng)濟性;再比較機組由三閥全開(kāi)轉換為只開(kāi)兩閥時(shí)的經(jīng)濟性，發(fā)現調節閥并不是開(kāi)的越多越好，確定了該機組最佳滑壓運行時(shí)的閥序運行方式，也為理性地定義滑壓調節和調節閥控制面積的設計提供參考。

　　改革開(kāi)放以后，國家經(jīng)濟政策進(jìn)一步調整，工業(yè)用電和城市居民用電量劇增，迫使大容量機組進(jìn)行滑壓調峰。而對滑壓調節的概念，不同的文獻有不同的定義，一是“汽輪機滑壓調節，在任何負荷下將所有調節閥全開(kāi)，使部分負荷下節流損失最小”，即所有調節閥全開(kāi)，在任何負荷下都靠主蒸汽壓力來(lái)調節負荷;另一種定義是“汽輪機滑壓運行時(shí)，調節閥全開(kāi)或開(kāi)度不變”。

　　因此目前火電機組滑壓運行主要有以下3種方式：①全開(kāi)所有調節閥門(mén)運行，即在任何負荷下都是通過(guò)調節主汽壓力來(lái)調節負荷，此時(shí)調節級的節流損失最小;②全開(kāi)部分調節閥運行，即一部分調節閥門(mén)全開(kāi)，另一部分全關(guān)，這樣在部分負荷時(shí)滿(mǎn)足進(jìn)汽量要求，也可以維持一定的主蒸汽壓力;③調節閥門(mén)不開(kāi)足，保持一定開(kāi)度進(jìn)行滑壓運行，這樣會(huì )帶來(lái)較大的節流損失。本文將進(jìn)行4種運行方式的經(jīng)濟性比較：①全開(kāi)部分調節閥運行；②全開(kāi)所有調節閥門(mén)運行；③所有調節閥門(mén)不開(kāi)足；④部分調節閥門(mén)全開(kāi)，部分調節閥門(mén)不開(kāi)足。

1、機組設計現況

　　國內如東方汽輪機廠(chǎng)、上海汽輪機廠(chǎng)、哈爾濱汽輪機廠(chǎng)等生產(chǎn)的汽輪機，在額定工況設計時(shí)一般不會(huì )設計為所有調節閥全開(kāi)，為了在低參數時(shí)仍能帶額定負荷，設計時(shí)總需留一個(gè)部分開(kāi)啟的調節閥，這就造成了機組實(shí)際滑壓運行時(shí)調節閥運行方式與機組設計工況的調節閥運行方式有一定差異，究竟哪種滑壓運行調節閥運行方式更經(jīng)濟，是否調節閥開(kāi)得越多越好，本文以N600-16.7/537/537型機組為例，計算比較機組由三閥全開(kāi)轉換到四閥全開(kāi)、部分開(kāi)啟時(shí)的經(jīng)濟性，再比較機組由三閥全開(kāi)轉換為只開(kāi)兩閥時(shí)的經(jīng)濟性。

2、實(shí)例計算

　　某一臺600MW機組，機組轉速n=3000r/min，設計工況下，新蒸汽壓力P0=16.7MPA，新蒸汽溫度t0=537℃，主汽額定D0=1792.462t/h，調節級后壓力p2=10.5MPA，高壓缸排汽壓力3.581MPA，高壓缸排汽溫度314.4℃。

表1 調節級主要特性參數

表2 閥門(mén)噴嘴配氣機構

　　該機組具有4只調節閥，經(jīng)濟工況為三閥全開(kāi)，總流量不變，改變調節閥運行方式，計算并比較汽輪機做功的差異，改變調節閥運行方式時(shí)，機組再熱溫度和再熱壓力相同，即中低壓缸做功相同。所以比較改變調節閥運行方式時(shí)汽輪機做功差異只需比較其調節級和高壓缸焓降。

2.1、調節閥由三閥改到四閥

　　2.1.1、計算分析

　　運用弗留格爾公式計算出調節級后壓力保持不變時(shí)，調節級前壓力的變化。由于弗留格爾公式的使用條件是通流面積不變，因此在總流量不變的前提下，三閥全開(kāi)改為四閥全開(kāi)時(shí)，流過(guò)原來(lái)3只閥的流量將減少，流量反比于通流面積

　　式中：D3x表示四閥全開(kāi)時(shí)，流過(guò)原來(lái)3只閥門(mén)的流量;D3y表示三閥全開(kāi)時(shí)，流過(guò)3只閥門(mén)的流量;F3表示前3只閥門(mén)全開(kāi)的控制面積;F4表示4只閥全開(kāi)時(shí)的控制面積。

　　即流過(guò)前調節閥噴嘴組的流量將減少到原來(lái)的75%，此時(shí)應用弗留格爾公式可求4只閥全開(kāi)時(shí)調節級前的壓力P01，滑壓運行時(shí)，主蒸汽溫度不變即t01=t0，弗留格爾公式為

　　式中：k取1.3，代入數據p0=16.7MPA，p2=10.5MPA化簡(jiǎn)得

　　用MATLAB作該函數的圖形如圖1所示。

圖1 調節級前壓力與4號閥門(mén)面積關(guān)系圖

　　該機組(F4-F3)/F3=1/3，得p01=13.89MPA，即四閥全開(kāi)時(shí)的調節級前壓力，此時(shí)并無(wú)節流損失，由于蒸汽的過(guò)熱度高，可用理想氣體焓降公式表示為

　　因此，該機組由三閥全開(kāi)換為四閥全開(kāi)，其理想焓降比可為

　　由t01=t0代入數據得

　　由此可見(jiàn)，該機組在相同流量下四閥全開(kāi)較三閥全開(kāi)，調節級理想焓降減少了差不多40%，在此，我們通過(guò)熱力計算進(jìn)一步驗證：

　　查焓熵圖得，三閥全開(kāi)時(shí)，調節級前的壓力、溫度和焓為

p0=16.7MPA，t0=537℃，h0=3393.6kJ/kg

　　調節級后的壓力、溫度和焓為

p2=10.5MPA，t2=455℃，ht=3246.4kJ/kg

　　四閥全開(kāi)時(shí)，調節級前的壓力、溫度和焓為

p01=13.89MPA，t01=537℃，h01=3425.2kJ/kg

　　調節級后的壓力、溫度和焓為

p21=10.5MPA，t21=487℃，ht1=3332.6kJ/kg

　　設計工況的理想焓降

Δht=h0-ht=147.2kJ/kg

　　變工況的理想焓降

Δht1=h01-ht1=92.6kJ/kg

Δht1/Δht=0.629

　　與理論計算基本一致，其理想焓降減少

Δh=Δht-Δh=54.6kJ/kg

　　理想情況下少發(fā)的功率

ΔP=D0Δh=12718.6kW

　　此時(shí)高壓缸做功能力變化不大。

2.1.2、優(yōu)化改進(jìn)

　　顯然三閥全開(kāi)轉換為四閥全開(kāi)很不經(jīng)濟，為了提高4只調節閥都開(kāi)啟的經(jīng)濟性。我們提出了下面兩種方案：

　�、偾�3只調節閥全開(kāi)時(shí)，4號閥部分打開(kāi)。此時(shí)存在節流損失，調節級后壓力和溫度會(huì )較四閥全開(kāi)時(shí)有所改變。

　�、�4只調節閥均部分開(kāi)啟，保持相同的開(kāi)度，即單閥調節。由計算分析可知，每只閥打開(kāi)75%～100%時(shí)總流量不會(huì )改變，在開(kāi)75%時(shí)，每只閥均流滿(mǎn)，此時(shí)節流損失最大，開(kāi)100%時(shí)，無(wú)節流損失。

　　當前3只調節閥全開(kāi)時(shí)，4號閥部分開(kāi)啟時(shí)，4號閥的控制面積減小，存在著(zhù)節流損失，調節級后壓力和溫度都會(huì )降低。焓熵圖上表示為，一個(gè)等過(guò)s程和一個(gè)h不變過(guò)程的疊加，如圖2所示。

圖2 等熵節流示意圖

　　為了便于分析，我們現舉4號閥只開(kāi)50%為例進(jìn)行計算研究。此時(shí)，

　　式中：D'3x表示4號閥只開(kāi)50%時(shí)，流過(guò)原來(lái)3只閥門(mén)的流量;表示4號閥只開(kāi)50%時(shí)，4只閥門(mén)的控制面積。

　　不考慮節流損失時(shí)，由上面的弗留格爾公式可知調節級前壓力為p'0=14.98MPA，t'0=537℃，

　　考慮節流損失時(shí)，調節級后壓力不再為p2=10.5MPA，t2=474℃，而降到P'2=10MPA，t'2=471℃。

　　此時(shí)可以看作是由P'0，t'0到p2，t2的等s過(guò)程，加上p2，t2到p'2，t'2的h不變過(guò)程，如圖2所示。

　　查焓熵圖得

　　p'0=14.98MPA，t'0=537℃時(shí)，焓和熵分別為h'=3413.1kJ/kg，s'=6.48kJ/(kg·K);

　　p2=10.5MPA，t2=474℃時(shí)，焓和熵分別為ht1=3298.0kJ/kg，s2=6.48kJ/(kg·K);

　　p'2=10MPA，t'2=471℃時(shí)，焓和熵分別為h't1=3298.0kJ/kg，s'=6.50kJ/ (kg·K)。

　　此時(shí)調節級理想焓降為

　　環(huán)境溫度為27℃，做功能力的損失為

　　此時(shí)高壓缸進(jìn)汽參數降低，高壓缸做功能力減小。

　　比較可知，前3只閥門(mén)全開(kāi)，4號閥門(mén)部分開(kāi)啟，顯然比四閥全開(kāi)經(jīng)濟，但不如設計工況經(jīng)濟。

　　前3閥由全開(kāi)改變?yōu)椴糠珠_(kāi)啟，第4閥也部分開(kāi)啟，使之保持相同的開(kāi)度。極限情況下假設，4只閥門(mén)均開(kāi)75%，此時(shí)，每個(gè)閥在其開(kāi)度下，都是滿(mǎn)流量流過(guò)。

　　不考慮節流損失時(shí)，調節級前壓力和溫度為

　　考慮了節流損失后，調節級后壓力和溫度不再為p2=10.5MPA，t2=455℃，而變?yōu)閜″2=9.0MPA，t″2=447℃。

　　此時(shí)可以看成由p0=16.7MPA，t0=537℃到p2=10.5MPA，t2=455℃的等s過(guò)程和p2=10.5MPA，t2=455℃到p″2=9.0MPA，t″2=447℃的h不變過(guò)程的疊加，如圖2所示。

　　查焓熵圖得

　　p0=16.7MPA，t0=537℃時(shí)，焓和熵分別為h0=3393.6kJ/kg，s0=6.41kJ/(kg·K);

　　p2=10.5MPA，t2=455℃時(shí)，焓和熵分別為ht=3246.4kJ/kg，s0=6.41kJ/(kg·K);

　　p″2=9.0MPA，t″2=447℃時(shí)，焓和熵分別為h″t=3246.4kJ/kg，s″=6.47kJ/(kg·K)。

　　此時(shí)調節級理想焓降為

Δh't=h0-h″t=147.2kJ/kg

　　環(huán)境溫度為27℃，做功能力損失為

e'1=T(s″-s0)=18kJ/kg

　　比較可知，4只閥門(mén)均開(kāi)75%時(shí)，雖然不如設計工況經(jīng)濟，但比四閥全開(kāi)和前3只閥門(mén)全開(kāi)，4號閥只開(kāi)一部分經(jīng)濟。進(jìn)一步計算可知4只閥門(mén)保持相同的開(kāi)度在75%～100%變動(dòng)時(shí)，其經(jīng)濟性均比四閥全開(kāi)時(shí)好。

　　在此過(guò)程中，考慮此時(shí)泵的耗功：

PP=D(p0υ0-p1υ1)/ηP (6)

　　因為總流量沒(méi)有改變、效率不變，而p0υ0、p1υ1也沒(méi)有改變，所以泵的耗功幾乎不變。

2.2、調節閥由三閥全開(kāi)改到兩閥全開(kāi)

　　調節閥由三閥全開(kāi)改到兩閥全開(kāi)，這時(shí)候流量會(huì )變小，減小為原來(lái)的2/3，再按弗留格爾公式計算比較發(fā)現，雖然總的流量變?yōu)樵瓉?lái)的2/3，但流經(jīng)前兩閥的流量并沒(méi)有改變，由弗留格爾公式可知，調節級前的壓力也沒(méi)有改變，調節級焓降Δht也不會(huì )改變，但是調節級少發(fā)的功率ΔP1=2DΔh/3=2ΔP/3，做功卻變?yōu)樵瓉?lái)的2/3，高壓缸、中壓缸、低壓缸的做功都會(huì )減少，此時(shí)并不經(jīng)濟。

3、結束語(yǔ)

　�、偻ㄟ^(guò)計算發(fā)現，調節閥并不是開(kāi)得越多越好，最好按照汽輪機的設計工況運行。

　�、诖藱C組三閥全開(kāi)進(jìn)行滑壓運行的經(jīng)濟性最好，前三閥全開(kāi)4號閥保持一定開(kāi)度的經(jīng)濟性好于四閥全開(kāi)滑壓運行的經(jīng)濟性。四閥全開(kāi)保持在相同開(kāi)度的經(jīng)濟性與其開(kāi)度有關(guān)。

　�、�4號閥的控制面積越小時(shí)，由三閥全開(kāi)換為四閥全開(kāi)時(shí)，調節級前壓力減小得越少，即調節級做功減少得越少，經(jīng)濟性越好。這對汽輪機調節閥的設計有一定指導意義，設計時(shí)4號閥控制面積不宜做得太大。