過載補汽閥在1000MW汽輪發電機組上的綜合應用

錢海川 韓 崗 陳 梁

上海上電漕涇發電有限公司

0 引言

隨著我國發電技術的進步和成熟，人們已把更多的目光投向清潔能源和新能源。傳統火力發電正面臨前所未有的嚴峻考驗。現代超超臨界大型火力發電機組在大容量、高參數的基礎上繼續挖掘機組潛能的空間難度將不斷增加。為順應清潔、高效、環保的發展趨勢，許多火電機組紛紛進行了節能減排技術改造和控制策略改進以滿足國家的新標準和新要求。電網為了保證發電機組的供電質量，對于火電機組AGC和一次調頻的投入率、調節指標的考核較以往更加嚴格，推動電廠不斷追求技術進步與革新。

上海上電漕涇發電有限公司（以下簡稱“漕涇電廠”）的汽輪發電機組采用上海汽輪機廠引進德國西門子公司技術設計制造的1 000MW機組，主蒸汽壓力26．25MPa，主蒸汽溫度600℃。汽輪機型式是超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機。汽輪機的配汽型式為全周進汽加過載補汽閥方式，高壓缸無調節級。汽輪機組蒸汽流程中設計兩個高壓主汽閥、兩個高壓調節閥、一個補汽閥、兩個中壓主汽閥和兩個中壓調節閥。

1 過載補汽閥的相關結構和工作原理

過載補汽閥結構與高、中壓調門類似，為單閥座調閥，油動機上配置一個伺服閥和兩個跳閘電磁閥。正常情況下，DEH的“轉速-負荷控制器”向補汽閥的伺服閥發送指令信號，從而讓油動機帶動閥門克服彈簧作用力運動到指定開度；緊急情況下，ETS保護動作，補汽閥上的兩個跳閘電磁閥同時失電，油動機快速泄油，釋放彈簧實現快速關閉閥門。

補汽閥一般布置在高壓缸下方，此設計可省略高溫金屬管道，使汽輪機結構更緊湊。補汽閥的汽源取自兩側高壓主汽門與高壓調門之間，一部分主蒸汽流經補汽閥進入高壓外缸與內缸之間的封閉腔室內，該腔室通過高壓內缸上的徑向孔與高壓缸通流部分相連。具體的連接位置取決于機組的進汽參數、熱應力和對通流部分的影響等。漕涇電廠1 000MW汽輪機的過載補汽閥連接在高壓缸第5級葉片后，根據等焓節流原理，主蒸汽進入該級處的溫度約降低30℃，因此在高壓缸內部的金屬部件上不會產生很大的熱應力。

2 過載補汽閥的不同用途

2.1 機組滑壓運行時補汽閥參與一次調頻

漕涇電廠所使用的汽輪機采用全周進汽方式，未設置調節級，高壓通流部分第一級葉片和其它級葉片相同，其進汽壓力及焓降與流量成正比，此類設計可提高汽輪機高壓缸的總體內效率。機組正常運行時，為獲得最佳的經濟性，采用調門全開、全程滑壓的運行方式。

具體做法：在主汽壓力設定值上增加一定量的負偏置使調門全開，投入CTF（汽機跟隨的負荷協調控制）方式使機組滑壓運行（30%至100%負荷）。雖然維持滑壓運行會使機組對于AGC指令的負荷響應速度大幅降低，但直流鍋爐通過優化負荷調節回路及過載補汽閥、凝結水節流調節等手段，仍能參與電網一次調頻。此外，滑壓運行時，因主蒸汽溫度不隨負荷變化，采用純壓力級的高壓缸內的溫度場在變負荷時仍能保持相對穩定，顯著改善了變負荷時高壓轉子的應力狀況，使汽輪機能適應很高的負荷變化速率。

過載補汽閥參與一次調頻的功能示意如圖1所示。

圖1 過載補汽閥參與一次調頻功能示意圖

根據轉速偏差，經F1(x)和F2(x)兩個分段函數計算出補汽閥的開度指令，相關參數見圖2和圖3。

當系統檢測到電網頻率偏低、汽輪機實際轉速為2 998rpm時，F1(X)=0，F2(X)=-2，補汽閥全關；當實際轉速降低至2 997．8rpm時，F1(X)=0．83rpm，F2(X)=0；隨著實際轉速的降低，補汽閥將逐漸開啟；當實際轉速降低至2 995．5rpm時，F1(X)=10，F2(X)=20，補汽閥的指令設定速率變化至20%。補汽閥開啟可在短時間內增加提供超出額定流量的蒸汽（約占額定主蒸汽流量的5%～10%），增加機組出力（3%～5%），滿足電網一次調頻對加負荷的需求。

圖2

圖3

2.2 補汽閥輔助參與調壓，減少旁路溢流次數

為進一步挖掘兩臺1000MW機組的潛力，提高機組的整體出力，對機組進行了供熱改造。分別從補汽閥后、一級抽汽和冷再熱管道預留接口三個部位引出部分蒸汽，經減溫減壓后向外提供高、中壓兩種參數蒸汽，接入鄰近的化工區熱網，實現熱電聯產。機組在高負荷運行同時進行供熱，將升高鍋爐側的主蒸汽壓力值。以機組負荷1000MW為例，主蒸汽流量2 930t/h，爐側壓力可達到28．1MPa，高壓旁路閥（以下稱高旁）溢流動作壓力為28．7MPa，實際運行中負荷稍有波動就會造成高旁在運行中溢流開啟。高旁開啟時，這部分主蒸汽將不進汽輪機做功，直接通過管道被回收，影響了發電的經濟性。與此同時，高壓旁路頻繁動作，會影響汽輪機和再熱器等設備的使用壽命。為避免高壓旁路在不必要的情況下溢流動作，需將這一功能轉移至補汽閥，使過載補汽閥在主蒸汽壓力接近上限時先于高壓旁路開啟，邏輯功能示意見圖4。

圖4 邏輯功能示意圖

在CTF協調控制方式下，機組滑壓運行，旁路的壓力控制給定值P0（x）是根據鍋爐BM指令x計算出的函數曲線。旁路的溢流動作值 P1（x）=P0(x)+0．6+1．，(公式中0．6MPa為鍋爐出口至汽機調門前的壓降修正值)，見圖5。

圖5

此時，只需使補汽閥溢流動作值滿足公式：P2(X)=P1(X)-0．5,即可實現補汽閥的溢流功能。

為了驗證邏輯修改的實際效果，對漕涇電廠1號機組進行了在線試驗。機組負荷850MW，通過降低補汽閥溢流設定值，使其逐漸開啟，至主蒸汽壓力重新穩定。試驗結果顯示，高負荷時，過載補汽閥開啟10%，可使主蒸汽壓力降低約0．5MPa。見圖6。

圖6

機組后續的運行表明，使用過載補汽閥輔助參與主蒸汽壓力調節可有效減少機組在滑壓運行過程中因工況波動引起的旁路溢流次數。同時從安全角度考慮，將過載補汽閥溢流的閥限設置在15%開度，補汽閥溢流功能僅在旁路處于B模式（滑壓運行控制）時生效。

2.3 補汽閥增加機組運行的經濟效益

汽輪機采用全周進汽時，進汽壓力與流量成正比，即機組在最大流量（VWO）工況運行時，進汽壓力才能達到額定壓力。上海漕涇電廠汽輪機VWO工況流量為2 955．6t/h，進汽壓力為26．25MPa；額定工況（THA）流量為 2 730t/h，進汽壓力為26．25MPa；兩者流量之比為1．08，按夏季循環水溫度33℃及2%補水率，最大流量仍留有8%的余量配置。

夏季是用電高峰期，由于循環水溫度上升等原因，導致凝汽器真空下降，汽輪機熱效率降低。相比秋、冬季，機組達到相同的負荷，鍋爐提供的蒸發量較設計值有所增加，主蒸汽壓力相應升高，此時，短期超壓增加流量運行，雖然可充分利用蒸汽壓力的潛力，獲得較高的經濟效益，但同時存在一定的風險。相對而言，過載補汽閥技術是一種更好的解決方案，在額定進汽壓力下可增加5%～10%的主蒸汽流量，雖然損失了高壓缸前幾級蒸汽做功的熱效率，可增加52MW出力，長期運行，可取得額外的經濟效益。

3 過載補汽閥的不足之處

實際運行狀況表明，過載補汽閥開度超過20%后，汽輪機高壓缸前后軸承的絕對振動和相對振動明顯增大。從補汽閥進汽方向和通流部分的結構分析，補汽進入汽輪機的方向垂直于汽缸內蒸汽流動方向，對高壓缸內原有軸向流動的蒸汽造成較大擾動。此外，補汽進入通流部分的不規則封閉腔室后，隨著流量增大會產生一定的渦流，對高壓缸內蒸汽流動造成一定擾動。因此，國內不少電廠出于安全考慮，很少使用補汽閥。目前，汽輪機廠已針對該問題進行相關研究，并制定了對策和措施，在個別電廠進行技術改造。

4 結語與展望

補汽閥的存在，使汽輪機在高、中壓調門全開的滑壓運行方式下依然可以參與電網一次調頻；夏季高負荷運行期間通過補汽閥可增加汽輪機進汽量，提高機組的經濟效益。此外，補汽閥還能輔助參與主蒸汽壓力調節，減少機組供熱期間因工況變化而引起的旁路溢流動作次數。與此同時，補汽閥的設計尚存在一些缺陷，開啟至一定開度易引起高壓缸內汽流擾動，但在一定開度內仍然值得國內電廠嘗試應用。隨著汽輪機制造技術的不斷進步，這方面的缺陷將逐步予于解決，過載補汽閥將能為汽輪機的安全、可靠、經濟運行帶來更多的益處。