高參數(shù)大流量中壓聯(lián)合汽閥參調(diào)供熱工程應(yīng)用研究

趙平，胡黔生，蘇鑫海

(1.廣西華磊新材料有限公司熱電廠，廣西 平果 531400；2.東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

先進(jìn)、高效的大型供熱汽輪機(jī)組已被世界各國(guó)公認(rèn)為提高能源利用效率和保護(hù)環(huán)境的重要手段，大型汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的能源利用率比單純發(fā)電約提高1倍以上，綜合熱效率大于55%。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)冶金化工等行業(yè)對(duì)5Mpa以上的高參數(shù)大流量供熱需求場(chǎng)合越來(lái)越多，先進(jìn)、高效的大型供熱汽輪機(jī)組是提高能源利用效率的重要手段。同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)熱電汽輪機(jī)行業(yè)更高效供熱方式及熱電解耦技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，追求熱電比效率越來(lái)越高，以獲得更好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)大功率熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)，通過(guò)對(duì)5Mpa以上高參數(shù)大流量供熱技術(shù)的選擇論證，采用中壓聯(lián)合汽閥參與調(diào)節(jié)的供熱方式成熟可靠。

1 機(jī)組概況

1.1 項(xiàng)目背景

中國(guó)鋁業(yè)廣西華磊新材料有限公司熱電工程屬于自備電廠，主要負(fù)責(zé)為華磊公司相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈提供電力保障和不同壓力等級(jí)蒸汽的供應(yīng)，根據(jù)平果鋁工業(yè)用汽參數(shù)及用電量的特殊要求，機(jī)組常年運(yùn)行的電負(fù)荷在80%以上，具有穩(wěn)定的熱負(fù)荷及電負(fù)荷。

表1 廣西華磊鋁業(yè)項(xiàng)目汽輪機(jī)設(shè)計(jì)邊界條件

鑒于氧化鋁項(xiàng)目的特殊性，機(jī)組要求額定抽汽工況下機(jī)組出力330MW，最大抽汽工況下機(jī)組出力300MW。本項(xiàng)目要求汽輪機(jī)在供應(yīng)電力的同時(shí)，能以經(jīng)濟(jì)方便的方式提供2種壓力抽汽，實(shí)現(xiàn)高、中、低壓多種抽汽供熱方案，并且供熱抽汽壓力能保持穩(wěn)定，機(jī)組運(yùn)行可靠性要求高。

1.2 機(jī)型選擇

先進(jìn)、高效的大型供熱汽輪機(jī)組與常規(guī)凝汽式汽輪機(jī)相比，由于供熱抽汽參數(shù)高、級(jí)數(shù)多（雙抽），汽輪機(jī)不僅需要采用先進(jìn)的通流技術(shù)，保證汽輪機(jī)具有較高的經(jīng)濟(jì)性，還需要根據(jù)抽汽供熱機(jī)組的特點(diǎn)，合理確定機(jī)組總體設(shè)計(jì)方案，汽缸缸數(shù)、供熱配汽方式、滑銷推拉機(jī)構(gòu)、供熱部件（汽缸、供熱閥門、旋轉(zhuǎn)隔板）的可靠性能。

本項(xiàng)目汽輪機(jī)總體設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)在于高中缸模塊分、合缸形式。本項(xiàng)目經(jīng)研究論證后確定的設(shè)計(jì)原則為：當(dāng)高中壓汽缸內(nèi)需要兩級(jí)抽汽，適合采用高中壓分缸型式；當(dāng)高中壓汽缸內(nèi)需要一級(jí)抽汽，高中壓進(jìn)或排汽口有另一級(jí)抽汽時(shí)，則采用高中壓合缸型式較為合理。

采用高中壓分缸形式的理由是由于高中壓缸內(nèi)有兩級(jí)抽汽，軸承跨距不易滿足轉(zhuǎn)子動(dòng)特性要求，而高中壓分缸設(shè)計(jì)，不受軸承跨距影響，并且在中壓模塊上易于布置抽汽管道、供熱閥門及旋轉(zhuǎn)隔板，同時(shí)供熱抽汽可集中設(shè)計(jì)在中壓模塊上，對(duì)于不同的熱用戶，高、低壓模塊可以通用，僅對(duì)中壓模塊改變?cè)O(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)、制造周期短。

當(dāng)高中壓通流內(nèi)需要一級(jí)抽汽或一級(jí)抽汽在缸內(nèi)另一級(jí)抽汽在進(jìn)排汽口時(shí)，軸系跨距容易滿足轉(zhuǎn)子動(dòng)特性要求，高中壓模塊適合采用合缸方案，高中壓合缸方案結(jié)構(gòu)較緊湊，軸系簡(jiǎn)單，機(jī)組長(zhǎng)度短，熱膨脹阻力小等。

綜上所述，本項(xiàng)目汽輪機(jī)總體設(shè)計(jì)方案為兩缸兩排汽、高中壓合缸形式。

2 機(jī)組供熱方式

目前成熟可靠的汽輪機(jī)可調(diào)節(jié)供熱技術(shù)主要有中排蝶閥供熱、旋轉(zhuǎn)隔板供熱、中壓聯(lián)合汽閥調(diào)節(jié)供熱、座缸閥調(diào)節(jié)供熱等，各種供熱調(diào)節(jié)技術(shù)相互疊加互補(bǔ)，提供雙抽、多抽供熱方案。

表2 各供熱技術(shù)供熱參數(shù)對(duì)比表

根據(jù)項(xiàng)目供熱要求，本項(xiàng)目汽輪機(jī)可調(diào)整供熱技術(shù)，可選擇中壓聯(lián)合汽閥調(diào)節(jié)供熱和中排蝶閥供熱的組合方式。

針對(duì)本項(xiàng)目不小于7MPa高壓供熱的需求，利用中壓聯(lián)合汽閥參與高壓供熱調(diào)節(jié)，不僅減少了節(jié)流損失、使其結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)還降低了工程投資。中壓聯(lián)合汽閥同時(shí)參與負(fù)荷調(diào)整和工業(yè)抽汽調(diào)整，對(duì)閥門及控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能和可靠性要求更高。本項(xiàng)目采用優(yōu)化型閥門型線和配汽曲線，提高中壓閥門的控制精度，由原僅在30%行程以下參與調(diào)節(jié)改進(jìn)設(shè)計(jì)為100%全行程供熱調(diào)節(jié)。

3 機(jī)組供熱能力

3.1 機(jī)組設(shè)計(jì)供熱能力

汽輪機(jī)設(shè)計(jì)供熱能力按本項(xiàng)目實(shí)際供熱需求設(shè)計(jì)。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求熱電兼顧：熱負(fù)荷與電負(fù)荷要求同步，即機(jī)組運(yùn)行需遵循“以熱定電”的運(yùn)行模式。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于電廠為自備電站且在局域電網(wǎng)運(yùn)行，電負(fù)荷需求較小，因此存在實(shí)際電負(fù)荷低于特定供熱量下相應(yīng)設(shè)計(jì)電負(fù)荷的情況。

3.2 中壓聯(lián)合汽閥參調(diào)供熱問(wèn)題

根據(jù)Pluviose 的分析和流固耦合效應(yīng)下汽輪機(jī)進(jìn)汽閥流量振動(dòng)研究，當(dāng)蒸汽流存在高速噴射、沖擊和剪切層時(shí)，閥門振動(dòng)問(wèn)題和損傷主要發(fā)生在節(jié)流操作中。主汽閥控制汽輪機(jī)的功率輸出，隨著主蒸汽流量減小，機(jī)組電負(fù)荷下降，閥門在節(jié)流操作中消耗了大量能量，能量消耗過(guò)程產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致閥門產(chǎn)生較大的振動(dòng)。

表3 機(jī)組設(shè)計(jì)抽汽能力表

當(dāng)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行追求更大的熱電比時(shí)，汽輪機(jī)進(jìn)汽量小于機(jī)組設(shè)計(jì)值，汽輪機(jī)實(shí)際電負(fù)荷低于設(shè)計(jì)電負(fù)荷。中壓聯(lián)合汽閥實(shí)際開度低于設(shè)計(jì)要求，根據(jù)上述理論研究，閥門節(jié)流效果明顯，導(dǎo)致機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)閥門振動(dòng)情況。

根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)閥門振動(dòng)情況，對(duì)中壓聯(lián)合汽閥進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了閥門內(nèi)部流場(chǎng)情況，如圖1所示。中壓聯(lián)合汽閥在小開度下閥門內(nèi)部流場(chǎng)紊亂，閥桿所受到的氣動(dòng)力波動(dòng)幅值也更大，增加了閥桿在閥門小開度狀態(tài)下的振動(dòng)概率。

圖1 中壓聯(lián)合汽閥優(yōu)化前小開度下流場(chǎng)情況圖

因此，中壓聯(lián)合汽閥在小開度深度參調(diào)供熱工況下存在閥門振動(dòng)加劇的客觀特性。另一方面，桿振動(dòng)使定位銷磨損，一定程度上會(huì)加劇流場(chǎng)波動(dòng)并最終使得閥桿振動(dòng)概率加大而形成惡性循環(huán)。

基于閥門流場(chǎng)模擬，對(duì)本項(xiàng)目參調(diào)中壓聯(lián)合汽閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改進(jìn)閥門濾網(wǎng)形式、閥門型線，通過(guò)這些優(yōu)化手段明顯改善了閥門流場(chǎng)紊亂情況，減少了中壓聯(lián)合汽閥在小開度下振動(dòng)概率，滿足機(jī)組深度參調(diào)抽汽供熱需要。優(yōu)化后閥門流場(chǎng)數(shù)值分析結(jié)果見圖2所示。

圖2 中壓聯(lián)合汽閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化后小開度下流場(chǎng)情況圖

針對(duì)本項(xiàng)目機(jī)組主蒸汽流量和中壓聯(lián)合汽閥閥門特性，中聯(lián)門調(diào)整高壓抽汽供熱工況圖，如圖3所示。

圖3 中聯(lián)門高壓抽汽供熱工況圖

上圖3中等抽汽量線（一抽高壓抽汽7MPa）：1-抽汽量0t/h、2-抽汽量80t/h、3-抽汽量160t/h、4-抽汽量230t/h。機(jī)組供熱工況在a-b-c-d-a區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)根據(jù)優(yōu)化后閥門流場(chǎng)分析中壓聯(lián)合汽閥開度應(yīng)不小于50%。

根據(jù)分析：機(jī)組在1#中調(diào)門開度大于50%的條件下能滿足抽最大高壓抽汽量230t/h需求，機(jī)組運(yùn)行狀況良好，各技術(shù)指標(biāo)均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

3.3 機(jī)組供熱潛力

為進(jìn)一步挖掘供熱機(jī)組更小電負(fù)荷下的供熱潛力，滿足自備電廠等孤網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組的更大熱電比，提高機(jī)組的熱電經(jīng)濟(jì)性，可進(jìn)一步優(yōu)化中壓聯(lián)合汽閥閥芯結(jié)構(gòu)、閥門型線、調(diào)整配汽曲線，在保證機(jī)組運(yùn)行安全前提下，降低閥門開度限制，提高中壓聯(lián)合汽閥調(diào)節(jié)能力和穩(wěn)定性。

另外，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)可通過(guò)切除一號(hào)高加方案從系統(tǒng)上解決熱電匹配偏差的問(wèn)題，在不降低閥門開度的情況下增大高壓供熱，提高機(jī)組供熱能力。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）大型熱電聯(lián)產(chǎn)雙抽供熱凝汽式汽輪機(jī)采用“以熱定電”“熱電分調(diào)”“牽連調(diào)節(jié)”控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在一臺(tái)機(jī)組上提供兩級(jí)供熱抽汽，多種抽汽參數(shù)組合的可調(diào)整雙抽供熱抽汽；通流設(shè)計(jì)采用現(xiàn)代最先進(jìn)的技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用成熟技術(shù)，按照供熱機(jī)組設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原則優(yōu)化設(shè)計(jì)，使機(jī)組具有較高的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

（2）根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，采用中壓聯(lián)合汽閥參調(diào)供熱的技術(shù)滿足機(jī)組高參數(shù)大流量供熱需求是可行的、安全的、穩(wěn)定的?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整中壓聯(lián)合汽閥閥門型線、配汽曲線滿足不同項(xiàng)目供熱參數(shù)、流量需求。