高參數大流量中壓聯合汽閥參調供熱工程應用研究

趙平，胡黔生，蘇鑫海

(1.廣西華磊新材料有限公司熱電廠，廣西 平果 531400；2.東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000)

先進、高效的大型供熱汽輪機組已被世界各國公認為提高能源利用效率和保護環境的重要手段，大型汽輪機熱電聯產技術的能源利用率比單純發電約提高1倍以上，綜合熱效率大于55%。近年來，國內冶金化工等行業對5Mpa以上的高參數大流量供熱需求場合越來越多，先進、高效的大型供熱汽輪機組是提高能源利用效率的重要手段。同時，隨著國內熱電汽輪機行業更高效供熱方式及熱電解耦技術的進步發展，追求熱電比效率越來越高，以獲得更好的綜合經濟效益。針對大功率熱電聯產汽輪機，通過對5Mpa以上高參數大流量供熱技術的選擇論證，采用中壓聯合汽閥參與調節的供熱方式成熟可靠。

1 機組概況

1.1 項目背景

中國鋁業廣西華磊新材料有限公司熱電工程屬于自備電廠，主要負責為華磊公司相關產業鏈提供電力保障和不同壓力等級蒸汽的供應，根據平果鋁工業用汽參數及用電量的特殊要求，機組常年運行的電負荷在80%以上，具有穩定的熱負荷及電負荷。

表1 廣西華磊鋁業項目汽輪機設計邊界條件

鑒于氧化鋁項目的特殊性，機組要求額定抽汽工況下機組出力330MW，最大抽汽工況下機組出力300MW。本項目要求汽輪機在供應電力的同時，能以經濟方便的方式提供2種壓力抽汽，實現高、中、低壓多種抽汽供熱方案，并且供熱抽汽壓力能保持穩定，機組運行可靠性要求高。

1.2 機型選擇

先進、高效的大型供熱汽輪機組與常規凝汽式汽輪機相比，由于供熱抽汽參數高、級數多（雙抽），汽輪機不僅需要采用先進的通流技術，保證汽輪機具有較高的經濟性，還需要根據抽汽供熱機組的特點，合理確定機組總體設計方案，汽缸缸數、供熱配汽方式、滑銷推拉機構、供熱部件（汽缸、供熱閥門、旋轉隔板）的可靠性能。

本項目汽輪機總體設計的技術難點在于高中缸模塊分、合缸形式。本項目經研究論證后確定的設計原則為：當高中壓汽缸內需要兩級抽汽，適合采用高中壓分缸型式；當高中壓汽缸內需要一級抽汽，高中壓進或排汽口有另一級抽汽時，則采用高中壓合缸型式較為合理。

采用高中壓分缸形式的理由是由于高中壓缸內有兩級抽汽，軸承跨距不易滿足轉子動特性要求，而高中壓分缸設計，不受軸承跨距影響，并且在中壓模塊上易于布置抽汽管道、供熱閥門及旋轉隔板，同時供熱抽汽可集中設計在中壓模塊上，對于不同的熱用戶，高、低壓模塊可以通用，僅對中壓模塊改變設計，設計、制造周期短。

當高中壓通流內需要一級抽汽或一級抽汽在缸內另一級抽汽在進排汽口時，軸系跨距容易滿足轉子動特性要求，高中壓模塊適合采用合缸方案，高中壓合缸方案結構較緊湊，軸系簡單，機組長度短，熱膨脹阻力小等。

綜上所述，本項目汽輪機總體設計方案為兩缸兩排汽、高中壓合缸形式。

2 機組供熱方式

目前成熟可靠的汽輪機可調節供熱技術主要有中排蝶閥供熱、旋轉隔板供熱、中壓聯合汽閥調節供熱、座缸閥調節供熱等，各種供熱調節技術相互疊加互補，提供雙抽、多抽供熱方案。

表2 各供熱技術供熱參數對比表

根據項目供熱要求，本項目汽輪機可調整供熱技術，可選擇中壓聯合汽閥調節供熱和中排蝶閥供熱的組合方式。

針對本項目不小于7MPa高壓供熱的需求，利用中壓聯合汽閥參與高壓供熱調節，不僅減少了節流損失、使其結構緊湊，同時還降低了工程投資。中壓聯合汽閥同時參與負荷調整和工業抽汽調整，對閥門及控制系統的調節性能和可靠性要求更高。本項目采用優化型閥門型線和配汽曲線，提高中壓閥門的控制精度，由原僅在30%行程以下參與調節改進設計為100%全行程供熱調節。

3 機組供熱能力

3.1 機組設計供熱能力

汽輪機設計供熱能力按本項目實際供熱需求設計。

本項目設計要求熱電兼顧：熱負荷與電負荷要求同步，即機組運行需遵循“以熱定電”的運行模式。實際運行時，由于電廠為自備電站且在局域電網運行，電負荷需求較小，因此存在實際電負荷低于特定供熱量下相應設計電負荷的情況。

3.2 中壓聯合汽閥參調供熱問題

根據Pluviose 的分析和流固耦合效應下汽輪機進汽閥流量振動研究，當蒸汽流存在高速噴射、沖擊和剪切層時，閥門振動問題和損傷主要發生在節流操作中。主汽閥控制汽輪機的功率輸出，隨著主蒸汽流量減小，機組電負荷下降，閥門在節流操作中消耗了大量能量，能量消耗過程產生強烈的壓力波動，會導致閥門產生較大的振動。

表3 機組設計抽汽能力表

當機組實際運行追求更大的熱電比時，汽輪機進汽量小于機組設計值，汽輪機實際電負荷低于設計電負荷。中壓聯合汽閥實際開度低于設計要求，根據上述理論研究，閥門節流效果明顯，導致機組實際運行時出現閥門振動情況。

根據機組實際運行參數及現場閥門振動情況，對中壓聯合汽閥進行數值模擬，分析了閥門內部流場情況，如圖1所示。中壓聯合汽閥在小開度下閥門內部流場紊亂，閥桿所受到的氣動力波動幅值也更大，增加了閥桿在閥門小開度狀態下的振動概率。

圖1 中壓聯合汽閥優化前小開度下流場情況圖

因此，中壓聯合汽閥在小開度深度參調供熱工況下存在閥門振動加劇的客觀特性。另一方面，桿振動使定位銷磨損，一定程度上會加劇流場波動并最終使得閥桿振動概率加大而形成惡性循環。

基于閥門流場模擬，對本項目參調中壓聯合汽閥進行結構優化，改進閥門濾網形式、閥門型線，通過這些優化手段明顯改善了閥門流場紊亂情況，減少了中壓聯合汽閥在小開度下振動概率，滿足機組深度參調抽汽供熱需要。優化后閥門流場數值分析結果見圖2所示。

圖2 中壓聯合汽閥結構優化后小開度下流場情況圖

針對本項目機組主蒸汽流量和中壓聯合汽閥閥門特性，中聯門調整高壓抽汽供熱工況圖，如圖3所示。

圖3 中聯門高壓抽汽供熱工況圖

上圖3中等抽汽量線（一抽高壓抽汽7MPa）：1-抽汽量0t/h、2-抽汽量80t/h、3-抽汽量160t/h、4-抽汽量230t/h。機組供熱工況在a-b-c-d-a區域內運行，同時根據優化后閥門流場分析中壓聯合汽閥開度應不小于50%。

根據分析：機組在1#中調門開度大于50%的條件下能滿足抽最大高壓抽汽量230t/h需求，機組運行狀況良好，各技術指標均在設計范圍內。

3.3 機組供熱潛力

為進一步挖掘供熱機組更小電負荷下的供熱潛力，滿足自備電廠等孤網運行機組的更大熱電比，提高機組的熱電經濟性，可進一步優化中壓聯合汽閥閥芯結構、閥門型線、調整配汽曲線，在保證機組運行安全前提下，降低閥門開度限制，提高中壓聯合汽閥調節能力和穩定性。

另外，機組實際運行時可通過切除一號高加方案從系統上解決熱電匹配偏差的問題，在不降低閥門開度的情況下增大高壓供熱，提高機組供熱能力。

4 結語

（1）大型熱電聯產雙抽供熱凝汽式汽輪機采用“以熱定電”“熱電分調”“牽連調節”控制技術可實現在一臺機組上提供兩級供熱抽汽，多種抽汽參數組合的可調整雙抽供熱抽汽；通流設計采用現代最先進的技術，結構設計采用成熟技術，按照供熱機組設計特點和設計原則優化設計，使機組具有較高的經濟性和可靠性。

（2）根據本項目實際工程經驗，采用中壓聯合汽閥參調供熱的技術滿足機組高參數大流量供熱需求是可行的、安全的、穩定的。可通過調整中壓聯合汽閥閥門型線、配汽曲線滿足不同項目供熱參數、流量需求。