背壓機部分負荷時不同運行方式的經(jīng)濟性分析

魏 志

(上海汽輪機廠有限公司，上海 200240)

熱電聯(lián)產(chǎn)機組充分發(fā)揮能源梯級利用的原理，兼顧供電和發(fā)熱，能夠節(jié)約能源，改善環(huán)境，是公認的能夠提高能源利用效率、保護環(huán)境的重要手段。背壓式汽輪機既能夠滿足發(fā)電要求，又能夠?qū)S區(qū)或其他園區(qū)進行供汽或供熱。隨著化工、造紙等行業(yè)的發(fā)展及城市供暖需求的增加，背壓式汽輪機現(xiàn)已成為工業(yè)園區(qū)內(nèi)常見的配套熱源配置。

背壓式汽輪機一般采取以熱定電的運行方式。當熱負荷小于機組額定供熱量時，背壓機處于部分負荷工況，機組的各參數(shù)會偏離設(shè)計值，這會影響機組的效率，造成機組經(jīng)濟性降低。隨著負荷的進一步降低，經(jīng)濟性會出現(xiàn)較大幅度的下降。因此分析不同運行方式下部分負荷的性能是至關(guān)重要的。本文將比較和研究有調(diào)節(jié)級背壓機和無調(diào)節(jié)級背壓機在不同運行方式下部分負荷的經(jīng)濟性，目的是通過調(diào)整運行方式，盡可能降低部分負荷時汽輪機的性能損失，盡量減少與額定工況時的性能差異，進而在實際運行中給出合理建議。

1 運行方式介紹

在部分負荷工況下，汽輪機的運行方式有定參數(shù)運行和滑參數(shù)運行[1]，對應(yīng)節(jié)流配汽(節(jié)流調(diào)節(jié))和噴嘴配汽(噴嘴調(diào)節(jié))2種配汽方式。

采用節(jié)流調(diào)節(jié)的汽輪機，汽輪機的多個調(diào)節(jié)閥同步動作，進入汽輪機的蒸汽受到調(diào)節(jié)閥的節(jié)流作用，壓力降低。噴嘴調(diào)節(jié)通過多個調(diào)節(jié)閥(帶有部分重疊度)依次開啟或關(guān)閉來改變進汽度，背壓機的調(diào)節(jié)閥數(shù)量通常是2個或4個，任何負荷下都有1個調(diào)節(jié)閥處于部分開啟狀態(tài)，存在節(jié)流損失[2]。

1.1 定參數(shù)運行方式

定參數(shù)運行，也稱為定壓運行，是指汽輪機進口蒸汽參數(shù)保持不變，即主蒸汽壓力保持額定壓力，通過汽輪機進口蒸汽流量的增減來實現(xiàn)負荷的升降。配汽方式可選擇節(jié)流配汽或噴嘴配汽。

1.2 滑參數(shù)運行方式

滑參數(shù)運行，也稱為滑壓運行，是指通過汽輪機進口蒸汽參數(shù)的改變來實現(xiàn)負荷的變化。運行時，各調(diào)節(jié)閥保持開度不變，蒸汽參數(shù)的變化由鍋爐和整個熱力系統(tǒng)根據(jù)負荷要求協(xié)調(diào)控制，鍋爐出口蒸汽溫度保持不變。具體包括下面3種方式：

1)全滑壓運行方式。其調(diào)節(jié)閥全開，依據(jù)鍋爐出口蒸汽壓力調(diào)節(jié)負荷。由于鍋爐的運行調(diào)節(jié)存在熱慣性，因此負荷調(diào)節(jié)存在滯后現(xiàn)象。

調(diào)門全開時無節(jié)流損失，因此該運行方式適用于無調(diào)節(jié)級機組，這樣可以避免由調(diào)節(jié)級帶來的振動和強度問題，簡化了汽輪機的設(shè)計和制造[2]。文獻[3]中對全開所有調(diào)節(jié)閥和全開部分調(diào)節(jié)閥2種滑壓運行方式進行了比較，認為研究滑壓運行方式的經(jīng)濟性需要對具體機組進行分析。本文中論述的全滑壓方式指全開所有調(diào)節(jié)閥的情況。

2)節(jié)流滑壓運行方式。該方式適用于無調(diào)節(jié)級機組，汽輪機全周進汽，運行中把調(diào)節(jié)閥預(yù)先關(guān)小到一定開度后進行滑壓運行，調(diào)節(jié)閥隨著負荷的升降而調(diào)整開度，因此存在節(jié)流損失，但無調(diào)節(jié)滯后現(xiàn)象。

3)復(fù)合滑壓運行方式。該方式為滑壓和定壓相結(jié)合的運行方式，采用噴嘴配汽，在高負荷下進行定壓運行，在較低負荷下進行滑壓運行，在更低負荷下進行定壓運行，簡稱“定-滑-定”方式。該方式廣泛應(yīng)用于300 MW以上的機組中。

2 不同運行方式對機組性能的影響

背壓機在部分負荷工況下采用不同的運行方式，不僅會導致汽輪機通流內(nèi)部各級蒸汽參數(shù)不同，而且如有回熱抽汽，還會導致各抽汽參數(shù)的不同，并且會引起輔機系統(tǒng)，例如給水泵、軸封冷卻器的運行工況不同。相應(yīng)地，背壓機的進汽節(jié)流損失、相對內(nèi)效率、汽耗、水泵耗功等也會不同，從而對機組性能指標和熱經(jīng)濟性產(chǎn)生不同影響。

在有穩(wěn)定熱負荷的情況下，背壓機采用取消調(diào)節(jié)級、全周進汽的方案，汽輪機受熱均勻，可以減小熱變形及熱應(yīng)力，而且全周進汽使蒸汽對轉(zhuǎn)子的徑向作用力相互平衡，這提高了機組運行的可靠性和對負荷變化的適應(yīng)性[1]。以下分析將針對有調(diào)節(jié)級和無調(diào)節(jié)級的2種背壓機分別進行比較。假設(shè)背壓機在不同運行方式下的額定溫度、額定壓力、排汽壓力等均相同，無回熱系統(tǒng)。

2.1 對進汽節(jié)流損失的影響

對于有調(diào)節(jié)級的背壓機，選擇的運行方式有定壓噴嘴運行調(diào)節(jié)、定壓單閥節(jié)流運行調(diào)節(jié)和全滑壓運行調(diào)節(jié)。有調(diào)節(jié)級機組的相對負荷與節(jié)流損失關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 相對負荷與節(jié)流損失關(guān)系曲線(有調(diào)節(jié)級)

由圖1可知：

1)全滑壓運行時調(diào)節(jié)閥全開，節(jié)流損失為零，在20%～100%負荷范圍內(nèi)，定壓單閥節(jié)流運行的節(jié)流損失均處于最高水平，定壓噴嘴運行次之；

2)定壓運行時隨著負荷降低，節(jié)流損失基本呈線性增長。

對于無調(diào)節(jié)級的背壓機，可選擇的運行方式有定壓節(jié)流運行調(diào)節(jié)和全滑壓運行調(diào)節(jié)。其相對負荷與節(jié)流損失關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可知，節(jié)流損失規(guī)律同上。

圖2 相對負荷與節(jié)流損失關(guān)系曲線(無調(diào)節(jié)級)

調(diào)節(jié)級效率曲線如圖3所示。在部分負荷工況下，調(diào)節(jié)級效率明顯下降。調(diào)節(jié)閥全開時，節(jié)流損失最小，調(diào)節(jié)級效率最高。

圖3 調(diào)節(jié)級效率曲線

2.2 對排汽溫度的影響

機組實際運行時負荷不能過低，否則會使排汽流量過小，導致汽輪機出現(xiàn)鼓風發(fā)熱和排汽溫度偏高的現(xiàn)象，這會使隔板、轉(zhuǎn)子、汽缸等產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，影響汽輪機安全運行。有調(diào)節(jié)級和無調(diào)節(jié)級機組的相對負荷與排汽溫度關(guān)系曲線如圖4、圖5所示。

圖4 相對負荷與排汽溫度關(guān)系曲線(有調(diào)節(jié)級)

圖5 相對負荷與排汽溫度關(guān)系曲線(無調(diào)節(jié)級)

由圖4和圖5可知：

1)對于有調(diào)節(jié)級的背壓機，定壓噴嘴方式下排汽溫度最低，滑壓運行下排汽溫度最高，且隨著負荷的降低，溫度差值越來越大。因此如采用滑壓運行，將對材料的選取和強度的核算提出更高的要求，且在設(shè)計過程需設(shè)計更多的溫度余量。

2)對于無調(diào)節(jié)級背壓機，2種運行方式的溫差相對較小，其他規(guī)律同上。

2.3 對相對內(nèi)效率的影響

有調(diào)節(jié)級和無調(diào)節(jié)級機組的相對負荷與相對內(nèi)效率關(guān)系曲線如圖6、圖7所示。

圖6 相對負荷與相對內(nèi)效率關(guān)系曲線(有調(diào)節(jié)級)

圖7 相對負荷與相對內(nèi)效率關(guān)系曲線(無調(diào)節(jié)級)

由圖6和圖7可知：

1)對于有調(diào)節(jié)級的背壓機，滑壓運行時相對內(nèi)效率高于定壓運行，原因在于滑壓運行時在50%～100%負荷下主蒸汽容積流量變化較小，相差不到10%。而定壓下2種方式主蒸汽容積流量均出現(xiàn)了明顯的降低。

2)采用定壓噴嘴方式，隨著負荷的變化，調(diào)節(jié)閥的開啟數(shù)量同步變化，負荷越低，開啟數(shù)量越少，部分進汽損失越大，效率低于滑壓運行方式。

3)定壓單閥節(jié)流方式下，由于節(jié)流損失較大，部分負荷下效率也低于滑壓運行方式。在20%～100%負荷變化范圍內(nèi)，定壓噴嘴方式下的效率一直高于定壓單閥節(jié)流方式。

4)對于無調(diào)節(jié)級背壓機，規(guī)律同上。

2.4 對汽耗的影響

對于背壓機，常用的考核經(jīng)濟性的評價指標是汽耗，圖8和圖9為不同配汽方式下不同負荷與汽耗的關(guān)系曲線。

圖8 相對負荷與汽耗關(guān)系曲線(有調(diào)節(jié)級)

圖9 相對負荷與汽耗關(guān)系曲線(無調(diào)節(jié)級)

由圖8和9可知：

1)對于有調(diào)節(jié)級的背壓機，定壓噴嘴運行調(diào)節(jié)下的汽耗值明顯低于其他2種方式，隨著負荷的降低，優(yōu)勢更明顯。

2)對于有調(diào)節(jié)級和無調(diào)節(jié)級的機組，定壓節(jié)流運行調(diào)節(jié)和全滑壓運行下的汽耗指標相差不大，全滑壓運行雖然有節(jié)流損失小和相對內(nèi)效率較高2個優(yōu)點，但是由于機組的理想比焓降較低，在出力相同的情況下，需要的進汽流量更多，因此汽耗較高。

3 不同運行方式對其他參數(shù)的影響

3.1 對給水泵耗功的影響

滑壓運行時，隨著負荷降低，給水泵耗功隨著出口壓力的降低而減少。對于超臨界壓力以下的機組，隨著負荷降低，當給水泵耗功減少量大于滑壓運行損失時，采用滑壓運行具有效益優(yōu)勢，因此這種機組通常采用先定壓后滑壓的運行方式[4]。

3.2 對主蒸汽溫度的影響

對于定壓運行的鍋爐,當負荷降低，蒸汽流量減少，受限于鍋爐燃燒情況及結(jié)構(gòu)，大多數(shù)定壓運行鍋爐出口蒸汽溫度較難穩(wěn)定維持在額定參數(shù)，隨著負荷降低到一定值，蒸汽溫度會下降。而滑壓運行鍋爐出口的蒸汽容積流量變化較小，因此隨著負荷降低，滑壓運行鍋爐出口蒸汽溫度可基本維持在額定參數(shù)。

3.3 對調(diào)節(jié)級后溫度的影響

針對有調(diào)節(jié)級的背壓機，從機組安全運行角度出發(fā)，定壓運行時由于調(diào)節(jié)級后溫度會隨著負荷的降低而出現(xiàn)大幅度降低，因此，在運行過程中需要限制變負荷率，以避免負荷變化過于劇烈導致產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和熱變形[5]。

滑壓運行時調(diào)節(jié)級級后溫度隨著負荷的降低而略有增加，這對機組安全運行更有利。在整個調(diào)節(jié)過程中，由于噴嘴的全周進汽，節(jié)流調(diào)節(jié)方式有利于降低調(diào)節(jié)級葉片的載荷，也有利于啟動時對汽輪機的均勻加熱。

3.4 對調(diào)節(jié)閥的影響

在定壓運行方式下，隨著負荷越來越低，進口容積流量也會越來越小，此時就可能需要將較大的調(diào)節(jié)閥調(diào)整到非常小的開度，出現(xiàn)“大閥門小開度”和“控不住、控不穩(wěn)”的控制難題，建議采用壓力等級高且元件精密程度較高的高壓油系統(tǒng)，并需要綜合考慮調(diào)節(jié)閥的口徑和數(shù)量。

噴嘴調(diào)節(jié)方式會涉及閥門的開啟次序，即哪個閥門先開，哪個閥門后開的問題。部分進汽方式改變了軸承受力的方向及軸承的承載負荷，易使軸系失穩(wěn)，引起軸承溫度升高或振動加大。

4 結(jié) 論

本文通過對有調(diào)節(jié)級和無調(diào)節(jié)級背壓式汽輪機的研究，比較了不同運行方式對機組性能的影響，重點分析了其對進汽節(jié)流損失、排汽溫度、相對內(nèi)效率和汽耗的影響，得到如下結(jié)論：

1)汽輪機在部分負荷運行時采用不同的運行方式，將直接影響汽輪機運行的經(jīng)濟性。

2)從汽耗角度，對于有調(diào)節(jié)級背壓機，優(yōu)選運行方式為定壓噴嘴運行方式；針對無調(diào)節(jié)級背壓機，在較高的負荷工況下，機組采用定壓節(jié)流和滑壓運行2種方式，汽耗相差不大，均可采用。

3)在背壓機實際運行中，針對現(xiàn)場運行的不同要求，在部分負荷時是否有必要切換其他運行方式，即采用復(fù)合滑壓運行方式，需綜合考慮機組的結(jié)構(gòu)形式、鍋爐的結(jié)構(gòu)形式、輔機配置和主蒸汽參數(shù)等因素，結(jié)合變工況理論和現(xiàn)場性能試驗結(jié)果來決定，由此得出經(jīng)濟性更高的運行方式和合理的切換建議。