背壓汽輪機變工況優化運行研究

陶毅平 任 健

上海石油化工股份有限公司腈綸部

節能是我國經濟和社會發展的一項長遠戰略方針，也是當前一項極為緊迫的任務。作為提高資源利用率的項目之一，公司現有的蒸汽鍋爐由燃油改為燃煤。在該鍋爐油改煤的過程中，腈綸部成為了蒸汽管網的末端用戶，供汽管線長、進汽參數降低且波動，導致腈綸部背壓汽輪發電機組的進汽參數下降，排汽減溫器關閉，排汽參數處于工藝需求的下限，有時可能會低于工藝要求水平，造成工藝裝置控制波動。

為了保證工藝過程的需求，確保蒸汽溫度穩定在一定區間。如停用背壓汽輪機，需增加蒸汽耗用，由此將引起能耗上升，不利于節能增效。為了合理利用現有的設備資源和蒸汽的差壓資源，需研究在進汽參數降低的情況下背壓汽輪機的優化運行，確保在工藝用汽的同時使發電功率達到最大，以提高能量利用率和設備利用率。

1 汽輪機發電原理及研究機理

1.1 汽輪發電機的基本工作原理[1]

汽輪機的工作過程是能量轉換的過程，在工作時，蒸汽焓值下降，蒸汽的熱能轉變為轉子的機械能。具體的工作過程為：蒸汽在具有特殊形狀的通道噴嘴中發生膨脹，蒸汽的壓力下降，速度增加，將蒸汽的熱能轉化為動能。蒸汽經加速后，從噴嘴出來噴射到動葉片上，汽流在動葉片上改變方向，因此對動葉片產生作用力，形成旋轉力矩，使汽輪機葉輪旋轉，并將蒸汽部分的動能轉變為轉子的機械能。汽輪機的轉子和發電機轉子通過聯軸器相連，汽輪機轉子以一定速度轉動時，發電機轉子也同步轉動，由于電磁感應的作用，發電機靜子線圈中產生的電流，通過變電配電設備向用戶供電。如圖1所示。

圖1 汽輪機結構示意圖

腈綸部所用的四臺汽輪機B1．5—1．27/0．58均為背壓式汽輪機，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裝置使用，不設凝汽器，使蒸汽的熱量全部得到使用。優點是蒸汽熱量能全部得到利用，節省設備、簡化結構；缺點是進汽量受到用戶用汽量的限制。

1.2 ASPEN PLUS軟件模擬研究機理

在對汽輪機的研究[2]過程中，蒸汽熱力參數的計算以及汽輪機中的熱力過程均是采用ASPEN PLUS軟件進行計算和模擬的。

單元操作模塊選擇：壓力變換模型類→汽輪機。

模塊類型選擇：等熵膨脹過程。

物性計算方法選擇：蒸汽（STEAM-A）。

圖2 ASPEN PLUS軟件模擬示意圖

2 汽輪機運行參數之間的特性關系研究

2.1 排汽溫度一定時進汽溫度與背壓的特性關系

為了保證汽輪機的排汽溫度滿足工藝需求，需要時可以通過提高汽輪機的背壓來提高汽輪機的排汽溫度。這就需要確定當排汽溫度一定時進汽參數與背壓的特性關系。從汽輪機出口到用汽設備的溫度降為10℃左右，用汽設備許可的最低溫度為180℃，因此，研究當排汽溫度為190℃時，不同進汽壓力下進汽溫度與背壓的特性關系。見圖3。

圖3 排汽溫度為190℃時進汽溫度與背壓的特性關系

由圖3可以看出，進汽溫度和進汽壓力比較低時，即在點劃線以上部分，需要調高背壓，最大背壓調高到0．51 MPa。當進汽溫度高于271℃時，不需要調高背壓，即大部分運行工況不需要調高背壓。

2.2 排汽溫度一定時進汽壓力與背壓的特性關系

考慮到前方供汽壓力波動，為確保生產工藝正常用汽及汽輪機的經濟可靠運行，同時考慮排汽溫度一定時進汽壓力與背壓的特性關系。排汽溫度為190℃時進汽壓力與背壓的特性關系，見圖4。由圖4可以看出當進汽壓力比較低時，需要調整背壓確保汽輪機運行，才能確保供汽滿足工藝要求。

圖4 排汽溫度為190℃時進汽壓力與背壓的特性關系

2.3 排汽溫度一定時進汽參數與發電功率的特性關系

為了使汽輪機在保證工藝用汽參數的條件下盡量發出較多的電，需要確定當排汽溫度一定時進汽參數與發電功率的特性關系。見圖5、圖6；

圖5 排汽溫度為190℃時進汽溫度與發電功率的關系

表6 排汽溫度為190℃時進汽壓力與發電功率的關系

由圖5、圖6可以看出，汽輪機發電功率受進汽參數影響比較大，特別是進汽溫度的影響。

表1 同等負荷下發電量比較

2.4 同等負荷下發電量比較

在蒸汽流量基本一致的情況下，每噸蒸汽單位發電量受進汽溫度、進汽壓力的影響情況如表1。由表中數據可以看出，進汽壓力、溫度參數變化時若不及時優化調整背壓，發電效率下降，噸蒸汽發電量明顯減少，若以噸蒸汽發電量至少下降3kW計算，則每月減少發電量：

3kW＊131t/h ＊24小時＊30天/月=28萬kW/月。

3 變工況運行方式的控制方案[5]

對于采用全液壓調節系統的汽輪機[4]來說，要滿足運行的要求，可以通過調整汽輪機壓力調節系統的給定壓力，提高機組的運行背壓來改變機組的排汽壓力和溫度。經以上研究，最終確定調整背壓的控制方案如下：

表2 調壓控制方案

為了保證工藝過程對蒸汽溫度的需求，同時又使背壓汽輪機能夠盡量多發電，背壓汽輪機最佳運行方式為：當進汽參數較差時，特別當進汽溫度低于271℃時，汽輪機應在較高背壓下運行，以保證工藝過程對蒸汽溫度的需求；當進汽參數在271～280℃之間時，汽輪機可在0．42MPa運行。當進汽參數大于280℃時，可考慮降低背壓以多發電。但由于工藝過程對蒸汽溫度的需求不僅對蒸汽進工藝裝置初溫的要求，更重要的還需對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。通過對實際運行參數觀察，可以看到當背壓在0．40MPa(表壓)下運行時，滿足了工藝需求。因此，當進汽參數大于280℃時，汽輪機背壓可降低到0．40MPa(表壓)。

4 結語

通過ASPEN PLUS模擬確定了汽輪機進汽溫度和進汽壓力與背壓的特性關系曲線，以及進汽溫度和進汽壓力與發電功率的特性關系曲線，并確定了不同工況下運行控制調節方案。以上方案的確定無需增加額外投資，僅需通過運行調整改變相關操作參數，達到節能降耗的目的，其經濟效益和社會效益明顯。

當進汽參數小于271℃時，若不調高背壓，汽輪機排汽溫度將可能偏低而不能滿足工藝過程對蒸汽參數的需求。若不采用提高背壓的措施，蒸汽只能通過減溫減壓閥[4]，后提供給工藝裝置，將造成能源的浪費；而當進汽參數大于280℃時，可考慮將汽輪機背壓降低到0．40MPa(表壓)下運行，這樣提高發電機效率，可多發電，每噸蒸汽可多發電約1kWh以上。

[1]楊玉婷;大型機組性能在線監測與分析系統研究;華北電力大學;2001年；

[2]黃道友300MW機組優化運行管理及應用研究;華北電力大學;2001年；

[3]劉洋;發電廠成本分析與經濟運行輔助決策系統的研究;華北電力大學;2002年；

[4]王曉波;火電廠熱力設備及系統性能分析的軟件實施;華北電力大學;2001年；

[5]姚雅秋;300MW級火電熱力系統結構的優化研究;華北電力大學（河北）;2003年；