背壓機部分負荷時不同運行方式的經濟性分析

魏 志

(上海汽輪機廠有限公司，上海 200240)

熱電聯產機組充分發揮能源梯級利用的原理，兼顧供電和發熱，能夠節約能源，改善環境，是公認的能夠提高能源利用效率、保護環境的重要手段。背壓式汽輪機既能夠滿足發電要求，又能夠對廠區或其他園區進行供汽或供熱。隨著化工、造紙等行業的發展及城市供暖需求的增加，背壓式汽輪機現已成為工業園區內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。當熱負荷小于機組額定供熱量時，背壓機處于部分負荷工況，機組的各參數會偏離設計值，這會影響機組的效率，造成機組經濟性降低。隨著負荷的進一步降低，經濟性會出現較大幅度的下降。因此分析不同運行方式下部分負荷的性能是至關重要的。本文將比較和研究有調節級背壓機和無調節級背壓機在不同運行方式下部分負荷的經濟性，目的是通過調整運行方式，盡可能降低部分負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，進而在實際運行中給出合理建議。

1 運行方式介紹

在部分負荷工況下，汽輪機的運行方式有定參數運行和滑參數運行[1]，對應節流配汽(節流調節)和噴嘴配汽(噴嘴調節)2種配汽方式。

采用節流調節的汽輪機，汽輪機的多個調節閥同步動作，進入汽輪機的蒸汽受到調節閥的節流作用，壓力降低。噴嘴調節通過多個調節閥(帶有部分重疊度)依次開啟或關閉來改變進汽度，背壓機的調節閥數量通常是2個或4個，任何負荷下都有1個調節閥處于部分開啟狀態，存在節流損失[2]。

1.1 定參數運行方式

定參數運行，也稱為定壓運行，是指汽輪機進口蒸汽參數保持不變，即主蒸汽壓力保持額定壓力，通過汽輪機進口蒸汽流量的增減來實現負荷的升降。配汽方式可選擇節流配汽或噴嘴配汽。

1.2 滑參數運行方式

滑參數運行，也稱為滑壓運行，是指通過汽輪機進口蒸汽參數的改變來實現負荷的變化。運行時，各調節閥保持開度不變，蒸汽參數的變化由鍋爐和整個熱力系統根據負荷要求協調控制，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。其調節閥全開，依據鍋爐出口蒸汽壓力調節負荷。由于鍋爐的運行調節存在熱慣性，因此負荷調節存在滯后現象。

調門全開時無節流損失，因此該運行方式適用于無調節級機組，這樣可以避免由調節級帶來的振動和強度問題，簡化了汽輪機的設計和制造[2]。文獻[3]中對全開所有調節閥和全開部分調節閥2種滑壓運行方式進行了比較，認為研究滑壓運行方式的經濟性需要對具體機組進行分析。本文中論述的全滑壓方式指全開所有調節閥的情況。

2)節流滑壓運行方式。該方式適用于無調節級機組，汽輪機全周進汽，運行中把調節閥預先關小到一定開度后進行滑壓運行，調節閥隨著負荷的升降而調整開度，因此存在節流損失，但無調節滯后現象。

3)復合滑壓運行方式。該方式為滑壓和定壓相結合的運行方式，采用噴嘴配汽，在高負荷下進行定壓運行，在較低負荷下進行滑壓運行，在更低負荷下進行定壓運行，簡稱“定-滑-定”方式。該方式廣泛應用于300 MW以上的機組中。

2 不同運行方式對機組性能的影響

背壓機在部分負荷工況下采用不同的運行方式，不僅會導致汽輪機通流內部各級蒸汽參數不同，而且如有回熱抽汽，還會導致各抽汽參數的不同，并且會引起輔機系統，例如給水泵、軸封冷卻器的運行工況不同。相應地，背壓機的進汽節流損失、相對內效率、汽耗、水泵耗功等也會不同，從而對機組性能指標和熱經濟性產生不同影響。

在有穩定熱負荷的情況下，背壓機采用取消調節級、全周進汽的方案，汽輪機受熱均勻，可以減小熱變形及熱應力，而且全周進汽使蒸汽對轉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荷變化的適應性[1]。以下分析將針對有調節級和無調節級的2種背壓機分別進行比較。假設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，無回熱系統。

2.1 對進汽節流損失的影響

對于有調節級的背壓機，選擇的運行方式有定壓噴嘴運行調節、定壓單閥節流運行調節和全滑壓運行調節。有調節級機組的相對負荷與節流損失關系曲線如圖1所示。

圖1 相對負荷與節流損失關系曲線(有調節級)

由圖1可知：

1)全滑壓運行時調節閥全開，節流損失為零，在20%～100%負荷范圍內，定壓單閥節流運行的節流損失均處于最高水平，定壓噴嘴運行次之；

2)定壓運行時隨著負荷降低，節流損失基本呈線性增長。

對于無調節級的背壓機，可選擇的運行方式有定壓節流運行調節和全滑壓運行調節。其相對負荷與節流損失關系曲線如圖2所示。由圖2可知，節流損失規律同上。

圖2 相對負荷與節流損失關系曲線(無調節級)

調節級效率曲線如圖3所示。在部分負荷工況下，調節級效率明顯下降。調節閥全開時，節流損失最小，調節級效率最高。

圖3 調節級效率曲線

2.2 對排汽溫度的影響

機組實際運行時負荷不能過低，否則會使排汽流量過小，導致汽輪機出現鼓風發熱和排汽溫度偏高的現象，這會使隔板、轉子、汽缸等產生較大的熱應力，影響汽輪機安全運行。有調節級和無調節級機組的相對負荷與排汽溫度關系曲線如圖4、圖5所示。

圖4 相對負荷與排汽溫度關系曲線(有調節級)

圖5 相對負荷與排汽溫度關系曲線(無調節級)

由圖4和圖5可知：

1)對于有調節級的背壓機，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，且在設計過程需設計更多的溫度余量。

2)對于無調節級背壓機，2種運行方式的溫差相對較小，其他規律同上。

2.3 對相對內效率的影響

有調節級和無調節級機組的相對負荷與相對內效率關系曲線如圖6、圖7所示。

圖6 相對負荷與相對內效率關系曲線(有調節級)

圖7 相對負荷與相對內效率關系曲線(無調節級)

由圖6和圖7可知：

1)對于有調節級的背壓機，滑壓運行時相對內效率高于定壓運行，原因在于滑壓運行時在50%～100%負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了明顯的降低。

2)采用定壓噴嘴方式，隨著負荷的變化，調節閥的開啟數量同步變化，負荷越低，開啟數量越少，部分進汽損失越大，效率低于滑壓運行方式。

3)定壓單閥節流方式下，由于節流損失較大，部分負荷下效率也低于滑壓運行方式。在20%～100%負荷變化范圍內，定壓噴嘴方式下的效率一直高于定壓單閥節流方式。

4)對于無調節級背壓機，規律同上。

2.4 對汽耗的影響

對于背壓機，常用的考核經濟性的評價指標是汽耗，圖8和圖9為不同配汽方式下不同負荷與汽耗的關系曲線。

圖8 相對負荷與汽耗關系曲線(有調節級)

圖9 相對負荷與汽耗關系曲線(無調節級)

由圖8和9可知：

1)對于有調節級的背壓機，定壓噴嘴運行調節下的汽耗值明顯低于其他2種方式，隨著負荷的降低，優勢更明顯。

2)對于有調節級和無調節級的機組，定壓節流運行調節和全滑壓運行下的汽耗指標相差不大，全滑壓運行雖然有節流損失小和相對內效率較高2個優點，但是由于機組的理想比焓降較低，在出力相同的情況下，需要的進汽流量更多，因此汽耗較高。

3 不同運行方式對其他參數的影響

3.1 對給水泵耗功的影響

滑壓運行時，隨著負荷降低，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，隨著負荷降低，當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勢，因此這種機組通常采用先定壓后滑壓的運行方式[4]。

3.2 對主蒸汽溫度的影響

對于定壓運行的鍋爐,當負荷降低，蒸汽流量減少，受限于鍋爐燃燒情況及結構，大多數定壓運行鍋爐出口蒸汽溫度較難穩定維持在額定參數，隨著負荷降低到一定值，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。

3.3 對調節級后溫度的影響

針對有調節級的背壓機，從機組安全運行角度出發，定壓運行時由于調節級后溫度會隨著負荷的降低而出現大幅度降低，因此，在運行過程中需要限制變負荷率，以避免負荷變化過于劇烈導致產生較大的熱應力和熱變形[5]。

滑壓運行時調節級級后溫度隨著負荷的降低而略有增加，這對機組安全運行更有利。在整個調節過程中，由于噴嘴的全周進汽，節流調節方式有利于降低調節級葉片的載荷，也有利于啟動時對汽輪機的均勻加熱。

3.4 對調節閥的影響

在定壓運行方式下，隨著負荷越來越低，進口容積流量也會越來越小，此時就可能需要將較大的調節閥調整到非常小的開度，出現“大閥門小開度”和“控不住、控不穩”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，并需要綜合考慮調節閥的口徑和數量。

噴嘴調節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。部分進汽方式改變了軸承受力的方向及軸承的承載負荷，易使軸系失穩，引起軸承溫度升高或振動加大。

4 結 論

本文通過對有調節級和無調節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，重點分析了其對進汽節流損失、排汽溫度、相對內效率和汽耗的影響，得到如下結論：

1)汽輪機在部分負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濟性。

2)從汽耗角度，對于有調節級背壓機，優選運行方式為定壓噴嘴運行方式；針對無調節級背壓機，在較高的負荷工況下，機組采用定壓節流和滑壓運行2種方式，汽耗相差不大，均可采用。

3)在背壓機實際運行中，針對現場運行的不同要求，在部分負荷時是否有必要切換其他運行方式，即采用復合滑壓運行方式，需綜合考慮機組的結構形式、鍋爐的結構形式、輔機配置和主蒸汽參數等因素，結合變工況理論和現場性能試驗結果來決定，由此得出經濟性更高的運行方式和合理的切換建議。