补汽调节阀技术在百万千瓦全周进汽汽轮机中的应用

      0 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*先进的、可用的一系列技术，使机组的整体性能达到了世界**水平。本文介绍的“补汽调节阀技术”就是为提高经济性、**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，**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**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**状态，彻底解决了高压**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。*为经济的运行模式为“*小部分进汽度下的滑压运行”。对这种结构，**级（调节级）叶片在低负荷、*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**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*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*小的结构形式，如整体三联体自带围带、双层围带等。在**性设计中，除了校核*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**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*高，应力*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**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**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**级叶片的焓降仅为喷嘴调节部分进汽滑压的1/5，*大载荷仅1/4左右，彻底解决了**级叶片的**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*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，*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，*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*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*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*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。

      采用补汽调节阀有两个目的：**是使滑压运行机组在额定流量下，进汽压力达到额定值；**是使机组实际运行时，不必通过主调门的节流就具备调频功能，可避免节流损失，而且调频反应速度快，可减少锅炉的压力波动。

      西门子单流高压缸原配有两个主汽门和两个调节阀。在每个主汽门后、调门前引出一个管道，接入一个或两个外置的补汽调节阀，该阀门结构类同于主调门，是一个单座阀，位于高压缸下部或上下部。阀门也由电液控制系统控制开度，由弹簧**关闭。蒸汽从阀门引出后进入中间级后。

      与该补汽阀相关的高压缸结构为：在高压外缸与内缸之间有一个封闭腔室，该腔室通过高压内缸上的径向孔与高压通流部分相连，具体接在那**后要从经济性、温度场热应力、补汽对主调门通流能力的影响等几方面来确定。例如对玉环机组，将与第5级动叶出口相通。根据等焓节流原理，主汽门后的蒸汽进入第5级处，温度将降低约30度，使得补汽阀的蒸汽与主流蒸汽的温差明显缩小。按常规的温度场及热应力计算分析表明，当温度场的温差在70度以内，可以不计热应力对寿命的影响。由于补汽阀在关闭时始终保持微量的泄漏，加上该汽流与主汽流来源相同，因此补汽与主汽的温差在所有工况下基本是稳定的，即使工况变化，汽缸也不存在附加的热应力。

      5 补汽阀流量特性

      如上所述，只有在机组*大流量比额定工况流量大得多的情况下，才有必要配置补汽阀。具体补汽阀流量特性的设计将涉及下列几个方面：

      （1）首先要确定补汽阀开启点，即主调门阀门全开，达到额定进汽压力的流量。补汽阀的功能决定了该主调门流量值应等于热耗保证工况的流量。大于该流量，才打开补汽阀供汽。如主调门的*大流量设置过大，补汽阀开启点移后，则在热耗保证工况下，机组的进汽压力仍没滑到额定压力，蒸汽压力的潜力尚没用足。反之如主调门的*大流量设计过小，则在热耗保证工况，补汽阀已开始进汽，则由于补汽要损失5级的做功能力，也要降低保证工况的经济性。分析计算表明：补汽阀开启点由THA点推迟到TMCR，即主调门的*大设计流量增加7%左右，则THA的保证热耗因此时进汽压力没达到额定值，要升高约20kJ/kW•h；若补汽阀提前开，即主调门*大设计流量减少7%左右，则THA的保证热耗因存在补汽，将会升高约50kJ/kW•h。

      （2）补汽阀流量特性设计。在主调门达到*大流量（通常即热耗保证工况）后，补汽阀开启，高压缸补汽点的流量开始增加，由于该处压力随补汽流量增加而增加，因此同时使主调门的通流能力下降；补汽量越大，主调门的流量减少越多，在设计时需联合求解两个阀的流量特性。此外，与流量相应的推力特性也将变化，需在设计时综合考虑。

      （3）补汽阀流量特性控制。补汽阀在整个系统中相当于第三个调节阀，其油动机控制方式、在线试验功能、所有的保护设置均与主调门一样。该阀门的升程关系见下图。

      6 全周进汽滑压+补汽调节的**组合

      正如上所述，对我国目前按大余量原则设计的机组，补汽阀是使机组性能达到**的一项技术。

      （1）以额定工况进汽压力达到额定值的原则进行匹配。按*大流量余量不同，采用补汽阀的热耗得益也将不同：下图为按IEC规定，额定流量为*大流量的95%时，补汽阀的得益使额定负荷的热耗降低20kJ/kW•h。当额定流量与*大流量比例为88%时，取决于补气量的大小，采用补汽方式可使额定负荷的热耗降低约36~45kJ/kW•h。

      （2）采用补汽阀，机组不须节流就具备了调频能力，与不采用补汽阀相比，避免了12~20kJ/kW•h的节流损失，且其反应速度快（在3秒以内），具备足够的能量贮备，在迅速增加负荷时，蒸汽压力变化量小（不到1%），表明补汽阀具有非常好的调频性能。为提高大电网的稳定性及调频能力，欧盟电网将补汽阀作为今后推荐采用的技术之一 ^[1]。

      （3）由上图曲线可见，由于补汽的汽源来源于主蒸汽，进入高压中间级将产生附加节流损失，使补汽阀开启后工况的经济性降低，以玉环1000MW机组为例，在额定保证热耗及相应低负荷热耗降低的同时，*大“VWO”工况的热耗却增加约45kJ/kW•h。如补汽量越大，热耗增加量更大。考虑到按大余量匹配规则，即使保证夏季发铭牌出力，一般也不可能在VWO流量下运行，与大幅提高实际运行工况经济性的得益相比，补汽阀在这种工况下的热耗增加还是值得的。

      7 结论

      （1）全周进汽因不存在喷嘴配汽方式下的高温叶片强度超极限、汽隙激振问题，因此在百万千瓦及超超临界参数条件下是*合适、*为**可靠的配汽方式。

      （2）按德国和IEC规范，汽轮机额定流量接近*大流量，即流量余量不超过5%，这种匹配原则，全周进汽的滑压运行额定负荷下的进汽压力与额定压力相差不大，因此是*为经济的配置方式。但是当电网要求这种机组具备快速调频能力时，以往多采用5%节流运行模式，势必造成机组的热耗增加。此时如采用补汽阀调频，在保证具有同样快速稳定调频能力的条件下，可避免节流调频的损失。

      （3）中国电厂采取额定流量比*大流量小12%的匹配原则，额定工况滑压运行时的进汽压力将远低于额定压力，也将影响机组的热耗。此时如采用补汽阀技术不仅成功解决了全周进汽机组快速调频的压力损失问题，还可解决滑压运行额定工况进汽压力偏低的问题。在高效、减少燃料排放成为电厂运行关键性指标的今天，补汽阀技术因其提高可靠性、经济性和运行灵活性的优点，将在大功率机组超超临界汽轮机中推广应用。

      参考文献：

      ［1］RudolfKral,BertRukes,Oldrich Zaviska.Reserves for Top-Quality Power［J］.Siemens Power Journal,4/98.
      [2］Heinrich Oeynhausen.Armin Drosdziok.Mathias Deckers.Steam Turbine for the New Generation of Powet PlantsJ］. VGB Kraftwerkstechnik,1996,76（12）.
      ［3］Overload Valve Designand Operational Characteristics［Z］.Siemens Power Generation,4/2004.