1、補汽調節閥技術在百萬千瓦全周進汽汽輪機中的應用 標題：補汽調節閥技術在百萬千瓦全周進汽汽輪機中的應用 作者：彭澤瑛 顧德明 來源：互聯網引言 環保經濟高速發展，一次能源的資源狀況使清潔煤發電成為當今世界能源技術發展的主要方向。綠色環保政策的實施，要求在評價經濟性時引入環保經濟效益的新概念使提高發電效率成為燃煤發電技術發展的首要目標。將單機容量提高到百萬千瓦等級，采用超超臨界參數是其中兩項主要措施。 我國華能玉環41000MW超超臨界機組集中應用了當今世界最先進的、可用的一系列技術，使機組的整體性能達到了世界頂尖水平。本文介紹的“補汽調節閥技術”就是為提高經濟性、安全可靠性、運行靈活性，在百萬千

2、瓦超超臨界高壓缸中所采用的一項先進技術。 1 噴嘴調節級設計的明顯不足 長期以來，對功率為600MW700MW等級的亞臨界或超臨界參數汽輪機，其高壓進汽端的設計有兩種風格：噴嘴不分組段的全周進汽形式及噴嘴分組的非全周進汽形式。 對全周進汽的結構形式，機組無調節級，第一級葉片與其它級一樣，其進汽壓力及焓降均與流量成正比。機組運行模式為“定-滑壓”的單閥控制模式，只能通過節流或滑壓降低進汽壓力的方式調節汽輪機的進汽量及功率。這種設計的高壓第一級葉片不存在部分進汽引起的沖擊載荷，葉片應力與機組負荷同步變化，使該級葉片在任何工況均處在溫度雖然高，但應力水平卻較低的安全狀態，徹底解決了高壓第一級葉片的強

3、度問題。 對噴嘴分組的非全周進汽形式，機組有調節級，可通過改變部分進汽度的大小影響機組的流量和級的進汽壓力、焓降。最為經濟的運行模式為“最小部分進汽度下的滑壓運行”。對這種結構，第一級（調節級）葉片在低負荷、最小部分進汽時應力遠大于額定負荷工況，加上部分進汽的沖擊載荷等因素，使該級葉片的動強度設計成為整個機組安全性關鍵環節之一。通常的設計措施是： （1）受蒸汽流量及壓差載荷的限制，隨著機組單機容量的增大，允許的最小部分進汽度逐步增加，由25%、33%提高到50%。（2）為盡量減少對動葉片的激振力，噴嘴弧段由整圈8組、6組減少到目前的180度弧段的半圈形式，總的部分進汽度也提高到98%以上。（3

4、）采取具有更好抗振性能、應力集中最小的結構形式，如整體三聯體自帶圍帶、雙層圍帶等。在安全性設計中，除了校核最大應力的低負荷工況外，還應對沖擊載荷、噴嘴的尾跡激振動應力進行考核。（4）采用多噴嘴數的小柵距葉柵，甚至以型線損失系數增加2%3%的代價減少動葉片的振動應力。（5）受強度的限制，對亞臨界或壓力為24.2MPa、566溫度的超臨界機組，單流調節級限制用于小于700MW等級的機組。 對于百萬千瓦、更高的超超臨界參數（26.25MPa到30MPa壓力，600到620溫度）機組，高壓端葉片級的工作條件更加苛刻，噴嘴調節級的結構形式顯示出明顯的不足。 蒸汽的流量及壓力載荷遠遠超過以往的強度極限工況

5、，為保證安全性，不得不采取雙流調節級。雙流和超臨界壓力兩個因素的迭加使高壓葉片級的端損大幅增加，效率明顯下降。同時，基于噴嘴調節的機理，即使采用了雙流程，調節級葉片仍然處在工作溫度最高，應力最大的強度極限條件下。 噴嘴分組及部分進汽在超超臨界參數下將更容易形成汽隙激振源，不利于機組部分負荷下的安全運行。 超臨界參數下熱力循環滑壓運行效率已高于定壓噴嘴調節，采用噴嘴調節效率高的優勢已不明顯。 綜上所述，百萬千瓦超超臨界機組“滑壓-噴嘴調節”的設計模式在保證安全可靠性、各種工況的經濟性、運行靈活性方面已明顯不及全周進汽。 2 全周進汽模式的優勢 在百萬千瓦超超臨界汽輪機中，全周進汽模式具有的技術優

6、勢在于： （1）由于無強度不足的限制，因此即使功率增加到百萬千瓦等級，仍可采用單流程葉片級，與雙流程相比，額定工況高壓缸效率至少約高3%。（2）全周進汽無任何附加汽隙激振，提高了機組的軸系穩定性。（3）高壓第一級葉片的焓降僅為噴嘴調節部分進汽滑壓的1/5，最大載荷僅1/4左右，徹底解決了第一級葉片的安全性問題。高壓缸葉片不再約束機組參數的提高和功率的增大。現有高壓缸設計壓力達到30MPa，單流功率為1200MW等級。（4）對超臨界參數熱力循環，部分負荷經濟性高，例如，對50%負荷，滑壓運行的熱耗比額定工況提高4.6%，反動式變壓-噴嘴調節的熱耗增加5.9%，沖動式變壓-噴嘴調節則增加7%。 3

7、 提高全周進汽滑壓運行的經濟性 對百萬千瓦超超臨界汽輪機全周進汽結構，無論是額定工況還是低負荷工況，其經濟性均已明顯高于“滑壓-噴嘴調節”模式。但尚有兩方面潛力可利用。 （1）全周進汽時，汽輪機的進汽壓力與流量成正比，即機組僅在最大流量（通常稱VWO）工況運行時，進汽壓力才達到額定值。從熱力循環和發揮整個電廠設備的潛力角度，全周進汽的滑壓運行模式并沒有用足蒸汽壓力的能力。這種能力的喪失隨機組設計流量余量的增加而增加。下表為不同流量配置規范的數據對比。 表1全周進汽滑壓運行時的進汽壓力 容量配置規范德國IEC國內#1國內#2增大工況進汽壓力定額值Po額定工況 Po0.95 Po0.925 Po0

8、.88 Po夏季工況1.05 PoPo0.97 Po0.95 Po#1和#2是國內目前采用過的兩種容量配置規則。按#1規則，夏季工況按實際運行33度冷卻水溫下的背壓8.6kPa，2%補水率定義，最大流量留有3%的余量配置。按#2規則，夏季定義為11.8kPa背壓，3%補水率，最大流量留有5%的余量配置。 從上表可見，如按某些德國電廠的容量規則，額定流量基本等于最大流量，即閥門全開的功率基本就是銘牌出力。在夏季高背壓或機組出現老化時，可充分利用IEC規程要求年平均壓力不超過額定值的規定，通過短期的超壓增加流量。顯然這種配置充分、合理利用了蒸汽壓力的潛力，且獲得了較高的經濟效益。但目前國內情況有很

9、大的不同，即機組容量余量較大，特別按上述#2的規范配置時，如采用全周進汽滑壓模式，額定工況（THA）的進汽壓力僅為額定值的88%，因壓力的不到位，使熱耗損失約45kJ/kWh。 （2）要使機組具有調頻功能，全周進汽必須采取節流的方式，這勢必又引起運行經濟性的下降，例如5%的全周節流將使熱耗增加1220kJ/kWh左右。 針對國內的匹配規范，為了在額定流量與最大流量相差很大情況下發揮機組的經濟性潛力，并使機組具有很好的調頻能力，西門子采用一項補汽調節閥的配置技術。該項技術與全周進汽配套使機組提高進汽壓力的同時又可改進機組的快速調頻功能。山西陽城電廠6350MW機組是國內已有的應用實例。玉環410

10、00MW機組也采用該項補汽閥技術。 4 補汽調節閥結構及工作原理 西門子1000MW單流高壓缸為標準的圓筒型外缸結構，針對不同的溫度參數，該積木塊有多種可選擇的結構形式：采用附加外置補汽調節閥或不采用是可進行選配的形式之一。正如如上所述，在機組配套的最大流量比額定工況流量大很多的情況下，有必要采用補汽閥技術。 采用補汽調節閥有兩個目的：第一是使滑壓運行機組在額定流量下，進汽壓力達到額定值；第二是使機組實際運行時，不必通過主調門的節流就具備調頻功能，可避免節流損失，而且調頻反應速度快，可減少鍋爐的壓力波動。 西門子單流高壓缸原配有兩個主汽門和兩個調節閥。在每個主汽門后、調門前引出一個管道，接入一

11、個或兩個外置的補汽調節閥，該閥門結構類同于主調門，是一個單座閥，位于高壓缸下部或上下部。閥門也由電液控制系統控制開度，由彈簧安全關閉。蒸汽從閥門引出后進入中間級后。 與該補汽閥相關的高壓缸結構為：在高壓外缸與內缸之間有一個封閉腔室，該腔室通過高壓內缸上的徑向孔與高壓通流部分相連，具體接在那一級后要從經濟性、溫度場熱應力、補汽對主調門通流能力的影響等幾方面來確定。例如對玉環機組，將與第5級動葉出口相通。根據等焓節流原理，主汽門后的蒸汽進入第5級處，溫度將降低約30度，使得補汽閥的蒸汽與主流蒸汽的溫差明顯縮小。按常規的溫度場及熱應力計算分析表明，當溫度場的溫差在70度以內，可以不計熱應力對壽命的影

12、響。由于補汽閥在關閉時始終保持微量的泄漏，加上該汽流與主汽流來源相同，因此補汽與主汽的溫差在所有工況下基本是穩定的，即使工況變化，汽缸也不存在附加的熱應力。 5 補汽閥流量特性 如上所述，只有在機組最大流量比額定工況流量大得多的情況下，才有必要配置補汽閥。具體補汽閥流量特性的設計將涉及下列幾個方面： （1）首先要確定補汽閥開啟點，即主調門閥門全開，達到額定進汽壓力的流量。補汽閥的功能決定了該主調門流量值應等于熱耗保證工況的流量。大于該流量，才打開補汽閥供汽。如主調門的最大流量設置過大，補汽閥開啟點移后，則在熱耗保證工況下，機組的進汽壓力仍沒滑到額定壓力，蒸汽壓力的潛力尚沒用足。反之如主調門的最

13、大流量設計過小，則在熱耗保證工況，補汽閥已開始進汽，則由于補汽要損失5級的做功能力，也要降低保證工況的經濟性。分析計算表明：補汽閥開啟點由THA點推遲到TMCR，即主調門的最大設計流量增加7%左右，則THA的保證熱耗因此時進汽壓力沒達到額定值，要升高約20kJ/kWh；若補汽閥提前開，即主調門最大設計流量減少7%左右，則THA的保證熱耗因存在補汽，將會升高約50kJ/kWh。 （2）補汽閥流量特性設計。在主調門達到最大流量（通常即熱耗保證工況）后，補汽閥開啟，高壓缸補汽點的流量開始增加，由于該處壓力隨補汽流量增加而增加，因此同時使主調門的通流能力下降；補汽量越大，主調門的流量減少越多，在設計時

14、需聯合求解兩個閥的流量特性。此外，與流量相應的推力特性也將變化，需在設計時綜合考慮。 （3）補汽閥流量特性控制。補汽閥在整個系統中相當于第三個調節閥，其油動機控制方式、在線試驗功能、所有的保護設置均與主調門一樣。該閥門的升程關系見下圖。 6 全周進汽滑壓+補汽調節的完美組合 正如上所述，對我國目前按大余量原則設計的機組，補汽閥是使機組性能達到完美的一項技術。 （1）以額定工況進汽壓力達到額定值的原則進行匹配。按最大流量余量不同，采用補汽閥的熱耗得益也將不同：下圖為按IEC規定，額定流量為最大流量的95%時，補汽閥的得益使額定負荷的熱耗降低20kJ/kWh。當額定流量與最大流量比例為88%時，取

15、決于補氣量的大小，采用補汽方式可使額定負荷的熱耗降低約3645kJ/kWh。 （2）采用補汽閥，機組不須節流就具備了調頻能力，與不采用補汽閥相比，避免了1220kJ/kWh的節流損失，且其反應速度快（在3秒以內），具備足夠的能量貯備，在迅速增加負荷時，蒸汽壓力變化量小（不到1%），表明補汽閥具有非常好的調頻性能。為提高大電網的穩定性及調頻能力，歐盟電網將補汽閥作為今后推薦采用的技術之一1。 （3）由上圖曲線可見，由于補汽的汽源來源于主蒸汽，進入高壓中間級將產生附加節流損失，使補汽閥開啟后工況的經濟性降低，以玉環1000MW機組為例，在額定保證熱耗及相應低負荷熱耗降低的同時，最大“VWO”工況的

16、熱耗卻增加約45kJ/kWh。如補汽量越大，熱耗增加量更大。考慮到按大余量匹配規則，即使保證夏季發銘牌出力，一般也不可能在VWO流量下運行，與大幅提高實際運行工況經濟性的得益相比，補汽閥在這種工況下的熱耗增加還是值得的。 7 結論 （1）全周進汽因不存在噴嘴配汽方式下的高溫葉片強度超極限、汽隙激振問題，因此在百萬千瓦及超超臨界參數條件下是最合適、最為安全可靠的配汽方式。 （2）按德國和IEC規范，汽輪機額定流量接近最大流量，即流量余量不超過5%，這種匹配原則，全周進汽的滑壓運行額定負荷下的進汽壓力與額定壓力相差不大，因此是最為經濟的配置方式。但是當電網要求這種機組具備快速調頻能力時，以往多采用

17、5%節流運行模式，勢必造成機組的熱耗增加。此時如采用補汽閥調頻，在保證具有同樣快速穩定調頻能力的條件下，可避免節流調頻的損失。 （3）中國電廠采取額定流量比最大流量小12%的匹配原則，額定工況滑壓運行時的進汽壓力將遠低于額定壓力，也將影響機組的熱耗。此時如采用補汽閥技術不僅成功解決了全周進汽機組快速調頻的壓力損失問題，還可解決滑壓運行額定工況進汽壓力偏低的問題。在高效、減少燃料排放成為電廠運行關鍵性指標的今天，補汽閥技術因其提高可靠性、經濟性和運行靈活性的優點，將在大功率機組超超臨界汽輪機中推廣應用。 參考文獻： 1RudolfKral,BertRukes,Oldrich Zaviska.Reserves for To