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(rèn)的能夠提高能源利用效率、保護(hù)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(jìn)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(dāng)熱負(fù)荷小于機組額定供熱量時,背壓機處于部分負(fù)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(fù)荷的進(jìn)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(fù)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(fù)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(fù)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(jìn)而在實際運行中給出合理建議。
在部分負(fù)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(jìn)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(jìn)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(fù)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]。
定參數(shù)運行,也稱為定壓運行,是指汽輪機進(jìn)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(jìn)口蒸汽流量的增減來實現(xiàn)負(fù)荷的升降。配汽方式可選擇節(jié)流配汽或噴嘴配汽。
滑參數(shù)運行,也稱為滑壓運行,是指通過汽輪機進(jìn)口蒸汽參數(shù)的改變來實現(xiàn)負(fù)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(fù)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(fù)荷。由于鍋爐的運行調(diào)節(jié)存在熱慣性,因此負(fù)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(xiàn)[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(jìn)行了比較,認(rèn)為研究滑壓運行方式的經(jīng)濟性需要對具體機組進(jìn)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(jìn)汽,運行中把調(diào)節(jié)閥預(yù)先關(guān)小到一定開度后進(jìn)行滑壓運行,調(diào)節(jié)閥隨著負(fù)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(fù)荷下進(jìn)行定壓運行,在較低負(fù)荷下進(jìn)行滑壓運行,在更低負(fù)荷下進(jìn)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。
背壓機在部分負(fù)荷工況下采用不同的運行方式,不僅會導(dǎo)致汽輪機通流內(nèi)部各級蒸汽參數(shù)不同,而且如有回?zé)岢槠?,還會導(dǎo)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(jìn)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(biāo)和熱經(jīng)濟性產(chǎn)生不同影響。
在有穩(wěn)定熱負(fù)荷的情況下,背壓機采用取消調(diào)節(jié)級、全周進(jìn)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(jìn)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(fù)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(jìn)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?zé)嵯到y(tǒng)。
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(fù)荷與節(jié)流損失關(guān)系曲線如圖1所示。
圖1 相對負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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
機組實際運行時負(fù)荷不能過低,否則會使排汽流量過小,導(dǎo)致汽輪機出現(xiàn)鼓風(fēng)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(fù)荷與排汽溫度關(guān)系曲線如圖4、圖5所示。
圖4 相對負(fù)荷與排汽溫度關(guān)系曲線(有調(diào)節(jié)級)
圖5 相對負(fù)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(fù)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。
有調(diào)節(jié)級和無調(diào)節(jié)級機組的相對負(fù)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(fù)荷與相對內(nèi)效率關(guān)系曲線(有調(diào)節(jié)級)
圖7 相對負(fù)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(fù)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(fù)荷的變化,調(diào)節(jié)閥的開啟數(shù)量同步變化,負(fù)荷越低,開啟數(shù)量越少,部分進(jìn)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(fù)荷下效率也低于滑壓運行方式。在20%~100%負(fù)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。
對于背壓機,常用的考核經(jīng)濟性的評價指標(biāo)是汽耗,圖8和圖9為不同配汽方式下不同負(fù)荷與汽耗的關(guān)系曲線。
圖8 相對負(fù)荷與汽耗關(guān)系曲線(有調(diào)節(jié)級)
圖9 相對負(fù)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(fù)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(biāo)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(jìn)汽流量更多,因此汽耗較高。
滑壓運行時,隨著負(fù)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(fù)荷降低,當(dāng)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]。
對于定壓運行的鍋爐,當(dāng)負(fù)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(fù)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(fù)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)。
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(fù)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(fù)荷率,以避免負(fù)荷變化過于劇烈導(dǎo)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(fù)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(jìn)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。
在定壓運行方式下,隨著負(fù)荷越來越低,進(jìn)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(jìn)汽方式改變了軸承受力的方向及軸承的承載負(fù)荷,易使軸系失穩(wěn),引起軸承溫度升高或振動加大。
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(jìn)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(fù)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(fù)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(fù)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。