背壓汽輪機(jī)變工況優(yōu)化運(yùn)行研究

陶毅平 任 健

上海石油化工股份有限公司腈綸部

節(jié)能是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針，也是當(dāng)前一項(xiàng)極為緊迫的任務(wù)。作為提高資源利用率的項(xiàng)目之一，公司現(xiàn)有的蒸汽鍋爐由燃油改為燃煤。在該鍋爐油改煤的過(guò)程中，腈綸部成為了蒸汽管網(wǎng)的末端用戶(hù)，供汽管線長(zhǎng)、進(jìn)汽參數(shù)降低且波動(dòng)，導(dǎo)致腈綸部背壓汽輪發(fā)電機(jī)組的進(jìn)汽參數(shù)下降，排汽減溫器關(guān)閉，排汽參數(shù)處于工藝需求的下限，有時(shí)可能會(huì)低于工藝要求水平，造成工藝裝置控制波動(dòng)。

為了保證工藝過(guò)程的需求，確保蒸汽溫度穩(wěn)定在一定區(qū)間。如停用背壓汽輪機(jī)，需增加蒸汽耗用，由此將引起能耗上升，不利于節(jié)能增效。為了合理利用現(xiàn)有的設(shè)備資源和蒸汽的差壓資源，需研究在進(jìn)汽參數(shù)降低的情況下背壓汽輪機(jī)的優(yōu)化運(yùn)行，確保在工藝用汽的同時(shí)使發(fā)電功率達(dá)到最大，以提高能量利用率和設(shè)備利用率。

1 汽輪機(jī)發(fā)電原理及研究機(jī)理

1.1 汽輪發(fā)電機(jī)的基本工作原理[1]

汽輪機(jī)的工作過(guò)程是能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程，在工作時(shí)，蒸汽焓值下降，蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子的機(jī)械能。具體的工作過(guò)程為：蒸汽在具有特殊形狀的通道噴嘴中發(fā)生膨脹，蒸汽的壓力下降，速度增加，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。蒸汽經(jīng)加速后，從噴嘴出來(lái)噴射到動(dòng)葉片上，汽流在動(dòng)葉片上改變方向，因此對(duì)動(dòng)葉片產(chǎn)生作用力，形成旋轉(zhuǎn)力矩，使汽輪機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，并將蒸汽部分的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子的機(jī)械能。汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)聯(lián)軸器相連，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子以一定速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子也同步轉(zhuǎn)動(dòng)，由于電磁感應(yīng)的作用，發(fā)電機(jī)靜子線圈中產(chǎn)生的電流，通過(guò)變電配電設(shè)備向用戶(hù)供電。如圖1所示。

圖1 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

腈綸部所用的四臺(tái)汽輪機(jī)B1．5—1．27/0．58均為背壓式汽輪機(jī)，額定功率為1．5MV，初壓1．27MPa，背壓0．58MPa。主要功能是將全部排汽供給其它生產(chǎn)裝置使用，不設(shè)凝汽器，使蒸汽的熱量全部得到使用。優(yōu)點(diǎn)是蒸汽熱量能全部得到利用，節(jié)省設(shè)備、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；缺點(diǎn)是進(jìn)汽量受到用戶(hù)用汽量的限制。

1.2 ASPEN PLUS軟件模擬研究機(jī)理

在對(duì)汽輪機(jī)的研究[2]過(guò)程中，蒸汽熱力參數(shù)的計(jì)算以及汽輪機(jī)中的熱力過(guò)程均是采用ASPEN PLUS軟件進(jìn)行計(jì)算和模擬的。

單元操作模塊選擇：壓力變換模型類(lèi)→汽輪機(jī)。

模塊類(lèi)型選擇：等熵膨脹過(guò)程。

物性計(jì)算方法選擇：蒸汽（STEAM-A）。

圖2 ASPEN PLUS軟件模擬示意圖

2 汽輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)之間的特性關(guān)系研究

2.1 排汽溫度一定時(shí)進(jìn)汽溫度與背壓的特性關(guān)系

為了保證汽輪機(jī)的排汽溫度滿(mǎn)足工藝需求，需要時(shí)可以通過(guò)提高汽輪機(jī)的背壓來(lái)提高汽輪機(jī)的排汽溫度。這就需要確定當(dāng)排汽溫度一定時(shí)進(jìn)汽參數(shù)與背壓的特性關(guān)系。從汽輪機(jī)出口到用汽設(shè)備的溫度降為10℃左右，用汽設(shè)備許可的最低溫度為180℃，因此，研究當(dāng)排汽溫度為190℃時(shí)，不同進(jìn)汽壓力下進(jìn)汽溫度與背壓的特性關(guān)系。見(jiàn)圖3。

圖3 排汽溫度為190℃時(shí)進(jìn)汽溫度與背壓的特性關(guān)系

由圖3可以看出，進(jìn)汽溫度和進(jìn)汽壓力比較低時(shí)，即在點(diǎn)劃線以上部分，需要調(diào)高背壓，最大背壓調(diào)高到0．51 MPa。當(dāng)進(jìn)汽溫度高于271℃時(shí)，不需要調(diào)高背壓，即大部分運(yùn)行工況不需要調(diào)高背壓。

2.2 排汽溫度一定時(shí)進(jìn)汽壓力與背壓的特性關(guān)系

考慮到前方供汽壓力波動(dòng)，為確保生產(chǎn)工藝正常用汽及汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行，同時(shí)考慮排汽溫度一定時(shí)進(jìn)汽壓力與背壓的特性關(guān)系。排汽溫度為190℃時(shí)進(jìn)汽壓力與背壓的特性關(guān)系，見(jiàn)圖4。由圖4可以看出當(dāng)進(jìn)汽壓力比較低時(shí)，需要調(diào)整背壓確保汽輪機(jī)運(yùn)行，才能確保供汽滿(mǎn)足工藝要求。

圖4 排汽溫度為190℃時(shí)進(jìn)汽壓力與背壓的特性關(guān)系

2.3 排汽溫度一定時(shí)進(jìn)汽參數(shù)與發(fā)電功率的特性關(guān)系

為了使汽輪機(jī)在保證工藝用汽參數(shù)的條件下盡量發(fā)出較多的電，需要確定當(dāng)排汽溫度一定時(shí)進(jìn)汽參數(shù)與發(fā)電功率的特性關(guān)系。見(jiàn)圖5、圖6；

圖5 排汽溫度為190℃時(shí)進(jìn)汽溫度與發(fā)電功率的關(guān)系

表6 排汽溫度為190℃時(shí)進(jìn)汽壓力與發(fā)電功率的關(guān)系

由圖5、圖6可以看出，汽輪機(jī)發(fā)電功率受進(jìn)汽參數(shù)影響比較大，特別是進(jìn)汽溫度的影響。

表1 同等負(fù)荷下發(fā)電量比較

2.4 同等負(fù)荷下發(fā)電量比較

在蒸汽流量基本一致的情況下，每噸蒸汽單位發(fā)電量受進(jìn)汽溫度、進(jìn)汽壓力的影響情況如表1。由表中數(shù)據(jù)可以看出，進(jìn)汽壓力、溫度參數(shù)變化時(shí)若不及時(shí)優(yōu)化調(diào)整背壓，發(fā)電效率下降，噸蒸汽發(fā)電量明顯減少，若以噸蒸汽發(fā)電量至少下降3kW計(jì)算，則每月減少發(fā)電量：

3kW＊131t/h ＊24小時(shí)＊30天/月=28萬(wàn)kW/月。

3 變工況運(yùn)行方式的控制方案[5]

對(duì)于采用全液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的汽輪機(jī)[4]來(lái)說(shuō)，要滿(mǎn)足運(yùn)行的要求，可以通過(guò)調(diào)整汽輪機(jī)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定壓力，提高機(jī)組的運(yùn)行背壓來(lái)改變機(jī)組的排汽壓力和溫度。經(jīng)以上研究，最終確定調(diào)整背壓的控制方案如下：

表2 調(diào)壓控制方案

為了保證工藝過(guò)程對(duì)蒸汽溫度的需求，同時(shí)又使背壓汽輪機(jī)能夠盡量多發(fā)電，背壓汽輪機(jī)最佳運(yùn)行方式為：當(dāng)進(jìn)汽參數(shù)較差時(shí)，特別當(dāng)進(jìn)汽溫度低于271℃時(shí)，汽輪機(jī)應(yīng)在較高背壓下運(yùn)行，以保證工藝過(guò)程對(duì)蒸汽溫度的需求；當(dāng)進(jìn)汽參數(shù)在271～280℃之間時(shí)，汽輪機(jī)可在0．42MPa運(yùn)行。當(dāng)進(jìn)汽參數(shù)大于280℃時(shí)，可考慮降低背壓以多發(fā)電。但由于工藝過(guò)程對(duì)蒸汽溫度的需求不僅對(duì)蒸汽進(jìn)工藝裝置初溫的要求，更重要的還需對(duì)蒸汽飽和溫度的要求。因此，背壓的降低不能僅考慮排汽溫度。通過(guò)對(duì)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)觀察，可以看到當(dāng)背壓在0．40MPa(表壓)下運(yùn)行時(shí)，滿(mǎn)足了工藝需求。因此，當(dāng)進(jìn)汽參數(shù)大于280℃時(shí)，汽輪機(jī)背壓可降低到0．40MPa(表壓)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ASPEN PLUS模擬確定了汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度和進(jìn)汽壓力與背壓的特性關(guān)系曲線，以及進(jìn)汽溫度和進(jìn)汽壓力與發(fā)電功率的特性關(guān)系曲線，并確定了不同工況下運(yùn)行控制調(diào)節(jié)方案。以上方案的確定無(wú)需增加額外投資，僅需通過(guò)運(yùn)行調(diào)整改變相關(guān)操作參數(shù)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯。

當(dāng)進(jìn)汽參數(shù)小于271℃時(shí)，若不調(diào)高背壓，汽輪機(jī)排汽溫度將可能偏低而不能滿(mǎn)足工藝過(guò)程對(duì)蒸汽參數(shù)的需求。若不采用提高背壓的措施，蒸汽只能通過(guò)減溫減壓閥[4]，后提供給工藝裝置，將造成能源的浪費(fèi)；而當(dāng)進(jìn)汽參數(shù)大于280℃時(shí)，可考慮將汽輪機(jī)背壓降低到0．40MPa(表壓)下運(yùn)行，這樣提高發(fā)電機(jī)效率，可多發(fā)電，每噸蒸汽可多發(fā)電約1kWh以上。

[1]楊玉婷;大型機(jī)組性能在線監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)研究;華北電力大學(xué);2001年；

[2]黃道友300MW機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行管理及應(yīng)用研究;華北電力大學(xué);2001年；

[3]劉洋;發(fā)電廠成本分析與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)的研究;華北電力大學(xué);2002年；

[4]王曉波;火電廠熱力設(shè)備及系統(tǒng)性能分析的軟件實(shí)施;華北電力大學(xué);2001年；

[5]姚雅秋;300MW級(jí)火電熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究;華北電力大學(xué)（河北）;2003年；