25 MW等級生物質發電汽輪機調節級閥點的選取優化

蘇忠強

(上海汽輪機廠有限公司，上海 200240)

生物質發電是可再生能源發電的重要組成部分，擴大生物質發電規模，可以加快電力低碳轉型步伐，也能為“碳中和”目標的實現做出積極貢獻。提高生物質發電汽輪機效率可有效提高生物質電廠的發電效率，降低生物質燃料的消耗，減少碳排放，并節約成本。而調節級作為汽輪機通流的重要組成部分，功率占比大，提高調節級效率能在很大程度上提高汽輪機的通流效率。

由于汽輪機配汽機構的變工況特性復雜,眾多行業專家對調節級已有多方面的研究。江浩等[1]以600 MW機組為例，分析了亞臨界機組和超臨界機組在不同調節閥配置下機組性能的變化，并說明了重疊度對2類機組性能的影響。藍吉兵等[2]采用全三維CFD方法，分析了不同葉型對調節級性能的影響。禹志根等[3]通過數值模擬分析了不同閥點下調節級過渡腔室對壓損的影響情況，得到閥點越小，壓損越大的結論。余建希等[4]以330 MW汽輪機為對象，驗證了用數學模型來分析推算調節閥后壓力和溫度的準確性和可靠性。陳文等[5]基于600 MW機組現場試驗數據和數值分析的結果，提出調節級壓比是判斷調節閥流量特性的重要參數。萬忠海等[6]以600 MW機組為例，提出一種基于調節閥固有特性函數和調節級通用特性函數的汽輪機配汽端仿真計算方法，以探究參數變化對調節閥流量特性的影響及其規律。周海飛等[7]利用數值計算，分析負荷變化對調節級內部流動特性和汽流激勵力特性的影響，指出負荷越小，損失系數越大，并且軸向汽流力和周向汽流力都呈現出逐漸增大的趨勢。付濤等[8]分析了超超臨界機組的配汽方式，提出針對機組調峰情況對配汽方式進行優化，可以實現更大的收益。

已有研究大多是針對調節級結構方面的改進和模擬分析，對于結合項目實際運行特點來優化調節級效率方面的研究成果較少。本文主要針對采用噴嘴調節的某25 MW生物質發電汽輪機，結合生物質機組運行特點，在最大通流能力一定的條件下討論調節閥與噴嘴布置優化的問題，并得出了該機組閥門重疊度對調節級性能的影響數值，旨在為選取合適的閥門重疊度、提升機組效率提供技術支持。

1 配汽方式與閥點優化說明

汽輪機調節級調節方式一般分為節流調節和噴嘴調節。節流調節指所有進入汽輪機的蒸汽都經過1個閥門或幾個同時啟閉的閥門后再進入汽輪機第1級。噴嘴調節的汽輪機調節級噴嘴分為若干組，每組噴嘴由1個調節閥控制，利用閥門開度來控制噴嘴流量，從而調整進汽流量，因此可以在部分負荷下合理開啟與關閉閥門，減少閥門的節流損失[9]。

因燃料季節變化，生物質電廠汽輪機運行的負荷變化范圍較大，一般在40%～100%額定負荷之間，這就使得汽輪機不得不進行深度變負荷運行。這對機組變工況性能提出了較高的要求。采用噴嘴調節，可以有效提高低負荷下汽輪機的效率。某25 MW生物質發電汽輪機調節閥配汽機構示意圖如圖1所示。

圖1 某25 MW生物質發電汽輪機配汽機構示意圖

該配汽機構采用3個閥門分別控制3組噴嘴，1、2、3閥按照閥門順序依次開啟。在配汽過程中，只有最后開啟的那組調節閥的汽流有可能受到明顯的節流。假設節流越嚴重，閥后的壓力就越低，流過該閥對應噴嘴組的流量也就越少。而流量越小，節流導致有效能的損失比例就不會很大，從而實現較高的經濟性。

由于機組負荷常常波動較大，因此汽輪機調節閥和調節級噴嘴的設計需要合理化，使調節方式更靈活，以提高調節級效率，并避免出現汽輪機瓦溫高或者軸振大等故障。要提高調節級的性能，不僅可以通過合理配置閥門噴嘴數，還可以采用噴嘴子午面端壁優化[10]、閥門開啟順序優化、葉片型線優化、出口流道優化等等措施，而本文討論的閥點優化主要是通過分配各閥控制的噴嘴數量和閥門的大小來匹配機組各運行工況，使機組各長期運行工況下的效率得到均衡，使機組長期處在高效率的運行狀態下。

一般來說，閥點優化前需要先進行調節級熱力設計。由于調節級級數少，因此效率低于壓力級，但調節級焓降大于壓力級。為了提高汽輪機效率，調節級焓降不應設計得過大。

閥點優化設計的目的是提高調節級的調節性能，降低閥門節流損失。優化措施是根據機組進口蒸汽的溫度和壓力、進口容積流量等參數，綜合考慮調節級進汽能力和機組性能，分配各閥控制的噴嘴面積，使得機組性能保證點的流量靠近閥點的流量，降低閥門節流損失。

2 閥門噴嘴配置方案選擇分析

以某25 MW生物質發電項目為例，機組進汽壓力為8.83 MPa，溫度為535 ℃，額定抽汽工況進汽量為139 t/h，純凝工況進汽量為97 t/h，閥門全開工況進汽量為158 t/h。由于該機組保證的長期運行工況為純凝工況和額定抽汽工況，因此，該25 MW生物質發電汽輪機調節級性能需要兼顧這2種工況。

針對機組上述情況，在總進汽能力不變的前提下，對比分析某25 MW生物質發電汽輪機調節閥和噴嘴配置的3種方案。閥門噴嘴配置方案如表1至表3所示。

表1 噴嘴閥門配置方案1

表2 噴嘴閥門配置方案2

表3 噴嘴閥門配置方案3

通過某25 MW生物質發電汽機調節級3組方案對比可知，在保證閥門通流能力一致的情況下，可以通過調整噴嘴數目來改變機組變工況下各閥的流量分配。進一步計算3組方案的調節級流量和效率差值關系曲線如圖2所示。

圖2 各方案調節級效率差值曲線對比

從各調節級效率差值曲線可以看出，閥門全開情況下，閥門壓損最小，調節級效率最高。隨著運行流量負荷的減小，閥門節流損失不斷增大，調節級動、靜葉的總壓損失也不斷增大，調節級效率呈現逐漸降低的趨勢。在閥點附近的調節級效率更高，為保證機組長期運行工況具有最佳效率，應將長期運行的各個工況設置在閥點附近。

某25 MW生物質發電汽輪機一年中主要運行工況為純凝工況和額定抽汽工況，因此，機組性能考核工況主要為純凝工況和額定抽汽工況。通過不同方案的曲線對比，將各個工況結果匯總，如表4所示。

表4 不同工況下相對方案1的調節級效率差值匯總

從表4數據可知，如果只考慮純凝工況，應該選擇方案2。如果只考慮額定抽汽工況，應該選擇方案3。但生物質發電汽輪機組與常規煤電機組不同，應結合實際運行情況考慮。生物質發電的燃料一般就地取材，燃料量隨季節變化，春、秋、冬季燃料量較多，夏季燃料量相對較少，燃料量少意味著鍋爐蒸汽蒸發量少，供熱量也少。因此，機組額定抽汽工況供熱運行的時間為3個季度，時間較長，純凝工況不供熱運行時間為1個季度，時間較短，應優先考慮額定抽汽工況性能。因此，某25 MW生物質發電汽輪機調節級的配置應選擇方案3。

3 閥門重疊度的影響

閥門重疊度指的是一個調節閥未全部開啟，下一個調節閥已經開啟之間的閥門升程差。因此，重疊度一般在閥點附近。設置一定的重疊度可以改善機組調節閥的總流量特性，使控制調節過程更加柔性，避免閥門誤動作。這里主要以某25 MW生物質汽輪機調節級為例，選取3組不同重疊度的方案，對比其重疊度與效率的關系。為了方便對比，通過改變3個調節閥的開啟點，生成3組不同閥門升程重疊度的方案進行計算，具體如表5所示。

表5 3種不同閥門升程重疊度方案

再根據某25 MW生物質汽輪機機組的邊界參數計算得到3種不同閥門升程重疊度方案下的流量升程曲線，如圖3所示。

圖3 不同閥門重疊度方案的流量升程曲線

從圖3中可以看出，重疊度越大，即后續調節閥越提前開啟，開啟點的調節級總流量就越小。為了保證長期運行點的調節級效率，就需要結合生物質發電機組的特點，合理布置閥門重疊度，減少閥門損失。根據3種不同重疊度方案分別計算某25 MW生物質發電機組長期運行工況的調節級效率，得到相對重疊度方案1的調節級效率差值結果，如表6所示。

表6 不同工況下各重疊度方案的調節級效率差值

從表6中可以看出，考慮生物質項目只有夏季不供熱(即純凝工況)，其他季節均需供熱(即額定抽汽工況)，應該選擇重疊度方案1，但重疊度方案1的純凝工況效率很差。因此，綜合考慮2個工況，此項目應該選擇重疊度方案3，使汽輪機調節級效率長期處在較好的水平?？梢缘贸鼋Y論，重疊度并非越大越好或者越小越好，而是應該結合實際情況進行合理配置。

4 結 論

本文以某25 MW生物質發電汽輪機為研究對象，以調節級效率為優化目標，分析了調節閥的噴嘴配置和閥門重疊度對調節級效率的影響，認為提升調節級實際運行效率應結合機組實際運行的情況，選擇合適的噴嘴閥門配置和閥門重疊度。通過對比并分析某25 MW生物質發電汽輪機多個閥門噴嘴配置方案和閥門重疊度，得出以下主要結論：

1)調節級在閥門全開時，節流損失最小，效率最高，在各閥點的效率高于偏離閥點的效率。在閥門全開、進汽流量不變的情況下，采用不同的閥門噴嘴配置方案，會導致調節級效率變化。合理的閥門噴嘴面積比，可以有效提高整個調節級的效率。

2)生物質發電汽輪機運行條件獨特，在保證最大進汽能力的前提下，需要結合生物質燃料的實際情況，考慮閥門噴嘴的配置，從而實現最佳的變工況運行性能。

3)閥門重疊度應結合實際運行區域合理設置，閥門開啟不應過早，也不能滯后太多。同時還要注意，若只考慮效率，把調節級進汽流量設計在閥點，可能會導致閥門左右動作。通過設置合適的閥門重疊度，既可以保證調節級的效率，又可以使調節級流量略偏離閥點，這樣也有利于改善實際運行時的閥門控制策略，進一步提升汽輪機效率。