600MW汽輪機滑壓運行調(diào)節(jié)閥運行方式的研究

　　以N600-16.7/537/537型機組為例，研究滑壓運行時不同的調(diào)節(jié)閥運行方式的經(jīng)濟性，計算比較機組由三閥全開轉(zhuǎn)換到四閥全開時，調(diào)節(jié)級理想焓降的變化;計算比較由三閥全開轉(zhuǎn)換到前3只閥門全開，4號閥部分開啟時，綜合考慮調(diào)節(jié)級理想焓降和節(jié)流損失得出其經(jīng)濟性變化;計算比較由三閥全開轉(zhuǎn)換到四閥均部分開啟，且保持相同的開度時的經(jīng)濟性;再比較機組由三閥全開轉(zhuǎn)換為只開兩閥時的經(jīng)濟性，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥并不是開的越多越好，確定了該機組最佳滑壓運行時的閥序運行方式，也為理性地定義滑壓調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)閥控制面積的設(shè)計提供參考。

　　改革開放以后，國家經(jīng)濟政策進一步調(diào)整，工業(yè)用電和城市居民用電量劇增，迫使大容量機組進行滑壓調(diào)峰。而對滑壓調(diào)節(jié)的概念，不同的文獻有不同的定義，一是“汽輪機滑壓調(diào)節(jié)，在任何負(fù)荷下將所有調(diào)節(jié)閥全開，使部分負(fù)荷下節(jié)流損失最小”，即所有調(diào)節(jié)閥全開，在任何負(fù)荷下都靠主蒸汽壓力來調(diào)節(jié)負(fù)荷;另一種定義是“汽輪機滑壓運行時，調(diào)節(jié)閥全開或開度不變”。

　　因此目前火電機組滑壓運行主要有以下3種方式：①全開所有調(diào)節(jié)閥門運行，即在任何負(fù)荷下都是通過調(diào)節(jié)主汽壓力來調(diào)節(jié)負(fù)荷，此時調(diào)節(jié)級的節(jié)流損失最小;②全開部分調(diào)節(jié)閥運行，即一部分調(diào)節(jié)閥門全開，另一部分全關(guān)，這樣在部分負(fù)荷時滿足進汽量要求，也可以維持一定的主蒸汽壓力;③調(diào)節(jié)閥門不開足，保持一定開度進行滑壓運行，這樣會帶來較大的節(jié)流損失。本文將進行4種運行方式的經(jīng)濟性比較：①全開部分調(diào)節(jié)閥運行；②全開所有調(diào)節(jié)閥門運行；③所有調(diào)節(jié)閥門不開足；④部分調(diào)節(jié)閥門全開，部分調(diào)節(jié)閥門不開足。

1、機組設(shè)計現(xiàn)況

　　國內(nèi)如東方汽輪機廠、上海汽輪機廠、哈爾濱汽輪機廠等生產(chǎn)的汽輪機，在額定工況設(shè)計時一般不會設(shè)計為所有調(diào)節(jié)閥全開，為了在低參數(shù)時仍能帶額定負(fù)荷，設(shè)計時總需留一個部分開啟的調(diào)節(jié)閥，這就造成了機組實際滑壓運行時調(diào)節(jié)閥運行方式與機組設(shè)計工況的調(diào)節(jié)閥運行方式有一定差異，究竟哪種滑壓運行調(diào)節(jié)閥運行方式更經(jīng)濟，是否調(diào)節(jié)閥開得越多越好，本文以N600-16.7/537/537型機組為例，計算比較機組由三閥全開轉(zhuǎn)換到四閥全開、部分開啟時的經(jīng)濟性，再比較機組由三閥全開轉(zhuǎn)換為只開兩閥時的經(jīng)濟性。

2、實例計算

　　某一臺600MW機組，機組轉(zhuǎn)速n=3000r/min，設(shè)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)級主要特性參數(shù)

表2 閥門噴嘴配氣機構(gòu)

　　該機組具有4只調(diào)節(jié)閥，經(jīng)濟工況為三閥全開，總流量不變，改變調(diào)節(jié)閥運行方式，計算并比較汽輪機做功的差異，改變調(diào)節(jié)閥運行方式時，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(diào)節(jié)閥運行方式時汽輪機做功差異只需比較其調(diào)節(jié)級和高壓缸焓降。

2.1、調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)級后壓力保持不變時，調(diào)節(jié)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，三閥全開改為四閥全開時，流過原來3只閥的流量將減少，流量反比于通流面積

　　式中：D3x表示四閥全開時，流過原來3只閥門的流量;D3y表示三閥全開時，流過3只閥門的流量;F3表示前3只閥門全開的控制面積;F4表示4只閥全開時的控制面積。

　　即流過前調(diào)節(jié)閥噴嘴組的流量將減少到原來的75%，此時應(yīng)用弗留格爾公式可求4只閥全開時調(diào)節(jié)級前的壓力P01，滑壓運行時，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(shù)據(jù)p0=16.7MPA，p2=10.5MPA化簡得

　　用MATLAB作該函數(shù)的圖形如圖1所示。

圖1 調(diào)節(jié)級前壓力與4號閥門面積關(guān)系圖

　　該機組(F4-F3)/F3=1/3，得p01=13.89MPA，即四閥全開時的調(diào)節(jié)級前壓力，此時并無節(jié)流損失，由于蒸汽的過熱度高，可用理想氣體焓降公式表示為

　　因此，該機組由三閥全開換為四閥全開，其理想焓降比可為

　　由t01=t0代入數(shù)據(jù)得

　　由此可見，該機組在相同流量下四閥全開較三閥全開，調(diào)節(jié)級理想焓降減少了差不多40%，在此，我們通過熱力計算進一步驗證：

　　查焓熵圖得，三閥全開時，調(diào)節(jié)級前的壓力、溫度和焓為

p0=16.7MPA，t0=537℃，h0=3393.6kJ/kg

　　調(diào)節(jié)級后的壓力、溫度和焓為

p2=10.5MPA，t2=455℃，ht=3246.4kJ/kg

　　四閥全開時，調(diào)節(jié)級前的壓力、溫度和焓為

p01=13.89MPA，t01=537℃，h01=3425.2kJ/kg

　　調(diào)節(jié)級后的壓力、溫度和焓為

p21=10.5MPA，t21=487℃，ht1=3332.6kJ/kg

　　設(shè)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

　　此時高壓缸做功能力變化不大。

2.1.2、優(yōu)化改進

　　顯然三閥全開轉(zhuǎn)換為四閥全開很不經(jīng)濟，為了提高4只調(diào)節(jié)閥都開啟的經(jīng)濟性。我們提出了下面兩種方案：

　　①前3只調(diào)節(jié)閥全開時，4號閥部分打開。此時存在節(jié)流損失，調(diào)節(jié)級后壓力和溫度會較四閥全開時有所改變。

　　②4只調(diào)節(jié)閥均部分開啟，保持相同的開度，即單閥調(diào)節(jié)。由計算分析可知，每只閥打開75%～100%時總流量不會改變，在開75%時，每只閥均流滿，此時節(jié)流損失最大，開100%時，無節(jié)流損失。

　　當(dāng)前3只調(diào)節(jié)閥全開時，4號閥部分開啟時，4號閥的控制面積減小，存在著節(jié)流損失，調(diào)節(jié)級后壓力和溫度都會降低。焓熵圖上表示為，一個等過s程和一個h不變過程的疊加，如圖2所示。

圖2 等熵節(jié)流示意圖

　　為了便于分析，我們現(xiàn)舉4號閥只開50%為例進行計算研究。此時，

　　式中：D'3x表示4號閥只開50%時，流過原來3只閥門的流量;表示4號閥只開50%時，4只閥門的控制面積。

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

　　考慮節(jié)流損失時，調(diào)節(jié)級后壓力不再為p2=10.5MPA，t2=474℃，而降到P'2=10MPA，t'2=471℃。

　　此時可以看作是由P'0，t'0到p2，t2的等s過程，加上p2，t2到p'2，t'2的h不變過程，如圖2所示。

　　查焓熵圖得

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

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

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

　　此時調(diào)節(jié)級理想焓降為

　　環(huán)境溫度為27℃，做功能力的損失為

　　此時高壓缸進汽參數(shù)降低，高壓缸做功能力減小。

　　比較可知，前3只閥門全開，4號閥門部分開啟，顯然比四閥全開經(jīng)濟，但不如設(shè)計工況經(jīng)濟。

　　前3閥由全開改變?yōu)椴糠珠_啟，第4閥也部分開啟，使之保持相同的開度。極限情況下假設(shè)，4只閥門均開75%，此時，每個閥在其開度下，都是滿流量流過。

　　不考慮節(jié)流損失時，調(diào)節(jié)級前壓力和溫度為

　　考慮了節(jié)流損失后，調(diào)節(jié)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℃。

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

　　查焓熵圖得

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

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

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

　　此時調(diào)節(jié)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只閥門均開75%時，雖然不如設(shè)計工況經(jīng)濟，但比四閥全開和前3只閥門全開，4號閥只開一部分經(jīng)濟。進一步計算可知4只閥門保持相同的開度在75%～100%變動時，其經(jīng)濟性均比四閥全開時好。

　　在此過程中，考慮此時泵的耗功：

PP=D(p0υ0-p1υ1)/ηP (6)

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

2.2、調(diào)節(jié)閥由三閥全開改到兩閥全開

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

3、結(jié)束語

　�、偻ㄟ^計算發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)閥并不是開得越多越好，最好按照汽輪機的設(shè)計工況運行。

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

　�、�4號閥的控制面積越小時，由三閥全開換為四閥全開時，調(diào)節(jié)級前壓力減小得越少，即調(diào)節(jié)級做功減少得越少，經(jīng)濟性越好。這對汽輪機調(diào)節(jié)閥的設(shè)計有一定指導(dǎo)意義，設(shè)計時4號閥控制面積不宜做得太大。