1、全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 汽机106论汽轮机主汽调门运行方式对机组性能的影响李艳超（华能玉环电厂 浙江省 台州市 317604）【摘 要】针对浙江台州华能玉环电厂 1000MW 机组正常运行时主汽调门处于 35左右开度的问题，分析了主汽调门不能全开的原因，以及此种现像对机组经济性和安全性的一些影响。主汽调门在机组正常运行时不能处于全开位置的原因是机组逻辑中设定的主汽压力曲线与汽轮机实际性能不相匹配。文章阐述了汽轮机调门在机组稳定在某一负荷正常运行的工况下处于 35左右开度对机组所产生的不良影响，以及对汽轮机主汽调门运行方式的改进意见，供已投运的存在类似问题的机组和
2、拟建机组做改进和设计参考。【关键词】超超临界 补汽阀 经济性 安全性 曲线拟核 高调门0 引言华能玉环电厂工程是国家“863 计划”中引进超超临界机组技术，实现国产化依托工程的国家重点建设工程，计划总装机容量为 61000MW，二期工程第 4 台机组已经于 2007 年 11 月末成功完成 168h 试运，这标志着玉环电厂两期 4 台机组已经全部正式投入商业运行。自 2007 年 12 月 4 台机组投产以来，各台机组都出现同样问题：即当机组处于 CCS 方式正常运行时，高压调门开度基本处于 30%左右，此时高压调门的节流特性很明显，将产生一定的熵增，降低了机组的效率。同时，主汽调节阀门若长期
3、处于小开度工作，将会影响阀门的使用寿命。以玉环电厂 4 号机组为例，本文分析了机组正常运行时高压调门处于小开度的原因，提出了对机组的改进意见，并探讨了发电机组逻辑曲线拟核应注意的问题。1 汽轮机高压调门运行方式玉环电厂汽轮机是上海汽轮机有限公司引进德国西门子技术生产的 1000MW 超超临界汽轮发电机组，型号为 N1000-26.25/600/600（TC4F） ，汽轮机型式是超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、凝汽式、采用八级回热抽汽。汽轮机设计 1 个高压缸，1 个中压缸，2 个低压缸，2 个高压调门，2 个中压调门，1 个补汽阀，采用全周进汽方式，即传统的节流配汽方式。与喷
4、嘴配汽方式相比，对机械结构要求比较简单，制造成本低，定压运行流量变化时各级温度变化小，对负荷变化适应性好。但其缺点是在机组定压运行时节流损失较大，机组效率较低。本机组采用了补汽阀技术，是在 TMCR 工况开始从主汽门后、主汽调门前引出一定量的新蒸汽，经补汽阀进入高压缸第四、五级动叶后的空间与主汽流混合膨胀做功，这种技术提高了汽轮机的过载和调频能力，提高了全周进汽机型的安全可靠性、经济性。目前，机组正常运行时汽轮机中压调门一般均处于全开位置，高压调门一般处于 3035的开度，尤其是当机组负荷稳定在某一固定负荷且一次调频没有动作时，此种现象更加明显。这里需要补充说明的是当机组负荷稳定于 950MW
5、 及以上的某一固定负荷时，高压调门基本会处于全开位置。而事实上，机组至投产以来常在低于 950MW 的负荷区间运行，所以高压调门常处于3035开度区域工作。全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 汽机1072 高压调门小开度运行方式对机组性能的影响2.1 对机组经济性带来的影响根据汽轮机高压调门特性曲线以及操作经验可知：当高压调门开度处于 3035时，其节流现象相当严重。以此调门周界取一个数学研究模型：假设在此调门前后分别各存在一个与主蒸汽管道垂直的截面 1 和 2，那么由热力学第一定律应用于开口热力系稳定流动时推导出来的稳流能量方程（1）适用此模型：(1)swzgVhq122
6、112式中， 为单位质量的工质在通过由调门前截面 1 和调门后截面 2 所包围的空间时与外界进行的热q量交换值，J/kg； 为单位质量的工质在通过由调门前截面 1 和调门后截面 2 所包围的空间时对sw外界的做功值，J/kg； 为调门前截面 1 处蒸汽的平均流速，m/s； 为调门后截面 2 处蒸汽1VV的平均流速，m/s； 为调门前截面 1 处蒸汽的比焓值，J/kg； 为调门后截面 2 处蒸汽的比焓h 2h值，J/kg； 为调门前截面 1 处蒸汽的水平位置，m； 为调门后截面 2 处蒸汽的水平位置，1z zm。对此数学模型还存在以下条件：a.工质流速较大，流经调门时间较短，与外界来不及换热，可
7、近似当作绝热流动；b.工质在调门前后高度变化很小；c.流经调门时，蒸汽不对外做功，故对于此数学模型（1）式可简化为（2）式：(2) 常 数 221Vh一般情况下，此数学模型中截面 1 和截面 2 处的流速变化不大（ ） ，而1V2极小，可忽略不计，故由（）式可得（3）式：212V(3) 常 数 21h由工程热力学又可知熵的微增量计算式如下：(4)Tvdps由（3）式可得 ，则有：0dh(5) 从而可得： 全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 汽机108(6) 2121pdTvs可见 与 具有相反的符号，而实际上工质流经调门时总会产生摩阻，其熵一定增加，因而由以上ds的推导可以
8、得出：蒸汽流经调门后的压力一定降低。在一定压力下，气体绝热节流时温度不变的那个气体温度 称为转回温度。一般情况下，对于it一个压力有两个转回温度，各个压力下的转回温度在坐标中为一连续曲线，称为转回曲线。曲线以外各点，气体节流后温度升高；曲线以内各点，气体节流后温度降低。机组的主蒸汽压力为26.25MPa，主蒸汽温度为 600，远远低于水蒸气的转回温度 ，显而易见，主蒸汽经40it调门节流后的温度是降低的。由以上论证可以得出：当汽轮机调门处于一个节流特性比较明显的开度时，工质流经调门后的压力和温度都会有所降低。而就目前来看，我们的机组大部分时间都是处于高调门位于 35左右开度稳定运行，这也就是说
9、我们的机组在正常运行时，高调门在一定程度上降低了蒸汽的做功能力，致使工质能量贬值，产生了一定的热损失，降低了机组的效率，增加了机组的煤耗。2.2 对机组安全性带来的影响在调门节流蒸汽的同时，高温、高压、高速的蒸汽也在冲刷着调门，高压调门密封面的宽度还不到 1cm，很可能会磨损高压调门的密封面，降低调门的严密性，进而影响机组的安全性。另外，金属产生应力疲劳，进而降低调门的使用寿命，甚至有可能改变调门的工作特性曲线。同时，主调阀通过进汽插管和高压缸相连，蒸汽与调门之间相互作用所产生的激振力，也可能导致机组某些局部部件的振动增大，造成隐患，降低机组的使用寿命。3 高压调门小开度运行方式原因分析经过对
10、机组控制方式的了解和研究，可以确定造成此种现象最主要的、最根本的原因在于机组逻辑中拟核的负荷压力曲线与汽轮机的实际性能有所偏差，即理论计算设计的数据与机组实际的性能没有完全吻合。锅炉输入指令 BID 是衡量机组能量的一个最根本的参数。在 CCS 方式下，BID 指令的调节目标是将机组的负荷稳定在目标负荷，并且将机组的主汽压力稳定在目标负荷对应的主汽压力(目标负荷-主汽压力曲线已经在 DCS 逻辑中设定好了)，即 BID 指令的调节最终是要实现负荷和主汽压这两个参数的静态无偏差调节。问题是 DCS 逻辑中设定的目标负荷主汽压力曲线不能很好地与汽轮机的实际负荷主汽压曲线相重合，即当机组处于某一个主
11、汽压稳定运行时，假设汽轮机调门全开，这时机组的实际出力是要偏大于主汽压在逻辑中对应的负荷。而在 CCS 方式下,BID 又要通过 PID 控制器最终将机组的负荷和主汽压稳定在逻辑中设定曲线上的一点，这就迫使汽轮机的高调门必须要参与到其中的调节中来，用来平衡对应于某个主汽压下的 BID 输入的多余能量，用下式可以简单地说明这个关系，即在机组处于 CCS 方式正常运行时全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 汽机109BID 输入能量机组实际输出高调门损失能量机组其他损失典型工况参数对照见表 1。表 1 中的 5 组平时收集的数据是强制机组处于调门全开、补汽阀全关工况稳定运行的参数
12、，与相应主汽压下逻辑中设定的目标负荷比较，可以更直观地说明高压调门常处于小开度运行的原因。表 1 典型工况参数对照工况 数据 调门全开时的主汽压 p1/MPa当时机组的实际负荷 P1/MW逻辑曲线中主汽压对应的负荷 P2/MW逻辑曲线中对应实际负荷下的设定压力 p2/MPa第 1 组 21.05 797 727.2 23.148第 2 组 21.37 813 737.8 23.632第 3 组 21.48 819 741.4 23.818第 4 组 23.31 890 802.3 25.957第 5 组 24.04 910 826.5 26.250以第 1 组数据为例：首先，切除机组 CCS
13、控制方式，强制将主汽调门置全开位置，补汽阀置全关位置，当主蒸汽压力 p1 为 21.05MPa 时，此工况下机组的实际负荷 P1 可以达到 797MW。而在 CCS方式下，同样的主汽压力 p1 在逻辑中对应的机组负荷 P2 为 727.2 MW，也就是说在 CCS 方式下机组的控制最终既要维持主汽压在 21.05MPa，同时又要保证机组的实际出力在 727.2 MW，这就迫使高压调门必须要参与到整个热力循环的调节中来,通过调门节流后降低蒸汽的做功能力，从而抵消掉锅炉输入的多余功率，将机组的主汽压力和功率稳定在逻辑曲线上的一点，从而实现机组的 CCS控制。由此可见，此机组 CCS 方式下逻辑中的
14、主蒸汽压力负荷曲线是不合理的，每个压力点对应的负荷值都偏低，造成高调门必然要参与到其中的调节，进而不能全开。以上四个参数的关系类同，可以反复参照对比，能够充分说明造成这种现象的原因。4 解决办法及效益评价4.1 解决办法重新拟核机组逻辑中的负荷压力曲线，要保证拟核的曲线跟设备实际的性能尽量相一致，适当调整机组控制逻辑参数，改进汽轮机组高压调门控制方式，使高压调门在机组稳定在某一固定负荷运行且一次调频没有动作时处于全开位置，补汽阀处于全关位置。具体拟核方案如下：在机组处于 BI（机跟踪）运行方式下，在 DEH 侧切为就地压力控制，将补汽阀阀限设为 0，高压调门阀限设定为 105，逐渐缓慢手动减小
15、压力设定值，高调门为了维持压力设定值就会缓慢开启，一直减小压力设定值直至高调门全开，并保持此状态，机组其他辅助系统和设备，例如高、低压加热器，真空系统等按照 CCS 方式正常投用，然后在 DCS 侧通过调整BID 指令使机组负荷分别稳定在 450、650、800、900MW，记录对应各个负荷下的主汽压力，然后通过函数拟核出新的机组负荷压力曲线，只要能够最大程度地符合汽轮机组的实际性能，这样的关系曲线就是最理想的，这样机组高压调门的控制方式就会得以根本改善，使其在机组正常稳定运行时基本处于全开状态，主要由 BID 指令来控制机组的负荷，此时，并不影响机组 CCS 运行方式的功能特性。改进后的理想
16、化的汽轮机高压调门控制方式是当机组稳定在某一负荷，并且一次调频没有动作时，高压调门处于全开状态，补汽阀处于全关状态，最小程度的减小对工质的节流。4.2 问题解决后所带来的效益全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 汽机110问题解决后可以提高机组效率，降低机组煤耗；延长调门使用寿命；减小机组振动，延长机组寿命。同时，机组煤耗的降低减少了对环境的污染，还可能会减小汽轮机房运转层噪音分贝等级。5 结论（）目前玉环电厂汽轮机高压调门采用全周进汽方式，此种配汽方式虽然可以降低汽轮机的制造成本，使负荷变化时汽轮机各部分金属产生的热应力减小，但从实际运行情况来看，此种配汽方式的不足是对工质
17、造成了较大的节流，降低了工质的做功能力，进而影响了机组的热效率，增大了机组的煤耗，同时也对机组的安全性造成了一定不良影响。（）造成上述调门不能全开现象的最主要的原因就是机组 DCS 逻辑中的主汽压力机组功率曲线与机组的实际性能匹配不好，造成机组正常运行时高调门大部分时间处于节流特性较显著的区域工作，不但对机组的经济性造成了一定影响，而且也给机组的安全性带来了一定隐患。（）采用本文提出的改造方案后，机组正常运行时，高压调门大部分时间基本会处于全开状态，补汽阀处于全关状态，这样高调门对工质的节流就会降到最低程度，提高了机组的经济性，同时仍然保留了机组能够对负荷快速响应的优点，而且也能够彻底消除原高
18、调门运行方式给机组带来的安全隐患。（）高压调门在上述理想控制方式时，机组的 CCS 控制方式和一次调频功能可由补汽阀来实现：当机组在 CCS 方式下，负荷发生变化或一次调频动作要求增加负荷时，由开补汽阀来实现负荷的快速随动性；要求负荷减小时，由关高压调门来实现负荷的快速随动性，机组的 CCS 功能特性并未受到影响。具体怎样才能够完全满足电网对机组的全部要求以及机组其他部分相关逻辑的改动还有待进一步研究。参考文献：1 庞麓鸣，汪孟乐，冯海仙.工程热力学（第二版） M.北京：高等教育出版社，1986.PANG Lu-ming,WANG Meng-yue,FENG Hai-xian.Engineer
19、ing thermodynamics(2th edition)M.Beijing:Higher Education Press,1986.2 沈士一，庄贺庆，康松，庞立云.汽轮机原理M.北京：中国电力出版社，1992.SHEN Shi-yi，ZHUANG Qing-he,KANG Song,PANG Li-yun.Steam turbine principleM.Beijing:China Electric Power Press,1992.作者简介：李艳超，男，1981 年 8 月出生，汉族，辽宁沈阳人，学士学位，助理工程师职称，主要从事火力发电集控运行工作，以及如何提高火力发电的经济性和安全性的研究。手机号码：13656567187电子邮件地址：通信地址：浙江省台州市玉环县大麦屿开发区 华能玉环电厂 运行部邮编：317604
