大型汽輪機中壓調(diào)節(jié)閥參調(diào)供熱研究

劉曉燕，王文中，歐陽杰，衛(wèi)棟梁，謝林貴

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000)

0 引言

能源成本上漲和環(huán)境保護要求不斷提高，是大力發(fā)展高效、可靠熱電聯(lián)供系統(tǒng)和集中供熱系統(tǒng)的重要促進因素。隨著國家節(jié)能減排政策的推進，近幾年來，熱電聯(lián)供大型汽輪機的需求較往年有增多的趨勢，不同壓力等級的工業(yè)抽汽需求也隨之出現(xiàn)。其中4.0 MPa高參數(shù)等級的工業(yè)抽汽需求，可在設(shè)計時考慮采用中壓調(diào)節(jié)閥參調(diào)供熱的方案。

1 參調(diào)供熱手段

可調(diào)整抽汽指通過汽機內(nèi)部調(diào)節(jié)，滿足抽汽參數(shù)的方式[1]，其抽汽參數(shù)在一定工況范圍內(nèi)不受機組電負荷的影響，抽汽參數(shù)基本為恒定值。目前已有投運業(yè)績的供熱調(diào)節(jié)手段見表1。

表1 目前已有業(yè)績的調(diào)節(jié)手段

由表1可見，滿足4.0 MPa等級工業(yè)抽汽的調(diào)節(jié)手段只有座缸閥，它在汽缸上所占的安裝面積比旋轉(zhuǎn)隔板大，而且要求汽缸的結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜[2]，所以座缸閥只適用于高中壓分缸機組，因此，為擺脫此限制，需找到一種新的調(diào)節(jié)手段。

2 再熱蒸汽參數(shù)

以東方汽輪機有限公司300 MW以上容量汽輪機為例，各容量等級汽輪機的再熱冷段和熱段蒸汽參數(shù)見表2。

表2 各容量等級汽輪機再熱冷段和熱段蒸汽參數(shù)

由表2可知：再熱冷段和熱段蒸汽參數(shù)的壓力為3.1～5.0 MPa，滿足4.0 MPa等級工業(yè)抽汽的需求，抽汽位置可根據(jù)熱用戶對蒸汽溫度的要求而定；由于汽輪機容量等級和進汽參數(shù)不同，再熱冷段蒸汽的溫度范圍為315～370 ℃，再熱熱段蒸汽的溫度范圍為537～600 ℃。

3 中壓調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)和流量特性

常規(guī)設(shè)計中，中壓主汽閥和調(diào)節(jié)閥合并在一個公共的閥殼里，稱為中壓聯(lián)合汽閥。本文以東方汽輪機有限公司超臨界350 MW汽輪機(以下簡稱A項目)的中壓調(diào)節(jié)閥為例進行研究。中壓調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，調(diào)節(jié)閥在某壓比下的流量系數(shù)與H/D的關(guān)系曲線如圖2所示(圖中：H為閥門升程；D為閥門直徑)。

表3 汽輪機負荷與閥門前、后蒸汽參數(shù)

由圖2可知，中壓調(diào)節(jié)閥雖然一般不參與負荷調(diào)節(jié)，但是閥門在較大的升程范圍內(nèi)是具備調(diào)節(jié)流量能力的，為中壓調(diào)節(jié)閥參調(diào)供熱提供了必備條件。

圖1 中壓調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意

圖2 流量系數(shù)與H/D的關(guān)系曲線

4 閥門參調(diào)供熱

4.1 閥門參調(diào)數(shù)據(jù)

A項目中壓調(diào)節(jié)閥壓力為4.2 MPa、流量為200 t/h的工業(yè)抽汽由再熱熱段抽出，機組負荷與中壓調(diào)節(jié)閥前、后蒸汽參數(shù)見表3。

由表3可知，通過調(diào)整中壓調(diào)節(jié)閥開度可以保證熱段蒸汽壓力基本保持恒定，即保證工業(yè)抽汽壓力的穩(wěn)定和可靠。隨著負荷的降低，中壓調(diào)節(jié)閥的壓損增大，閥門開度也隨之減小。

4.2 閥門運行模式

東方汽輪機有限公司300 MW以上容量汽輪機一般配備2個中壓調(diào)節(jié)閥，配汽方式為節(jié)流配汽，運行模式為單閥。以A項目汽輪機為例，其中壓調(diào)節(jié)閥的閥門流量與升程關(guān)系曲線如圖3所示。中壓調(diào)節(jié)閥同高壓調(diào)節(jié)閥一樣，一個閥門配一個油動機，參考高壓調(diào)節(jié)閥的順序閥運行模式，中壓調(diào)節(jié)閥采用順序閥運行模式時的閥門流量與升程關(guān)系曲線如圖4所示。由圖中曲線可知，閥門通過相同流量時，順序閥模式下的#1閥門開度明顯比單閥模式下的大。

圖3 閥門流量與升程關(guān)系曲線(單閥)

圖4 閥門流量與升程關(guān)系曲線(順序閥)

以A項目為例，在熱段抽出200 t/h(4.2 MPa)工業(yè)抽汽的情況下，中壓調(diào)節(jié)閥在不同運行模式下的特性數(shù)據(jù)見表4。

由表4可知，在312 MW負荷以下，閥門受到的蒸汽力較不參調(diào)供熱時大，即閥桿強度和油動機選型需重新核算。經(jīng)核算，閥桿需加粗處理，油動機需選用出力更大的型號，才能滿足要求。

由表4還可知：在滿足工業(yè)抽汽壓力的情況下，負荷越低，閥門開度越小，閥門受到的蒸汽力越大；閥門在順序閥模式下的開度較同負荷時單閥模式下的開度大，閥門蒸汽力小；在210 MW(60%額定負荷)負荷時，順序閥模式下#1調(diào)節(jié)閥閥門開度比單閥模式大15.9百分點，受到的蒸汽力較單閥模式小32%。

表4 不同運行模式下中壓調(diào)節(jié)閥特性數(shù)據(jù)

注：如該閥門不參調(diào)供熱，經(jīng)計算該閥門受到的最大蒸汽力約為127 400 N。

表6 不同流速下中壓調(diào)節(jié)閥特性數(shù)據(jù)

因此，在負荷相同且滿足工業(yè)抽汽的情況下，順序閥運行模式較單閥模式下有以下優(yōu)勢：相應(yīng)的閥門開度更大，利于閥門運行的穩(wěn)定性；閥門受到的蒸汽力更小，便于閥桿設(shè)計和油動機選型。

4.3 閥門流速選擇

管道流速決定管道的直徑和閥門的口徑，直接影響機組的經(jīng)濟性、管道壓力損失、管道振動和噪聲等[1]，所以閥門流速的選擇至關(guān)重要。以A項目為例，分別計算了中壓調(diào)節(jié)閥采用相同型線不同口徑方案下的喉部流速(喉部流速指的是中壓調(diào)節(jié)閥在最大進汽量時的喉部流速)，見表5。

表5 中壓調(diào)節(jié)閥不同口徑下的喉部流速

由表5可知，閥門直徑越小，喉部流速越大。閥門喉部流速越大，閥門壓損也隨之增大。根據(jù)運行項目試驗驗證，閥門喉部流速由60 m/s增加到90 m/s，閥門壓損增加約2%，影響汽輪機經(jīng)濟性約1.3‰。

經(jīng)核算，在熱段抽出200 t/h(4.2 MPa)工業(yè)抽汽情況下，中壓調(diào)節(jié)閥在不同口徑下采用順序閥運行模式的特性數(shù)據(jù)見表6。

由表6可知，在相同負荷下，閥門直徑越小，滿足工業(yè)抽汽時對應(yīng)的閥門開度就越大，閥門受到的蒸汽力就越小。

根據(jù)東方汽輪機有限公司已投運的中壓調(diào)節(jié)閥參調(diào)供熱機組運行經(jīng)驗，中壓調(diào)節(jié)閥油動機選型與閥門蒸汽力不匹配時會出現(xiàn)打閘現(xiàn)象，影響汽輪機的安全可靠性，也影響對外供熱的穩(wěn)定性。因此為便于油動機選型，中壓調(diào)節(jié)閥參調(diào)供熱時閥門直徑可適當往小的方向考慮，犧牲部分機組純凝工況的經(jīng)濟性。

5 應(yīng)用實例

東方汽輪機有限公司在2010年就有超臨界600 MW機組采用中壓調(diào)節(jié)閥參調(diào)供熱汽輪機成功投運，額定抽汽壓力為4.2 MPa，最大抽汽量為150 t/h，抽汽位置在再熱熱段，最低供熱負荷率為60%。汽輪機負荷為500 MW、機組抽汽壓力為4.19 MPa時的中壓調(diào)節(jié)閥參調(diào)供熱控制圖如圖5所示。中壓調(diào)節(jié)閥供熱模式下的閥門配汽曲線如圖6所示。#2中壓調(diào)節(jié)閥全關(guān)情況下，中壓聯(lián)合汽閥壓損隨#1中壓調(diào)節(jié)閥開度變化曲線如圖7所示。

圖5 500 MW負荷時中壓調(diào)節(jié)閥參調(diào)供熱控制圖

圖6 供熱模式下中壓調(diào)節(jié)閥配汽曲線

圖7 中壓聯(lián)合汽閥壓損隨 #1中壓調(diào)節(jié)閥開度變化曲線

由圖5、圖6和圖7可知，中壓調(diào)節(jié)閥在供熱模式下采用順序閥運行模式，汽輪機功率為500 MW時，供熱壓力為4.09 MPa(表壓)，中壓調(diào)節(jié)閥流量指令為77.9%，#1閥門開度為71.8%，#2閥門開度為2.4%，對應(yīng)的中壓聯(lián)合汽閥壓損約為13.7%。在該項目上實施了中壓調(diào)節(jié)閥參調(diào)供熱，且投運至今已有7 a之久，運行狀況良好,調(diào)節(jié)參數(shù)及調(diào)節(jié)范圍完全滿足用戶要求。

6 結(jié)束語

中壓調(diào)節(jié)閥參調(diào)供熱時，方案設(shè)計中需綜合考慮抽汽壓力、抽汽量、最低供熱負荷、閥門流速、閥門壓損、經(jīng)濟性和油動機選型等各項參數(shù)進行合理匹配。中壓調(diào)節(jié)閥具備調(diào)節(jié)性能，同時閥門設(shè)計和油動機均可滿足供熱要求，且采用該方案的汽輪機已成功投運，所以中壓調(diào)節(jié)閥參與調(diào)節(jié)供熱是可行的。

參考文獻：

[1]周琳,譚銳,衛(wèi)棟梁.東汽純凝600 MW級火電機組供熱改造探討[J].東方電氣評論，2012，26(102)：8-13.

[2]中國動力工程學(xué)會.火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊:第2卷[M].北京:機械工業(yè)出版社，1998.