高参数大流量中压联合汽阀参调供热工程应用研究

赵平，胡黔生，苏鑫海

(1.广西华磊新材料有限公司热电厂，广西 平果 531400；2.东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000)

先进、高效的大型供热汽轮机组已被世界各国公认为提高能源利用效率和保护环境的重要手段，大型汽轮机热电联产技术的能源利用率比单纯发电约提高1倍以上，综合热效率大于55%。近年来，国内冶金化工等行业对5Mpa以上的高参数大流量供热需求场合越来越多，先进、高效的大型供热汽轮机组是提高能源利用效率的重要手段。同时，随着国内热电汽轮机行业更高效供热方式及热电解耦技术的进步发展，追求热电比效率越来越高，以获得更好的综合经济效益。针对大功率热电联产汽轮机，通过对5Mpa以上高参数大流量供热技术的选择论证，采用中压联合汽阀参与调节的供热方式成熟可靠。

1 机组概况

1.1 项目背景

中国铝业广西华磊新材料有限公司热电工程属于自备电厂，主要负责为华磊公司相关产业链提供电力保障和不同压力等级蒸汽的供应，根据平果铝工业用汽参数及用电量的特殊要求，机组常年运行的电负荷在80%以上，具有稳定的热负荷及电负荷。

表1 广西华磊铝业项目汽轮机设计边界条件

鉴于氧化铝项目的特殊性，机组要求额定抽汽工况下机组出力330MW，最大抽汽工况下机组出力300MW。本项目要求汽轮机在供应电力的同时，能以经济方便的方式提供2种压力抽汽，实现高、中、低压多种抽汽供热方案，并且供热抽汽压力能保持稳定，机组运行可靠性要求高。

1.2 机型选择

先进、高效的大型供热汽轮机组与常规凝汽式汽轮机相比，由于供热抽汽参数高、级数多（双抽），汽轮机不仅需要采用先进的通流技术，保证汽轮机具有较高的经济性，还需要根据抽汽供热机组的特点，合理确定机组总体设计方案，汽缸缸数、供热配汽方式、滑销推拉机构、供热部件（汽缸、供热阀门、旋转隔板）的可靠性能。

本项目汽轮机总体设计的技术难点在于高中缸模块分、合缸形式。本项目经研究论证后确定的设计原则为：当高中压汽缸内需要两级抽汽，适合采用高中压分缸型式；当高中压汽缸内需要一级抽汽，高中压进或排汽口有另一级抽汽时，则采用高中压合缸型式较为合理。

采用高中压分缸形式的理由是由于高中压缸内有两级抽汽，轴承跨距不易满足转子动特性要求，而高中压分缸设计，不受轴承跨距影响，并且在中压模块上易于布置抽汽管道、供热阀门及旋转隔板，同时供热抽汽可集中设计在中压模块上，对于不同的热用户，高、低压模块可以通用，仅对中压模块改变设计，设计、制造周期短。

当高中压通流内需要一级抽汽或一级抽汽在缸内另一级抽汽在进排汽口时，轴系跨距容易满足转子动特性要求，高中压模块适合采用合缸方案，高中压合缸方案结构较紧凑，轴系简单，机组长度短，热膨胀阻力小等。

综上所述，本项目汽轮机总体设计方案为两缸两排汽、高中压合缸形式。

2 机组供热方式

目前成熟可靠的汽轮机可调节供热技术主要有中排蝶阀供热、旋转隔板供热、中压联合汽阀调节供热、座缸阀调节供热等，各种供热调节技术相互叠加互补，提供双抽、多抽供热方案。

表2 各供热技术供热参数对比表

根据项目供热要求，本项目汽轮机可调整供热技术，可选择中压联合汽阀调节供热和中排蝶阀供热的组合方式。

针对本项目不小于7MPa高压供热的需求，利用中压联合汽阀参与高压供热调节，不仅减少了节流损失、使其结构紧凑，同时还降低了工程投资。中压联合汽阀同时参与负荷调整和工业抽汽调整，对阀门及控制系统的调节性能和可靠性要求更高。本项目采用优化型阀门型线和配汽曲线，提高中压阀门的控制精度，由原仅在30%行程以下参与调节改进设计为100%全行程供热调节。

3 机组供热能力

3.1 机组设计供热能力

汽轮机设计供热能力按本项目实际供热需求设计。

本项目设计要求热电兼顾：热负荷与电负荷要求同步，即机组运行需遵循“以热定电”的运行模式。实际运行时，由于电厂为自备电站且在局域电网运行，电负荷需求较小，因此存在实际电负荷低于特定供热量下相应设计电负荷的情况。

3.2 中压联合汽阀参调供热问题

根据Pluviose 的分析和流固耦合效应下汽轮机进汽阀流量振动研究，当蒸汽流存在高速喷射、冲击和剪切层时，阀门振动问题和损伤主要发生在节流操作中。主汽阀控制汽轮机的功率输出，随着主蒸汽流量减小，机组电负荷下降，阀门在节流操作中消耗了大量能量，能量消耗过程产生强烈的压力波动，会导致阀门产生较大的振动。

表3 机组设计抽汽能力表

当机组实际运行追求更大的热电比时，汽轮机进汽量小于机组设计值，汽轮机实际电负荷低于设计电负荷。中压联合汽阀实际开度低于设计要求，根据上述理论研究，阀门节流效果明显，导致机组实际运行时出现阀门振动情况。

根据机组实际运行参数及现场阀门振动情况，对中压联合汽阀进行数值模拟，分析了阀门内部流场情况，如图1所示。中压联合汽阀在小开度下阀门内部流场紊乱，阀杆所受到的气动力波动幅值也更大，增加了阀杆在阀门小开度状态下的振动概率。

图1 中压联合汽阀优化前小开度下流场情况图

因此，中压联合汽阀在小开度深度参调供热工况下存在阀门振动加剧的客观特性。另一方面，杆振动使定位销磨损，一定程度上会加剧流场波动并最终使得阀杆振动概率加大而形成恶性循环。

基于阀门流场模拟，对本项目参调中压联合汽阀进行结构优化，改进阀门滤网形式、阀门型线，通过这些优化手段明显改善了阀门流场紊乱情况，减少了中压联合汽阀在小开度下振动概率，满足机组深度参调抽汽供热需要。优化后阀门流场数值分析结果见图2所示。

图2 中压联合汽阀结构优化后小开度下流场情况图

针对本项目机组主蒸汽流量和中压联合汽阀阀门特性，中联门调整高压抽汽供热工况图，如图3所示。

图3 中联门高压抽汽供热工况图

上图3中等抽汽量线（一抽高压抽汽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。机组供热工况在a-b-c-d-a区域内运行，同时根据优化后阀门流场分析中压联合汽阀开度应不小于50%。

根据分析：机组在1#中调门开度大于50%的条件下能满足抽最大高压抽汽量230t/h需求，机组运行状况良好，各技术指标均在设计范围内。

3.3 机组供热潜力

为进一步挖掘供热机组更小电负荷下的供热潜力，满足自备电厂等孤网运行机组的更大热电比，提高机组的热电经济性，可进一步优化中压联合汽阀阀芯结构、阀门型线、调整配汽曲线，在保证机组运行安全前提下，降低阀门开度限制，提高中压联合汽阀调节能力和稳定性。

另外，机组实际运行时可通过切除一号高加方案从系统上解决热电匹配偏差的问题，在不降低阀门开度的情况下增大高压供热，提高机组供热能力。

4 结语

（1）大型热电联产双抽供热凝汽式汽轮机采用“以热定电”“热电分调”“牵连调节”控制技术可实现在一台机组上提供两级供热抽汽，多种抽汽参数组合的可调整双抽供热抽汽；通流设计采用现代最先进的技术，结构设计采用成熟技术，按照供热机组设计特点和设计原则优化设计，使机组具有较高的经济性和可靠性。

（2）根据本项目实际工程经验，采用中压联合汽阀参调供热的技术满足机组高参数大流量供热需求是可行的、安全的、稳定的。可通过调整中压联合汽阀阀门型线、配汽曲线满足不同项目供热参数、流量需求。