600MW汽轮机滑压运行调节阀运行方式的研究

    0 引言
    改革开放以后，国家经济政策进一步调整，工业用电和城市居民用电量剧增，迫使大容量机组进行滑压调峰。而对滑压调节的概念，不同的文献有不同的定义，一是“汽轮机滑压调节，在任何负荷下将所有调节阀全开，使部分负荷下节流损失最小”，即所有调节阀全开，在任何负荷下都靠主蒸汽压力来调节负荷；另一种定义是“汽轮机滑压运行时，调节阀全开或开度不变”。
    因此目前火电机组滑压运行主要有以下3种方式：①全开所有调节阀门运行，即在任何负荷下都是通过调节主汽压力来调节负荷，此时调节级的节流损失最小；②全开部分调节阀运行，即一部分调节阀门全开，另一部分全关，这样在部分负荷时满足进汽量要求，也可以维持一定的主蒸汽压力；③调节阀门不开足，保持一定开度进行滑压运行，这样会带来较大的节流损失。本文将进行4种运行方式的经济性比较：
    ①全开部分调节阀运行；
    ②全开所有调节阀门运行；
    ③所有调节阀门不开足；
    ④部分调节阀门全开，部分调节阀门不开足。
    1 机组设计现况
    国内如东方汽轮机厂、上海汽轮机厂、哈尔滨汽轮机厂等生产的汽轮机，在额定工况设计时一般不会设计为所有调节阀全开，为了在低参数时仍能带额定负荷，设计时总需留一个部分开启的调节阀，这就造成了机组实际滑压运行时调节阀运行方式与机组设计工况的调节阀运行方式有一定差异，究竟哪种滑压运行调节阀运行方式更经济，是否调节阀开得越多越好，本文以N600-16.7/537/537型机组为例，计算比较机组由三阀全开转换到四阀全开、部分开启时的经济性，再比较机组由三阀全开转换为只开两阀时的经济性。
    2 实例计算
    某一台600MW机组，机组转速n=3000r/min，设计工况下，新蒸汽压力P0=16.7MPA，新蒸汽温度t0=537℃，主汽额定D0=1792.462t/h，调节级后压力p2=10.5MPA，高压缸排汽压力3.581MPA，高压缸排汽温度314.4℃。

表1 调节级主要特性参数

表2 阀门喷嘴配气机构

    该机组具有4只调节阀，经济工况为三阀全开，总流量不变，改变调节阀运行方式，计算并比较汽轮机做功的差异，改变调节阀运行方式时，机组再热温度和再热压力相同，即中低压缸做功相同。所以比较改变调节阀运行方式时汽轮机做功差异只需比较其调节级和高压缸焓降。
    2.1 调节阀由三阀改到四阀
    2.1.1 计算分析
    运用弗留格尔公式计算出调节级后压力保持不变时，调节级前压力的变化。由于弗留格尔公式的使用条件是通流面积不变，因此在总流量不变的前提下，三阀全开改为四阀全开时，流过原来3只阀的流量将减少，流量反比于通流面积
        （1）
    式中：D3x表示四阀全开时，流过原来3只阀门的流量；D3y表示三阀全开时，流过3只阀门的流量；F3表示前3只阀门全开的控制面积；F4表示4只阀全开时的控制面积。
    即流过前调节阀喷嘴组的流量将减少到原来的75%，此时应用弗留格尔公式可求4只阀全开时调节级前的压力P01，滑压运行时，主蒸汽温度不变即t01=t0，弗留格尔公式为
        （2）
    其临界压比
    式中：k取1.3，代入数据p0=16.7MPA，p2=10.5MPA化简得
        （3）
    用MATLAB作该函数的图形如图1所示。

图1 调节级前压力与4号阀门面积关系图

♂ 
    该机组（F4-F3）/F3=1/3，得p01=13.89MPA，即四阀全开时的调节级前压力，此时并无节流损失，由于蒸汽的过热度高，可用理想气体焓降公式表示为
        （4）
    因此，该机组由三阀全开换为四阀全开，其理想焓降比可为
        （5）
    由t01=t0代入数据得

    
    由此可见，该机组在相同流量下四阀全开较三阀全开，调节级理想焓降减少了差不多40%，在此，我们通过热力计算进一步验证：
    查焓熵图得，三阀全开时，调节级前的压力、温度和焓为
    p0=16.7MPA，t0=537℃，h0=3393.6kJ/kg
    调节级后的压力、温度和焓为
    p2=10.5MPA，t2=455℃，ht=3246.4kJ/kg
    四阀全开时，调节级前的压力、温度和焓为
    p01=13.89MPA，t01=537℃，h01=3425.2kJ/kg
    调节级后的压力、温度和焓为
    p21=10.5MPA，t21=487℃，ht1=3332.6kJ/kg
    设计工况的理想焓降
    Δht=h0-ht=147.2kJ/kg
    变工况的理想焓降
    Δht1=h01-ht1=92.6kJ/kg
    Δht1/Δht=0.629
    与理论计算基本一致，其理想焓降减少
    Δh=Δht-Δh=54.6kJ/kg
    理想情况下少发的功率
    ΔP=D0Δh=12718.6kW
    此时高压缸做功能力变化不大。
    2.1.2 优化改进
    显然三阀全开转换为四阀全开很不经济，为了提高4只调节阀都开启的经济性。我们提出了下面两种方案：
    ①前3只调节阀全开时，4号阀部分打开。此时存在节流损失，调节级后压力和温度会较四阀全开时有所改变。
    ②4只调节阀均部分开启，保持相同的开度，即单阀调节。由计算分析可知，每只阀打开75%～100%时总流量不会改变，在开75%时，每只阀均流满，此时节流损失最大，开100%时，无节流损失。
    当前3只调节阀全开时，4号阀部分开启时，4号阀的控制面积减小，存在着节流损失，调节级后压力和温度都会降低。焓熵图上表示为，一个等过s程和一个h不变过程的叠加，如图2所示。

图2 等熵节流示意图

♂ 
    为了便于分析，我们现举4号阀只开50%为例进行计算研究。此时，

    
    式中：D'3x表示4号阀只开50%时，流过原来3只阀门的流量；表示4号阀只开50%时，4只阀门的控制面积。
    不考虑节流损失时，由上面的弗留格尔公式可知调节级前压力为p'0=14.98MPA，t'0=537℃，
    考虑节流损失时，调节级后压力不再为p2=10.5MPA，t2=474℃，而降到P'2=10MPA，t'2=471℃。
    此时可以看作是由P'0，t'0到p2，t2的等s过程，加上p2，t2到p'2，t'2的h不变过程，如图2所示。
    查焓熵图得
    p'0=14.98MPA，t'0=537℃时，焓和熵分别为h'=3413.1kJ/kg，s'=6.48kJ/（kg·K）；
    p2=10.5MPA，t2=474℃时，焓和熵分别为ht1=3298.0kJ/kｇ，s2=6.48kJ/（kｇ·K）；
    p'2=10MPA，t'2=471℃时，焓和熵分别为h't1=3298.0kJ/kg，s'=6.50kJ/ （kｇ·K）。        
    此时调节级理想焓降为

    
    环境温度为27℃，做功能力的损失为

    
    此时高压缸进汽参数降低，高压缸做功能力减小。
    比较可知，前3只阀门全开，4号阀门部分开启，显然比四阀全开经济，但不如设计工况经济。
    前3阀由全开改变为部分开启，第4阀也部分开启，使之保持相同的开度。极限情况下假设，4只阀门均开75%，此时，每个阀在其开度下，都是满流量流过。
    不考虑节流损失时，调节级前压力和温度为

    
    考虑了节流损失后，调节级后压力和温度不再为p2=10.5MPA，t2=455℃，而变为p″2=9.0MPA，t″2=447℃。
    此时可以看成由p0=16.7MPA，t0=537℃到p2=10.5MPA，t2=455℃的等s过程和p2=10.5MPA，t2=455℃到p″2=9.0MPA，t″2=447℃的h不变过程的叠加，如图2所示。    
    查焓熵图得
    p0=16.7MPA，t0=537℃时，焓和熵分别为h0=3393.6kJ/kg，s0=6.41kJ/（kｇ·K）；
    p2=10.5MPA，t2=455℃时，焓和熵分别为ht=3246.4kJ/kｇ，s0=6.41kJ/（kｇ·K）；
    p″2=9.0MPA，t″2=447℃时，焓和熵分别为h″t=3246.4kJ/kｇ，s″=6.47kJ/（kｇ·K）。
    此时调节级理想焓降为
    Δh't=h0-h″t=147.2kJ/kｇ
    环境温度为27℃，做功能力损失为
    e'1=T（s″-s0）=18kJ/kｇ
    比较可知，4只阀门均开75%时，虽然不如设计工况经济，但比四阀全开和前3只阀门全开，4号阀只开一部分经济。进一步计算可知4只阀门保持相同的开度在75%～100%变动时，其经济性均比四阀全开时好。
    在此过程中，考虑此时泵的耗功：、
    PP=D（p0υ0-p1υ1）/ηP      （6）
    因为总流量没有改变、效率不变，而p0υ0、p1υ1也没有改变，所以泵的耗功几乎不变。
    2.2 调节阀由三阀全开改到两阀全开
    调节阀由三阀全开改到两阀全开，这时候流量会变小，减小为原来的2/3，再按弗留格尔公式计算比较发现，虽然总的流量变为原来的2/3，但流经前两阀的流量并没有改变，由弗留格尔公式可知，调节级前的压力也没有改变，调节级焓降Δht也不会改变，但是调节级少发的功率ΔP1=2DΔh/3=2ΔP/3，做功却变为原来的2/3，高压缸、中压缸、低压缸的做功都会减少，此时并不经济。
    3 结束语
    ①通过计算发现，调节阀并不是开得越多越好，最好按照汽轮机的设计工况运行。
    ②此机组三阀全开进行滑压运行的经济性最好，前三阀全开4号阀保持一定开度的经济性好于四阀全开滑压运行的经济性。四阀全开保持在相同开度的经济性与其开度有关。
    ③4号阀的控制面积越小时，由三阀全开换为四阀全开时，调节级前压力减小得越少，即调节级做功减少得越少，经济性越好。这对汽轮机调节阀的设计有一定指导意义，设计时4号阀控制面积不宜做得太大。