补汽调节阀技术

补汽调节阀技术在百万千瓦全周进汽汽轮机中的应用

标题：补汽调节阀技术在百万千瓦全周进汽汽轮机中的应用

作者：彭泽瑛顾德明

来源：互联网

引言

环保经济高速发展，一次能源的资源状况使清洁煤发电成为当今世界能源技术发展的主要方向。绿色环保政策的实施，要求在评价经济性时引入环保经济效益的新概念使提高发电效率成为燃煤发电技术发展的首要目标。将单机容量提高到百万千瓦等级，采用超超临界参数是其中两项主要措施。

我国华能玉环4×1000MW超超临界机组集中应用了当今世界最先进的、可用的一系列技术，使机组的整体性能达到了世界顶尖水平。本文介绍的“补汽调节阀技术”就是为提高经济性、安全可靠性、运行灵活性，在百万千瓦超超临界高压缸中所采用的一项先进技术。

1 喷嘴调节级设计的明显不足

长期以来，对功率为600MW~700MW等级的亚临界或超临界参数汽轮机，其高压进汽端的设计有两种风格：喷嘴不分组段的全周进汽形式及喷嘴分组的非全周进汽形式。

对全周进汽的结构形式，机组无调节级，第一级叶片与其它级一样，其进汽压力及焓降均与流量成正比。机组运行模式为“定-滑压”的单阀控制模式，只能通过节流或滑压降低进汽压力的方式调节汽轮机的进汽量及功率。这种设计的高压第一级叶片不存在部分进汽引起的冲击载荷，叶片应力与机组负荷同步变化，使该级叶片在任何工况均处在温度虽然高，但应力水平却较低的安全状态，彻底解决了高压第一级叶片的强度问题。

对喷嘴分组的非全周进汽形式，机组有调节级，可通过改变部分进汽度的大小影响机组的流量和级的进汽压力、焓降。最为经济的运行模式为“最小部分进汽度下的滑压运行”。对这种结构，第一级（调节级）叶片在低负荷、最小部分进汽时应力远大于额定负荷工况，加上部分进汽的冲击载荷等因素，使该级叶片的动强度设计成为整个机组安全性关键环节之一。通常的设计措施是：

（1）受蒸汽流量及压差载荷的限制，随着机组单机容量的增大，允许的最小部分进汽度逐步增加，由25%、33%提高到50%。

（2）为尽量减少对动叶片的激振力，喷嘴弧段由整圈8组、6组减少到目前的180度弧段的半圈形式，总的部分进汽度也提高到98%以上。

（3）采取具有更好抗振性能、应力集中最小的结构形式，如整体三联体自带围带、双层围带等。在安全性设计中，除了校核最大应力的低负荷工况外，还应对冲击载荷、喷嘴的尾迹激振动应力进行考核。

（4）采用多喷嘴数的小栅距叶栅，甚至以型线损失系数增加2%~3%的代价减少动叶片的振动应力。

（5）受强度的限制，对亚临界或压力为24.2MPa、566℃温度的超临界机组，单流调节级限制用于小于700MW等级的机组。

对于百万千瓦、更高的超超临界参数（26.25MPa到30MPa压力，600℃到620℃温度）机组，高压端叶片级的工作条件更加苛刻，喷嘴调节级的结构形式显示出明显的不足。

●蒸汽的流量及压力载荷远远超过以往的强度极限工况，为保证安全性，不得不采取双流调节级。双流和超临界压力两个因素的迭加使高压叶片级的端损大幅增加，效率明显下降。同时，基于喷嘴调节的机理，即使采用了双流程，调节级叶片仍然处在工作温度最高，应力最大的强度极限条件下。

●喷嘴分组及部分进汽在超超临界参数下将更容易形成汽隙激振源，不利于机组部分负荷下的安全运行。

●超临界参数下热力循环滑压运行效率已高于定压喷嘴调节，采用喷嘴调节效率高的优势已不明显。

综上所述，百万千瓦超超临界机组“滑压-喷嘴调节”的设计模式在保证安全可靠性、各种工况的经济性、运行灵活性方面已明显不及全周进汽。

2 全周进汽模式的优势

在百万千瓦超超临界汽轮机中，全周进汽模式具有的技术优势在于：

（1）由于无强度不足的限制，因此即使功率增加到百万千瓦等级，仍可采用单流程叶片级，与双流程相比，额定工况高压缸效率至少约高3%。

（2）全周进汽无任何附加汽隙激振，提高了机组的轴系稳定性。

（3）高压第一级叶片的焓降仅为喷嘴调节部分进汽滑压的1/5，最大载荷仅1/4左右，彻底解决了第一级叶片的安全性问题。高压缸叶片不再约束机组参数的提高和功率的增大。现有高压缸设计压力达到30MPa，单流功率为1200MW等级。

（4）对超临界参数热力循环，部分负荷经济性高，例如，对50%负荷，滑压运行的热耗比额定工况提高4.6%，反动式变压-喷嘴调节的热耗增加5.9%，冲动式变压-喷嘴调节则增加7%。

3 提高全周进汽滑压运行的经济性

对百万千瓦超超临界汽轮机全周进汽结构，无论是额定工况还是低负荷工况，其经济性均已明显高于“滑压-喷嘴调节”模式。但尚有两方面潜力可利用。

（1）全周进汽时，汽轮机的进汽压力与流量成正比，即机组仅在最大流量（通常称VWO）工况运行时，进汽压力才达到额定值。从热力循环和发挥整个电厂设备的潜力角度，全周进汽的滑压运行模式并没有用足蒸汽压力的能力。这种能力的丧失随机组设计流量余量的增加而增加。下表为不同流量配置规范的数据对比。

表1全周进汽滑压运行时的进汽压力

#1和#2是国内目前采用过的两种容量配置规则。按#1规则，夏季工况按实际运行33度冷却水温下的背压8.6kPa，2%补水率定义，最大流量留有3%的余量配置。按#2规则，夏季定义为11.8kPa背压，3%补水率，最大流量留有5%的余量配置。

从上表可见，如按某些德国电厂的容量规则，额定流量基本等于最大流量，即阀门全开的功率基本就是铭牌出力。在夏季高背压或机组出现老化时，可充分利用IEC规程要求年平均压力不超过额定值的规定，通过短期的超压增加流量。显然这种配置充分、合理利用了蒸汽压力的潜力，且获得了较高的经济效益。但目前国内情况有很大的不同，即机组容量余量较大，特别按上述#2的规范配置时，如采用全周进汽滑压模式，额定工况（THA）的进汽压力仅为额定值的88%，因压力的不到位，使热耗损失约45kJ/kW•h。

（2）要使机组具有调频功能，全周进汽必须采取节流的方式，这势必又引起运行经济性的下降，例如5%的全周节流将使热耗增加12~20kJ/kW•h左右。

针对国内的匹配规范，为了在额定流量与最大流量相差很大情况下发挥机组的经济性潜力，并使机组具有很好的调频能力，西门子采用一项补汽调节阀的配置技术。该项技术与全周进汽配套使机组提高进汽压力的同时又可改进机组的快速调频功能。山西阳城电厂

6×350MW机组是国内已有的应用实例。玉环4×1000MW机组也采用该项补汽阀技术。

4 补汽调节阀结构及工作原理

西门子1000MW单流高压缸为标准的圆筒型外缸结构，针对不同的温度参数，该积木块有多种可选择的结构形式：采用附加外置补汽调节阀或不采用是可进行选配的形式之一。正如如上所述，在机组配套的最大流量比额定工况流量大很多的情况下，有必要采用补汽阀技术。