25 MW等级生物质发电汽轮机调节级阀点的选取优化

苏忠强

(上海汽轮机厂有限公司，上海 200240)

生物质发电是可再生能源发电的重要组成部分，扩大生物质发电规模，可以加快电力低碳转型步伐，也能为“碳中和”目标的实现做出积极贡献。提高生物质发电汽轮机效率可有效提高生物质电厂的发电效率，降低生物质燃料的消耗，减少碳排放，并节约成本。而调节级作为汽轮机通流的重要组成部分，功率占比大，提高调节级效率能在很大程度上提高汽轮机的通流效率。

由于汽轮机配汽机构的变工况特性复杂,众多行业专家对调节级已有多方面的研究。江浩等[1]以600 MW机组为例，分析了亚临界机组和超临界机组在不同调节阀配置下机组性能的变化，并说明了重叠度对2类机组性能的影响。蓝吉兵等[2]采用全三维CFD方法，分析了不同叶型对调节级性能的影响。禹志根等[3]通过数值模拟分析了不同阀点下调节级过渡腔室对压损的影响情况，得到阀点越小，压损越大的结论。余建希等[4]以330 MW汽轮机为对象，验证了用数学模型来分析推算调节阀后压力和温度的准确性和可靠性。陈文等[5]基于600 MW机组现场试验数据和数值分析的结果，提出调节级压比是判断调节阀流量特性的重要参数。万忠海等[6]以600 MW机组为例，提出一种基于调节阀固有特性函数和调节级通用特性函数的汽轮机配汽端仿真计算方法，以探究参数变化对调节阀流量特性的影响及其规律。周海飞等[7]利用数值计算，分析负荷变化对调节级内部流动特性和汽流激励力特性的影响，指出负荷越小，损失系数越大，并且轴向汽流力和周向汽流力都呈现出逐渐增大的趋势。付涛等[8]分析了超超临界机组的配汽方式，提出针对机组调峰情况对配汽方式进行优化，可以实现更大的收益。

已有研究大多是针对调节级结构方面的改进和模拟分析，对于结合项目实际运行特点来优化调节级效率方面的研究成果较少。本文主要针对采用喷嘴调节的某25 MW生物质发电汽轮机，结合生物质机组运行特点，在最大通流能力一定的条件下讨论调节阀与喷嘴布置优化的问题，并得出了该机组阀门重叠度对调节级性能的影响数值，旨在为选取合适的阀门重叠度、提升机组效率提供技术支持。

1 配汽方式与阀点优化说明

汽轮机调节级调节方式一般分为节流调节和喷嘴调节。节流调节指所有进入汽轮机的蒸汽都经过1个阀门或几个同时启闭的阀门后再进入汽轮机第1级。喷嘴调节的汽轮机调节级喷嘴分为若干组，每组喷嘴由1个调节阀控制，利用阀门开度来控制喷嘴流量，从而调整进汽流量，因此可以在部分负荷下合理开启与关闭阀门，减少阀门的节流损失[9]。

因燃料季节变化，生物质电厂汽轮机运行的负荷变化范围较大，一般在40%～100%额定负荷之间，这就使得汽轮机不得不进行深度变负荷运行。这对机组变工况性能提出了较高的要求。采用喷嘴调节，可以有效提高低负荷下汽轮机的效率。某25 MW生物质发电汽轮机调节阀配汽机构示意图如图1所示。

图1 某25 MW生物质发电汽轮机配汽机构示意图

该配汽机构采用3个阀门分别控制3组喷嘴，1、2、3阀按照阀门顺序依次开启。在配汽过程中，只有最后开启的那组调节阀的汽流有可能受到明显的节流。假设节流越严重，阀后的压力就越低，流过该阀对应喷嘴组的流量也就越少。而流量越小，节流导致有效能的损失比例就不会很大，从而实现较高的经济性。

由于机组负荷常常波动较大，因此汽轮机调节阀和调节级喷嘴的设计需要合理化，使调节方式更灵活，以提高调节级效率，并避免出现汽轮机瓦温高或者轴振大等故障。要提高调节级的性能，不仅可以通过合理配置阀门喷嘴数，还可以采用喷嘴子午面端壁优化[10]、阀门开启顺序优化、叶片型线优化、出口流道优化等等措施，而本文讨论的阀点优化主要是通过分配各阀控制的喷嘴数量和阀门的大小来匹配机组各运行工况，使机组各长期运行工况下的效率得到均衡，使机组长期处在高效率的运行状态下。

一般来说，阀点优化前需要先进行调节级热力设计。由于调节级级数少，因此效率低于压力级，但调节级焓降大于压力级。为了提高汽轮机效率，调节级焓降不应设计得过大。

阀点优化设计的目的是提高调节级的调节性能，降低阀门节流损失。优化措施是根据机组进口蒸汽的温度和压力、进口容积流量等参数，综合考虑调节级进汽能力和机组性能，分配各阀控制的喷嘴面积，使得机组性能保证点的流量靠近阀点的流量，降低阀门节流损失。

2 阀门喷嘴配置方案选择分析

以某25 MW生物质发电项目为例，机组进汽压力为8.83 MPa，温度为535 ℃，额定抽汽工况进汽量为139 t/h，纯凝工况进汽量为97 t/h，阀门全开工况进汽量为158 t/h。由于该机组保证的长期运行工况为纯凝工况和额定抽汽工况，因此，该25 MW生物质发电汽轮机调节级性能需要兼顾这2种工况。

针对机组上述情况，在总进汽能力不变的前提下，对比分析某25 MW生物质发电汽轮机调节阀和喷嘴配置的3种方案。阀门喷嘴配置方案如表1至表3所示。

表1 喷嘴阀门配置方案1

表2 喷嘴阀门配置方案2

表3 喷嘴阀门配置方案3

通过某25 MW生物质发电汽机调节级3组方案对比可知，在保证阀门通流能力一致的情况下，可以通过调整喷嘴数目来改变机组变工况下各阀的流量分配。进一步计算3组方案的调节级流量和效率差值关系曲线如图2所示。

图2 各方案调节级效率差值曲线对比

从各调节级效率差值曲线可以看出，阀门全开情况下，阀门压损最小，调节级效率最高。随着运行流量负荷的减小，阀门节流损失不断增大，调节级动、静叶的总压损失也不断增大，调节级效率呈现逐渐降低的趋势。在阀点附近的调节级效率更高，为保证机组长期运行工况具有最佳效率，应将长期运行的各个工况设置在阀点附近。

某25 MW生物质发电汽轮机一年中主要运行工况为纯凝工况和额定抽汽工况，因此，机组性能考核工况主要为纯凝工况和额定抽汽工况。通过不同方案的曲线对比，将各个工况结果汇总，如表4所示。

表4 不同工况下相对方案1的调节级效率差值汇总

从表4数据可知，如果只考虑纯凝工况，应该选择方案2。如果只考虑额定抽汽工况，应该选择方案3。但生物质发电汽轮机组与常规煤电机组不同，应结合实际运行情况考虑。生物质发电的燃料一般就地取材，燃料量随季节变化，春、秋、冬季燃料量较多，夏季燃料量相对较少，燃料量少意味着锅炉蒸汽蒸发量少，供热量也少。因此，机组额定抽汽工况供热运行的时间为3个季度，时间较长，纯凝工况不供热运行时间为1个季度，时间较短，应优先考虑额定抽汽工况性能。因此，某25 MW生物质发电汽轮机调节级的配置应选择方案3。

3 阀门重叠度的影响

阀门重叠度指的是一个调节阀未全部开启，下一个调节阀已经开启之间的阀门升程差。因此，重叠度一般在阀点附近。设置一定的重叠度可以改善机组调节阀的总流量特性，使控制调节过程更加柔性，避免阀门误动作。这里主要以某25 MW生物质汽轮机调节级为例，选取3组不同重叠度的方案，对比其重叠度与效率的关系。为了方便对比，通过改变3个调节阀的开启点，生成3组不同阀门升程重叠度的方案进行计算，具体如表5所示。

表5 3种不同阀门升程重叠度方案

再根据某25 MW生物质汽轮机机组的边界参数计算得到3种不同阀门升程重叠度方案下的流量升程曲线，如图3所示。

图3 不同阀门重叠度方案的流量升程曲线

从图3中可以看出，重叠度越大，即后续调节阀越提前开启，开启点的调节级总流量就越小。为了保证长期运行点的调节级效率，就需要结合生物质发电机组的特点，合理布置阀门重叠度，减少阀门损失。根据3种不同重叠度方案分别计算某25 MW生物质发电机组长期运行工况的调节级效率，得到相对重叠度方案1的调节级效率差值结果，如表6所示。

表6 不同工况下各重叠度方案的调节级效率差值

从表6中可以看出，考虑生物质项目只有夏季不供热(即纯凝工况)，其他季节均需供热(即额定抽汽工况)，应该选择重叠度方案1，但重叠度方案1的纯凝工况效率很差。因此，综合考虑2个工况，此项目应该选择重叠度方案3，使汽轮机调节级效率长期处在较好的水平。可以得出结论，重叠度并非越大越好或者越小越好，而是应该结合实际情况进行合理配置。

4 结 论

本文以某25 MW生物质发电汽轮机为研究对象，以调节级效率为优化目标，分析了调节阀的喷嘴配置和阀门重叠度对调节级效率的影响，认为提升调节级实际运行效率应结合机组实际运行的情况，选择合适的喷嘴阀门配置和阀门重叠度。通过对比并分析某25 MW生物质发电汽轮机多个阀门喷嘴配置方案和阀门重叠度，得出以下主要结论：

1)调节级在阀门全开时，节流损失最小，效率最高，在各阀点的效率高于偏离阀点的效率。在阀门全开、进汽流量不变的情况下，采用不同的阀门喷嘴配置方案，会导致调节级效率变化。合理的阀门喷嘴面积比，可以有效提高整个调节级的效率。

2)生物质发电汽轮机运行条件独特，在保证最大进汽能力的前提下，需要结合生物质燃料的实际情况，考虑阀门喷嘴的配置，从而实现最佳的变工况运行性能。

3)阀门重叠度应结合实际运行区域合理设置，阀门开启不应过早，也不能滞后太多。同时还要注意，若只考虑效率，把调节级进汽流量设计在阀点，可能会导致阀门左右动作。通过设置合适的阀门重叠度，既可以保证调节级的效率，又可以使调节级流量略偏离阀点，这样也有利于改善实际运行时的阀门控制策略，进一步提升汽轮机效率。