大型汽輪機中壓調節閥參調供熱研究

劉曉燕，王文中，歐陽杰，衛棟梁，謝林貴

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000)

0 引言

能源成本上漲和環境保護要求不斷提高，是大力發展高效、可靠熱電聯供系統和集中供熱系統的重要促進因素。隨著國家節能減排政策的推進，近幾年來，熱電聯供大型汽輪機的需求較往年有增多的趨勢，不同壓力等級的工業抽汽需求也隨之出現。其中4.0 MPa高參數等級的工業抽汽需求，可在設計時考慮采用中壓調節閥參調供熱的方案。

1 參調供熱手段

可調整抽汽指通過汽機內部調節，滿足抽汽參數的方式[1]，其抽汽參數在一定工況范圍內不受機組電負荷的影響，抽汽參數基本為恒定值。目前已有投運業績的供熱調節手段見表1。

表1 目前已有業績的調節手段

由表1可見，滿足4.0 MPa等級工業抽汽的調節手段只有座缸閥，它在汽缸上所占的安裝面積比旋轉隔板大，而且要求汽缸的結構也較復雜[2]，所以座缸閥只適用于高中壓分缸機組，因此，為擺脫此限制，需找到一種新的調節手段。

2 再熱蒸汽參數

以東方汽輪機有限公司300 MW以上容量汽輪機為例，各容量等級汽輪機的再熱冷段和熱段蒸汽參數見表2。

表2 各容量等級汽輪機再熱冷段和熱段蒸汽參數

由表2可知：再熱冷段和熱段蒸汽參數的壓力為3.1～5.0 MPa，滿足4.0 MPa等級工業抽汽的需求，抽汽位置可根據熱用戶對蒸汽溫度的要求而定；由于汽輪機容量等級和進汽參數不同，再熱冷段蒸汽的溫度范圍為315～370 ℃，再熱熱段蒸汽的溫度范圍為537～600 ℃。

3 中壓調節閥結構和流量特性

常規設計中，中壓主汽閥和調節閥合并在一個公共的閥殼里，稱為中壓聯合汽閥。本文以東方汽輪機有限公司超臨界350 MW汽輪機(以下簡稱A項目)的中壓調節閥為例進行研究。中壓調節閥結構如圖1所示，調節閥在某壓比下的流量系數與H/D的關系曲線如圖2所示(圖中：H為閥門升程；D為閥門直徑)。

表3 汽輪機負荷與閥門前、后蒸汽參數

由圖2可知，中壓調節閥雖然一般不參與負荷調節，但是閥門在較大的升程范圍內是具備調節流量能力的，為中壓調節閥參調供熱提供了必備條件。

圖1 中壓調節閥結構示意

圖2 流量系數與H/D的關系曲線

4 閥門參調供熱

4.1 閥門參調數據

A項目中壓調節閥壓力為4.2 MPa、流量為200 t/h的工業抽汽由再熱熱段抽出，機組負荷與中壓調節閥前、后蒸汽參數見表3。

由表3可知，通過調整中壓調節閥開度可以保證熱段蒸汽壓力基本保持恒定，即保證工業抽汽壓力的穩定和可靠。隨著負荷的降低，中壓調節閥的壓損增大，閥門開度也隨之減小。

4.2 閥門運行模式

東方汽輪機有限公司300 MW以上容量汽輪機一般配備2個中壓調節閥，配汽方式為節流配汽，運行模式為單閥。以A項目汽輪機為例，其中壓調節閥的閥門流量與升程關系曲線如圖3所示。中壓調節閥同高壓調節閥一樣，一個閥門配一個油動機，參考高壓調節閥的順序閥運行模式，中壓調節閥采用順序閥運行模式時的閥門流量與升程關系曲線如圖4所示。由圖中曲線可知，閥門通過相同流量時，順序閥模式下的#1閥門開度明顯比單閥模式下的大。

圖3 閥門流量與升程關系曲線(單閥)

圖4 閥門流量與升程關系曲線(順序閥)

以A項目為例，在熱段抽出200 t/h(4.2 MPa)工業抽汽的情況下，中壓調節閥在不同運行模式下的特性數據見表4。

由表4可知，在312 MW負荷以下，閥門受到的蒸汽力較不參調供熱時大，即閥桿強度和油動機選型需重新核算。經核算，閥桿需加粗處理，油動機需選用出力更大的型號，才能滿足要求。

由表4還可知：在滿足工業抽汽壓力的情況下，負荷越低，閥門開度越小，閥門受到的蒸汽力越大；閥門在順序閥模式下的開度較同負荷時單閥模式下的開度大，閥門蒸汽力小；在210 MW(60%額定負荷)負荷時，順序閥模式下#1調節閥閥門開度比單閥模式大15.9百分點，受到的蒸汽力較單閥模式小32%。

表4 不同運行模式下中壓調節閥特性數據

注：如該閥門不參調供熱，經計算該閥門受到的最大蒸汽力約為127 400 N。

表6 不同流速下中壓調節閥特性數據

因此，在負荷相同且滿足工業抽汽的情況下，順序閥運行模式較單閥模式下有以下優勢：相應的閥門開度更大，利于閥門運行的穩定性；閥門受到的蒸汽力更小，便于閥桿設計和油動機選型。

4.3 閥門流速選擇

管道流速決定管道的直徑和閥門的口徑，直接影響機組的經濟性、管道壓力損失、管道振動和噪聲等[1]，所以閥門流速的選擇至關重要。以A項目為例，分別計算了中壓調節閥采用相同型線不同口徑方案下的喉部流速(喉部流速指的是中壓調節閥在最大進汽量時的喉部流速)，見表5。

表5 中壓調節閥不同口徑下的喉部流速

由表5可知，閥門直徑越小，喉部流速越大。閥門喉部流速越大，閥門壓損也隨之增大。根據運行項目試驗驗證，閥門喉部流速由60 m/s增加到90 m/s，閥門壓損增加約2%，影響汽輪機經濟性約1.3‰。

經核算，在熱段抽出200 t/h(4.2 MPa)工業抽汽情況下，中壓調節閥在不同口徑下采用順序閥運行模式的特性數據見表6。

由表6可知，在相同負荷下，閥門直徑越小，滿足工業抽汽時對應的閥門開度就越大，閥門受到的蒸汽力就越小。

根據東方汽輪機有限公司已投運的中壓調節閥參調供熱機組運行經驗，中壓調節閥油動機選型與閥門蒸汽力不匹配時會出現打閘現象，影響汽輪機的安全可靠性，也影響對外供熱的穩定性。因此為便于油動機選型，中壓調節閥參調供熱時閥門直徑可適當往小的方向考慮，犧牲部分機組純凝工況的經濟性。

5 應用實例

東方汽輪機有限公司在2010年就有超臨界600 MW機組采用中壓調節閥參調供熱汽輪機成功投運，額定抽汽壓力為4.2 MPa，最大抽汽量為150 t/h，抽汽位置在再熱熱段，最低供熱負荷率為60%。汽輪機負荷為500 MW、機組抽汽壓力為4.19 MPa時的中壓調節閥參調供熱控制圖如圖5所示。中壓調節閥供熱模式下的閥門配汽曲線如圖6所示。#2中壓調節閥全關情況下，中壓聯合汽閥壓損隨#1中壓調節閥開度變化曲線如圖7所示。

圖5 500 MW負荷時中壓調節閥參調供熱控制圖

圖6 供熱模式下中壓調節閥配汽曲線

圖7 中壓聯合汽閥壓損隨 #1中壓調節閥開度變化曲線

由圖5、圖6和圖7可知，中壓調節閥在供熱模式下采用順序閥運行模式，汽輪機功率為500 MW時，供熱壓力為4.09 MPa(表壓)，中壓調節閥流量指令為77.9%，#1閥門開度為71.8%，#2閥門開度為2.4%，對應的中壓聯合汽閥壓損約為13.7%。在該項目上實施了中壓調節閥參調供熱，且投運至今已有7 a之久，運行狀況良好,調節參數及調節范圍完全滿足用戶要求。

6 結束語

中壓調節閥參調供熱時，方案設計中需綜合考慮抽汽壓力、抽汽量、最低供熱負荷、閥門流速、閥門壓損、經濟性和油動機選型等各項參數進行合理匹配。中壓調節閥具備調節性能，同時閥門設計和油動機均可滿足供熱要求，且采用該方案的汽輪機已成功投運，所以中壓調節閥參與調節供熱是可行的。

參考文獻：

[1]周琳,譚銳,衛棟梁.東汽純凝600 MW級火電機組供熱改造探討[J].東方電氣評論，2012，26(102)：8-13.

[2]中國動力工程學會.火力發電設備技術手冊:第2卷[M].北京:機械工業出版社，1998.