過載補(bǔ)汽閥在1000MW汽輪發(fā)電機(jī)組上的綜合應(yīng)用

錢海川 韓 崗 陳 梁

上海上電漕涇發(fā)電有限公司

0 引言

隨著我國(guó)發(fā)電技術(shù)的進(jìn)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)電正面臨前所未有的嚴(yán)峻考驗(yàn)?，F(xiàn)代超超臨界大型火力發(fā)電機(jī)組在大容量、高參數(shù)的基礎(chǔ)上繼續(xù)挖掘機(jī)組潛能的空間難度將不斷增加。為順應(yīng)清潔、高效、環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)，許多火電機(jī)組紛紛進(jìn)行了節(jié)能減排技術(shù)改造和控制策略改進(jìn)以滿足國(guó)家的新標(biāo)準(zhǔn)和新要求。電網(wǎng)為了保證發(fā)電機(jī)組的供電質(zhì)量，對(duì)于火電機(jī)組AGC和一次調(diào)頻的投入率、調(diào)節(jié)指標(biāo)的考核較以往更加嚴(yán)格，推動(dòng)電廠不斷追求技術(shù)進(jìn)步與革新。

上海上電漕涇發(fā)電有限公司（以下簡(jiǎn)稱“漕涇電廠”）的汽輪發(fā)電機(jī)組采用上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)德國(guó)西門子公司技術(shù)設(shè)計(jì)制造的1 000MW機(jī)組，主蒸汽壓力26．25MPa，主蒸汽溫度600℃。汽輪機(jī)型式是超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)的配汽型式為全周進(jìn)汽加過載補(bǔ)汽閥方式，高壓缸無調(diào)節(jié)級(jí)。汽輪機(jī)組蒸汽流程中設(shè)計(jì)兩個(gè)高壓主汽閥、兩個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥、一個(gè)補(bǔ)汽閥、兩個(gè)中壓主汽閥和兩個(gè)中壓調(diào)節(jié)閥。

1 過載補(bǔ)汽閥的相關(guān)結(jié)構(gòu)和工作原理

過載補(bǔ)汽閥結(jié)構(gòu)與高、中壓調(diào)門類似，為單閥座調(diào)閥，油動(dòng)機(jī)上配置一個(gè)伺服閥和兩個(gè)跳閘電磁閥。正常情況下，DEH的“轉(zhuǎn)速-負(fù)荷控制器”向補(bǔ)汽閥的伺服閥發(fā)送指令信號(hào)，從而讓油動(dòng)機(jī)帶動(dòng)閥門克服彈簧作用力運(yùn)動(dòng)到指定開度；緊急情況下，ETS保護(hù)動(dòng)作，補(bǔ)汽閥上的兩個(gè)跳閘電磁閥同時(shí)失電，油動(dòng)機(jī)快速泄油，釋放彈簧實(shí)現(xiàn)快速關(guān)閉閥門。

補(bǔ)汽閥一般布置在高壓缸下方，此設(shè)計(jì)可省略高溫金屬管道，使汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)更緊湊。補(bǔ)汽閥的汽源取自兩側(cè)高壓主汽門與高壓調(diào)門之間，一部分主蒸汽流經(jīng)補(bǔ)汽閥進(jìn)入高壓外缸與內(nèi)缸之間的封閉腔室內(nèi)，該腔室通過高壓內(nèi)缸上的徑向孔與高壓缸通流部分相連。具體的連接位置取決于機(jī)組的進(jìn)汽參數(shù)、熱應(yīng)力和對(duì)通流部分的影響等。漕涇電廠1 000MW汽輪機(jī)的過載補(bǔ)汽閥連接在高壓缸第5級(jí)葉片后，根據(jù)等焓節(jié)流原理，主蒸汽進(jìn)入該級(jí)處的溫度約降低30℃，因此在高壓缸內(nèi)部的金屬部件上不會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。

2 過載補(bǔ)汽閥的不同用途

2.1 機(jī)組滑壓運(yùn)行時(shí)補(bǔ)汽閥參與一次調(diào)頻

漕涇電廠所使用的汽輪機(jī)采用全周進(jìn)汽方式，未設(shè)置調(diào)節(jié)級(jí)，高壓通流部分第一級(jí)葉片和其它級(jí)葉片相同，其進(jìn)汽壓力及焓降與流量成正比，此類設(shè)計(jì)可提高汽輪機(jī)高壓缸的總體內(nèi)效率。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，為獲得最佳的經(jīng)濟(jì)性，采用調(diào)門全開、全程滑壓的運(yùn)行方式。

具體做法：在主汽壓力設(shè)定值上增加一定量的負(fù)偏置使調(diào)門全開，投入CTF（汽機(jī)跟隨的負(fù)荷協(xié)調(diào)控制）方式使機(jī)組滑壓運(yùn)行（30%至100%負(fù)荷）。雖然維持滑壓運(yùn)行會(huì)使機(jī)組對(duì)于AGC指令的負(fù)荷響應(yīng)速度大幅降低，但直流鍋爐通過優(yōu)化負(fù)荷調(diào)節(jié)回路及過載補(bǔ)汽閥、凝結(jié)水節(jié)流調(diào)節(jié)等手段，仍能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。此外，滑壓運(yùn)行時(shí)，因主蒸汽溫度不隨負(fù)荷變化，采用純壓力級(jí)的高壓缸內(nèi)的溫度場(chǎng)在變負(fù)荷時(shí)仍能保持相對(duì)穩(wěn)定，顯著改善了變負(fù)荷時(shí)高壓轉(zhuǎn)子的應(yīng)力狀況，使汽輪機(jī)能適應(yīng)很高的負(fù)荷變化速率。

過載補(bǔ)汽閥參與一次調(diào)頻的功能示意如圖1所示。

圖1 過載補(bǔ)汽閥參與一次調(diào)頻功能示意圖

根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差，經(jīng)F1(x)和F2(x)兩個(gè)分段函數(shù)計(jì)算出補(bǔ)汽閥的開度指令，相關(guān)參數(shù)見圖2和圖3。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到電網(wǎng)頻率偏低、汽輪機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為2 998rpm時(shí)，F(xiàn)1(X)=0，F(xiàn)2(X)=-2，補(bǔ)汽閥全關(guān)；當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速降低至2 997．8rpm時(shí)，F(xiàn)1(X)=0．83rpm，F(xiàn)2(X)=0；隨著實(shí)際轉(zhuǎn)速的降低，補(bǔ)汽閥將逐漸開啟；當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速降低至2 995．5rpm時(shí)，F(xiàn)1(X)=10，F(xiàn)2(X)=20，補(bǔ)汽閥的指令設(shè)定速率變化至20%。補(bǔ)汽閥開啟可在短時(shí)間內(nèi)增加提供超出額定流量的蒸汽（約占額定主蒸汽流量的5%～10%），增加機(jī)組出力（3%～5%），滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻對(duì)加負(fù)荷的需求。

圖2

圖3

2.2 補(bǔ)汽閥輔助參與調(diào)壓，減少旁路溢流次數(shù)

為進(jìn)一步挖掘兩臺(tái)1000MW機(jī)組的潛力，提高機(jī)組的整體出力，對(duì)機(jī)組進(jìn)行了供熱改造。分別從補(bǔ)汽閥后、一級(jí)抽汽和冷再熱管道預(yù)留接口三個(gè)部位引出部分蒸汽，經(jīng)減溫減壓后向外提供高、中壓兩種參數(shù)蒸汽，接入鄰近的化工區(qū)熱網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。機(jī)組在高負(fù)荷運(yùn)行同時(shí)進(jìn)行供熱，將升高鍋爐側(cè)的主蒸汽壓力值。以機(jī)組負(fù)荷1000MW為例，主蒸汽流量2 930t/h，爐側(cè)壓力可達(dá)到28．1MPa，高壓旁路閥（以下稱高旁）溢流動(dòng)作壓力為28．7MPa，實(shí)際運(yùn)行中負(fù)荷稍有波動(dòng)就會(huì)造成高旁在運(yùn)行中溢流開啟。高旁開啟時(shí)，這部分主蒸汽將不進(jìn)汽輪機(jī)做功，直接通過管道被回收，影響了發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。與此同時(shí)，高壓旁路頻繁動(dòng)作，會(huì)影響汽輪機(jī)和再熱器等設(shè)備的使用壽命。為避免高壓旁路在不必要的情況下溢流動(dòng)作，需將這一功能轉(zhuǎn)移至補(bǔ)汽閥，使過載補(bǔ)汽閥在主蒸汽壓力接近上限時(shí)先于高壓旁路開啟，邏輯功能示意見圖4。

圖4 邏輯功能示意圖

在CTF協(xié)調(diào)控制方式下，機(jī)組滑壓運(yùn)行，旁路的壓力控制給定值P0（x）是根據(jù)鍋爐BM指令x計(jì)算出的函數(shù)曲線。旁路的溢流動(dòng)作值 P1（x）=P0(x)+0．6+1．，(公式中0．6MPa為鍋爐出口至汽機(jī)調(diào)門前的壓降修正值)，見圖5。

圖5

此時(shí)，只需使補(bǔ)汽閥溢流動(dòng)作值滿足公式：P2(X)=P1(X)-0．5,即可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)汽閥的溢流功能。

為了驗(yàn)證邏輯修改的實(shí)際效果，對(duì)漕涇電廠1號(hào)機(jī)組進(jìn)行了在線試驗(yàn)。機(jī)組負(fù)荷850MW，通過降低補(bǔ)汽閥溢流設(shè)定值，使其逐漸開啟，至主蒸汽壓力重新穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果顯示，高負(fù)荷時(shí)，過載補(bǔ)汽閥開啟10%，可使主蒸汽壓力降低約0．5MPa。見圖6。

圖6

機(jī)組后續(xù)的運(yùn)行表明，使用過載補(bǔ)汽閥輔助參與主蒸汽壓力調(diào)節(jié)可有效減少機(jī)組在滑壓運(yùn)行過程中因工況波動(dòng)引起的旁路溢流次數(shù)。同時(shí)從安全角度考慮，將過載補(bǔ)汽閥溢流的閥限設(shè)置在15%開度，補(bǔ)汽閥溢流功能僅在旁路處于B模式（滑壓運(yùn)行控制）時(shí)生效。

2.3 補(bǔ)汽閥增加機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益

汽輪機(jī)采用全周進(jìn)汽時(shí)，進(jìn)汽壓力與流量成正比，即機(jī)組在最大流量（VWO）工況運(yùn)行時(shí)，進(jìn)汽壓力才能達(dá)到額定壓力。上海漕涇電廠汽輪機(jī)VWO工況流量為2 955．6t/h，進(jìn)汽壓力為26．25MPa；額定工況（THA）流量為 2 730t/h，進(jìn)汽壓力為26．25MPa；兩者流量之比為1．08，按夏季循環(huán)水溫度33℃及2%補(bǔ)水率，最大流量仍留有8%的余量配置。

夏季是用電高峰期，由于循環(huán)水溫度上升等原因，導(dǎo)致凝汽器真空下降，汽輪機(jī)熱效率降低。相比秋、冬季，機(jī)組達(dá)到相同的負(fù)荷，鍋爐提供的蒸發(fā)量較設(shè)計(jì)值有所增加，主蒸汽壓力相應(yīng)升高，此時(shí)，短期超壓增加流量運(yùn)行，雖然可充分利用蒸汽壓力的潛力，獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益，但同時(shí)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。相對(duì)而言，過載補(bǔ)汽閥技術(shù)是一種更好的解決方案，在額定進(jìn)汽壓力下可增加5%～10%的主蒸汽流量，雖然損失了高壓缸前幾級(jí)蒸汽做功的熱效率，可增加52MW出力，長(zhǎng)期運(yùn)行，可取得額外的經(jīng)濟(jì)效益。

3 過載補(bǔ)汽閥的不足之處

實(shí)際運(yùn)行狀況表明，過載補(bǔ)汽閥開度超過20%后，汽輪機(jī)高壓缸前后軸承的絕對(duì)振動(dòng)和相對(duì)振動(dòng)明顯增大。從補(bǔ)汽閥進(jìn)汽方向和通流部分的結(jié)構(gòu)分析，補(bǔ)汽進(jìn)入汽輪機(jī)的方向垂直于汽缸內(nèi)蒸汽流動(dòng)方向，對(duì)高壓缸內(nèi)原有軸向流動(dòng)的蒸汽造成較大擾動(dòng)。此外，補(bǔ)汽進(jìn)入通流部分的不規(guī)則封閉腔室后，隨著流量增大會(huì)產(chǎn)生一定的渦流，對(duì)高壓缸內(nèi)蒸汽流動(dòng)造成一定擾動(dòng)。因此，國(guó)內(nèi)不少電廠出于安全考慮，很少使用補(bǔ)汽閥。目前，汽輪機(jī)廠已針對(duì)該問題進(jìn)行相關(guān)研究，并制定了對(duì)策和措施，在個(gè)別電廠進(jìn)行技術(shù)改造。

4 結(jié)語與展望

補(bǔ)汽閥的存在，使汽輪機(jī)在高、中壓調(diào)門全開的滑壓運(yùn)行方式下依然可以參與電網(wǎng)一次調(diào)頻；夏季高負(fù)荷運(yùn)行期間通過補(bǔ)汽閥可增加汽輪機(jī)進(jìn)汽量，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。此外，補(bǔ)汽閥還能輔助參與主蒸汽壓力調(diào)節(jié)，減少機(jī)組供熱期間因工況變化而引起的旁路溢流動(dòng)作次數(shù)。與此同時(shí)，補(bǔ)汽閥的設(shè)計(jì)尚存在一些缺陷，開啟至一定開度易引起高壓缸內(nèi)汽流擾動(dòng)，但在一定開度內(nèi)仍然值得國(guó)內(nèi)電廠嘗試應(yīng)用。隨著汽輪機(jī)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，這方面的缺陷將逐步予于解決，過載補(bǔ)汽閥將能為汽輪機(jī)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來更多的益處。