錢海川 韓 崗 陳 梁

上海上電漕涇發(fā)電有限公司

0 引言

隨著我國發(fā)電技術(shù)的進步和成熟，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峻考驗?，F(xiàn)代超超臨界大型火力發(fā)電機組在大容量、高參數(shù)的基礎(chǔ)上繼續(xù)挖掘機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，許多火電機組紛紛進行了節(jié)能減排技術(shù)改造和控制策略改進以滿足國家的新標準和新要求。電網(wǎng)為了保證發(fā)電機組的供電質(zhì)量，對于火電機組AGC和一次調(diào)頻的投入率、調(diào)節(jié)指標的考核較以往更加嚴格，推動電廠不斷追求技術(shù)進步與革新。

上海上電漕涇發(fā)電有限公司（以下簡稱“漕涇電廠”）的汽輪發(fā)電機組采用上海汽輪機廠引進德國西門子公司技術(shù)設(shè)計制造的1 000MW機組，主蒸汽壓力26．25MPa，主蒸汽溫度600℃。汽輪機型式是超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機。汽輪機的配汽型式為全周進汽加過載補汽閥方式，高壓缸無調(diào)節(jié)級。汽輪機組蒸汽流程中設(shè)計兩個高壓主汽閥、兩個高壓調(diào)節(jié)閥、一個補汽閥、兩個中壓主汽閥和兩個中壓調(diào)節(jié)閥。

1 過載補汽閥的相關(guān)結(jié)構(gòu)和工作原理

過載補汽閥結(jié)構(gòu)與高、中壓調(diào)門類似，為單閥座調(diào)閥，油動機上配置一個伺服閥和兩個跳閘電磁閥。正常情況下，DEH的“轉(zhuǎn)速-負荷控制器”向補汽閥的伺服閥發(fā)送指令信號，從而讓油動機帶動閥門克服彈簧作用力運動到指定開度；緊急情況下，ETS保護動作，補汽閥上的兩個跳閘電磁閥同時失電，油動機快速泄油，釋放彈簧實現(xiàn)快速關(guān)閉閥門。

補汽閥一般布置在高壓缸下方，此設(shè)計可省略高溫金屬管道，使汽輪機結(jié)構(gòu)更緊湊。補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)補汽閥進入高壓外缸與內(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組的進汽參數(shù)、熱應(yīng)力和對通流部分的影響等。漕涇電廠1 000MW汽輪機的過載補汽閥連接在高壓缸第5級葉片后，根據(jù)等焓節(jié)流原理，主蒸汽進入該級處的溫度約降低30℃，因此在高壓缸內(nèi)部的金屬部件上不會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。

2 過載補汽閥的不同用途

2.1 機組滑壓運行時補汽閥參與一次調(diào)頻

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

具體做法：在主汽壓力設(shè)定值上增加一定量的負偏置使調(diào)門全開，投入CTF（汽機跟隨的負荷協(xié)調(diào)控制）方式使機組滑壓運行（30%至100%負荷）。雖然維持滑壓運行會使機組對于AGC指令的負荷響應(yīng)速度大幅降低，但直流鍋爐通過優(yōu)化負荷調(diào)節(jié)回路及過載補汽閥、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，滑壓運行時，因主蒸汽溫度不隨負荷變化，采用純壓力級的高壓缸內(nèi)的溫度場在變負荷時仍能保持相對穩(wěn)定，顯著改善了變負荷時高壓轉(zhuǎn)子的應(yīng)力狀況，使汽輪機能適應(yīng)很高的負荷變化速率。

過載補汽閥參與一次調(diào)頻的功能示意如圖1所示。

圖1 過載補汽閥參與一次調(diào)頻功能示意圖

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

當系統(tǒng)檢測到電網(wǎng)頻率偏低、汽輪機實際轉(zhuǎn)速為2 998rpm時，F(xiàn)1(X)=0，F(xiàn)2(X)=-2，補汽閥全關(guān)；當實際轉(zhuǎn)速降低至2 997．8rpm時，F(xiàn)1(X)=0．83rpm，F(xiàn)2(X)=0；隨著實際轉(zhuǎn)速的降低，補汽閥將逐漸開啟；當實際轉(zhuǎn)速降低至2 995．5rpm時，F(xiàn)1(X)=10，F(xiàn)2(X)=20，補汽閥的指令設(shè)定速率變化至20%。補汽閥開啟可在短時間內(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%），增加機組出力（3%～5%），滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻對加負荷的需求。

圖2

圖3

2.2 補汽閥輔助參與調(diào)壓，減少旁路溢流次數(shù)

為進一步挖掘兩臺1000MW機組的潛力，提高機組的整體出力，對機組進行了供熱改造。分別從補汽閥后、一級抽汽和冷再熱管道預(yù)留接口三個部位引出部分蒸汽，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)，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。機組在高負荷運行同時進行供熱，將升高鍋爐側(cè)的主蒸汽壓力值。以機組負荷1000MW為例，主蒸汽流量2 930t/h，爐側(cè)壓力可達到28．1MPa，高壓旁路閥（以下稱高旁）溢流動作壓力為28．7MPa，實際運行中負荷稍有波動就會造成高旁在運行中溢流開啟。高旁開啟時，這部分主蒸汽將不進汽輪機做功，直接通過管道被回收，影響了發(fā)電的經(jīng)濟性。與此同時，高壓旁路頻繁動作，會影響汽輪機和再熱器等設(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作，需將這一功能轉(zhuǎn)移至補汽閥，使過載補汽閥在主蒸汽壓力接近上限時先于高壓旁路開啟，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，機組滑壓運行，旁路的壓力控制給定值P0（x）是根據(jù)鍋爐BM指令x計算出的函數(shù)曲線。旁路的溢流動作值 P1（x）=P0(x)+0．6+1．，(公式中0．6MPa為鍋爐出口至汽機調(diào)門前的壓降修正值)，見圖5。

圖5

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

為了驗證邏輯修改的實際效果，對漕涇電廠1號機組進行了在線試驗。機組負荷850MW，通過降低補汽閥溢流設(shè)定值，使其逐漸開啟，至主蒸汽壓力重新穩(wěn)定。試驗結(jié)果顯示，高負荷時，過載補汽閥開啟10%，可使主蒸汽壓力降低約0．5MPa。見圖6。

圖6

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

2.3 補汽閥增加機組運行的經(jīng)濟效益

汽輪機采用全周進汽時，進汽壓力與流量成正比，即機組在最大流量（VWO）工況運行時，進汽壓力才能達到額定壓力。上海漕涇電廠汽輪機VWO工況流量為2 955．6t/h，進汽壓力為26．25MPa；額定工況（THA）流量為 2 730t/h，進汽壓力為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，汽輪機熱效率降低。相比秋、冬季，機組達到相同的負荷，鍋爐提供的蒸發(fā)量較設(shè)計值有所增加，主蒸汽壓力相應(yīng)升高，此時，短期超壓增加流量運行，雖然可充分利用蒸汽壓力的潛力，獲得較高的經(jīng)濟效益，但同時存在一定的風險。相對而言，過載補汽閥技術(shù)是一種更好的解決方案，在額定進汽壓力下可增加5%～10%的主蒸汽流量，雖然損失了高壓缸前幾級蒸汽做功的熱效率，可增加52MW出力，長期運行，可取得額外的經(jīng)濟效益。

3 過載補汽閥的不足之處

實際運行狀況表明，過載補汽閥開度超過20%后，汽輪機高壓缸前后軸承的絕對振動和相對振動明顯增大。從補汽閥進汽方向和通流部分的結(jié)構(gòu)分析，補汽進入汽輪機的方向垂直于汽缸內(nèi)蒸汽流動方向，對高壓缸內(nèi)原有軸向流動的蒸汽造成較大擾動。此外，補汽進入通流部分的不規(guī)則封閉腔室后，隨著流量增大會產(chǎn)生一定的渦流，對高壓缸內(nèi)蒸汽流動造成一定擾動。因此，國內(nèi)不少電廠出于安全考慮，很少使用補汽閥。目前，汽輪機廠已針對該問題進行相關(guān)研究，并制定了對策和措施，在個別電廠進行技術(shù)改造。

4 結(jié)語與展望

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