雙調節級結構在生物質熱電聯產汽輪機上的應用

摘要：生物質發電附帶供熱逐漸成為發展趨勢。現對某30 MW生物質熱電聯供汽輪機采用單調節級和雙調節級的方案做了對比分析，結果表明，雙調節級結構能夠有效提高機組在抽汽工況下的缸效及出力，進而提升全廠經濟效益。

關鍵詞：生物質;熱電聯產;雙調節級;經濟性

中圖分類號：TK262 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）18-0053-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.18.013

0 引言

生物質發電是國家積極推進的綠色、清潔、低碳、可再生的能源利用方式，對于緩解我國能源短缺、提高清潔能源比重、改善農村環境、增加農民收入有著重要的意義。

根據國家發展改革委、國家能源局《關于印發促進生物質能供熱發展指導意見的通知》（發改能源〔2017〕2123號），到2020年，我國“生物質熱電聯產裝機容量超過1 200萬千瓦……生物質能供熱合計折合供暖面積約10億平方米”[1]，到2035年，“生物質熱電聯產裝機容量超過2 500萬千瓦……生物質能供熱合計折合供暖面積約20億平方米”[1]。基于此類政策，近年來生物質發電用汽輪機中30～40 MW的抽凝機占比較大。

目前生物質發電標桿上網電價達到0.75元/（kW·h），遠超燃煤發電，但是由于發電成本居高不下，實際利潤并不高。若能有效提高熱電聯產汽輪機在純凝、抽汽等不同工況下的綜合發電效率，配合較高的上網電價，對生物質電廠提升全廠收益將有明顯的幫助。以下以某30 MW生物質發電抽凝式汽輪機為對象，分析雙調節級結構對于該機型經濟性的影響。

1 原機組設計數據及效率分析

1.1 原機組結構型式簡述

某30 MW抽凝機組，機組型號C30-8.83/1.27/535，最大進汽量130 t/h，額定抽汽量35 t/h，最大抽汽量60 t/h，其通流圖如圖1所示。

由圖1可見，該機組為典型的單缸抽凝機組，通流包括高壓調節級、高壓段通流、抽汽調節閥、低壓段通流，抽汽調節閥后第1級靜葉為不分組全周進汽結構，機組通過抽調閥節流憋壓實現1.27 MPa.a定壓供熱。

1.2 原機組效率分析

根據供熱負荷的不同，熱電聯產機組主要存在額定抽汽、最大抽汽、額定純凝等特征工況，原機組設計條件下主要特征工況指標如表1所示。

由表1可見，該機組在額定純凝工況及額定抽汽工況下缸效率均超過85.5%，在最大抽汽工況下缸效率也有81.25%，對于30 MW的小功率抽凝機而言，整體經濟性表現已屬于不錯的水平。為進一步分析該機組是否存在優化的空間，特繪制了三個特征工況的膨脹過程線進行輔助分析，如圖2所示。

根據汽輪機膨脹做功原理，膨脹過程線向右傾斜越多，則最終排汽焓越大，機組效率越低。觀察上述三個特征工況的膨脹過程線可知：額定純凝工況膨脹過程線較光順，僅在抽調閥的位置出現輕微節流，另外在排汽段由于排汽量較大，排汽流速略高，使膨脹過程線輕微向右傾斜;而額定抽汽工況和最大抽汽工況膨脹過程線則極不光順，均在工業抽汽的位置出現了較大的節流效應，使膨脹過程線大幅度向右平移，嚴重影響了機組效率。

2 采用雙調節級結構的優化設計

2.1 結構分析及優化

由于各個工況工業抽汽流量的不同，流過抽汽調節閥的流量也不一樣。在上述三個特征工況下，流過抽調閥的流量分別為96、72、44 t/h。也正是由于流過抽調閥流量的減少，抽調閥節流損失逐步增大。

針對抽調閥節流損失較大的情況，最有效的手段是在閥后設置調節級[2]，并根據閥門不同工況下流過的流量來調整閥位和噴嘴分組方式，以求將節流損失降到最低。為此，需將原抽調閥后通流第1級變更為低壓調節級，將其靜葉分為3組，且通流能力分別對應三個特征工況。噴嘴分組結果如表2所示，分組示意圖如圖3所示，流量特性如圖4所示。

以1.27 MPa.a的壓力計算，僅第1組噴嘴開啟時，低壓調節級的通流能力為45.1 t/h，對應最大抽汽工況;第1、2組噴嘴開啟時，通流能力為74.1 t/h，對應額定抽汽工況;全部3組噴嘴全開時，通流能力為89.6 t/h，純凝額定工況自然升壓至1.37 MPa.a后，通流能力為96.6 t/h，滿足通流要求。

此外，由于調節級動靜葉片較原先的壓力級葉片而言，承受的壓差增大、變工況條件變惡劣，需對其結構做加強處理。具體手段包括：增加葉片軸向寬度、更換強壯的縱樹形葉根、外圍帶增加阻尼條等，以提升低壓調節級在強度及頻率響應方面的性能。加強前后的對比結構如圖5所示。

2.2 優化后經濟性分析

在原機組基礎上，將低壓首級優化為低壓調節級后，機組主要特征工況指標如表3所示。

由表3可見，由于優化后低壓首級部分進汽度變小、葉型變寬，級效率略有下降，造成額定純凝工況缸效率降低0.18個百分點，出力減少72 kW;但由于消除了節流效應，額定抽汽工況缸效率上升1.17個百分點，出力增加325 kW;最大抽汽工況缸效率上升3.28個百分點，出力增加559 kW，整體經濟性提升顯著。優化前后抽汽工況的膨脹過程線如圖6所示。

由圖6可見，在可調抽汽位置，原方案膨脹線為水平向右平移，雙調節級方案為向右下方膨脹，明顯消除了節流效應，使得膨脹線最終排汽點均落在比原方案更低的位置，即降低了機組最終排汽焓，機組效率得到提升。

2.3 全廠收益分析

由于生物質發電廠的燃料量和總熱量是一定的，且雙調節級結構并未改變工程建設、運營等費用，因此全廠收益即采用雙調節級后汽輪機所多發出的電量。

根據工程規劃，在達到設計產能后，汽輪機50%的時間處于額定抽汽工況運行，20%的時間處于最大抽汽工況運行，10%的時間處于額定純凝工況運行，20%的時間處于其他工況運行。以年運行7 000 h、0.75元/（kW·h）計算，采用雙調節級后，三個主要特征工況年發電量增加約1.87×106 kW·h，年發電收益增加約140萬元;以年凈利潤3 000萬元計算[3]，年凈利潤增加約4.67%，經濟性提升帶來的收益明顯。

3 結論

通過對某30 MW生物質熱電聯產汽輪機采用單調節級和雙調節級的計算分析可得：

1）采用雙調節級后，由于低壓首級級效率降低，整缸效率降低0.18個百分點。

2）采用雙調節級后，由于消除了抽汽節流損失，額定抽汽工況和最大抽汽工況缸效率分別上升1.17個百分點和3.28個百分點。

3）基于全年運行情況綜合考慮，全廠年利潤增加約4.67%。

綜上可見，對于生物質熱電聯產汽輪機而言，采用雙調節級結構可以有效提高機組綜合發電效率，對提升燃料利用率、增加發電收益是一種較好的補充手段。

[參考文獻]

[1] 國家發展改革委，國家能源局.關于印發促進生物質能供熱發展指導意見的通知：發改能源〔2017〕2123號[A].

[2] 張小波，宋萍，張文祥，等.一種中壓調節閥調整抽汽方式的探討[J].東方汽輪機，2019（1）：14-18.

[3] 魏延軍，秦德帥，常永平.30 MW生物質直燃發電項目及其效益分析[J].節能技術，2012，30（3）：278-281.

收稿日期：2024-05-15

作者簡介：洪安堯（1984—），男，陜西紫陽人，高級工程師，從事汽輪機設計和新能源發電相關工作。