大型汽轮机中压调节阀参调供热研究

刘晓燕，王文中，欧阳杰，卫栋梁，谢林贵

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000)

0 引言

能源成本上涨和环境保护要求不断提高，是大力发展高效、可靠热电联供系统和集中供热系统的重要促进因素。随着国家节能减排政策的推进，近几年来，热电联供大型汽轮机的需求较往年有增多的趋势，不同压力等级的工业抽汽需求也随之出现。其中4.0 MPa高参数等级的工业抽汽需求，可在设计时考虑采用中压调节阀参调供热的方案。

1 参调供热手段

可调整抽汽指通过汽机内部调节，满足抽汽参数的方式[1]，其抽汽参数在一定工况范围内不受机组电负荷的影响，抽汽参数基本为恒定值。目前已有投运业绩的供热调节手段见表1。

表1 目前已有业绩的调节手段

由表1可见，满足4.0 MPa等级工业抽汽的调节手段只有座缸阀，它在汽缸上所占的安装面积比旋转隔板大，而且要求汽缸的结构也较复杂[2]，所以座缸阀只适用于高中压分缸机组，因此，为摆脱此限制，需找到一种新的调节手段。

2 再热蒸汽参数

以东方汽轮机有限公司300 MW以上容量汽轮机为例，各容量等级汽轮机的再热冷段和热段蒸汽参数见表2。

表2 各容量等级汽轮机再热冷段和热段蒸汽参数

由表2可知：再热冷段和热段蒸汽参数的压力为3.1～5.0 MPa，满足4.0 MPa等级工业抽汽的需求，抽汽位置可根据热用户对蒸汽温度的要求而定；由于汽轮机容量等级和进汽参数不同，再热冷段蒸汽的温度范围为315～370 ℃，再热热段蒸汽的温度范围为537～600 ℃。

3 中压调节阀结构和流量特性

常规设计中，中压主汽阀和调节阀合并在一个公共的阀壳里，称为中压联合汽阀。本文以东方汽轮机有限公司超临界350 MW汽轮机(以下简称A项目)的中压调节阀为例进行研究。中压调节阀结构如图1所示，调节阀在某压比下的流量系数与H/D的关系曲线如图2所示(图中：H为阀门升程；D为阀门直径)。

表3 汽轮机负荷与阀门前、后蒸汽参数

由图2可知，中压调节阀虽然一般不参与负荷调节，但是阀门在较大的升程范围内是具备调节流量能力的，为中压调节阀参调供热提供了必备条件。

图1 中压调节阀结构示意

图2 流量系数与H/D的关系曲线

4 阀门参调供热

4.1 阀门参调数据

A项目中压调节阀压力为4.2 MPa、流量为200 t/h的工业抽汽由再热热段抽出，机组负荷与中压调节阀前、后蒸汽参数见表3。

由表3可知，通过调整中压调节阀开度可以保证热段蒸汽压力基本保持恒定，即保证工业抽汽压力的稳定和可靠。随着负荷的降低，中压调节阀的压损增大，阀门开度也随之减小。

4.2 阀门运行模式

东方汽轮机有限公司300 MW以上容量汽轮机一般配备2个中压调节阀，配汽方式为节流配汽，运行模式为单阀。以A项目汽轮机为例，其中压调节阀的阀门流量与升程关系曲线如图3所示。中压调节阀同高压调节阀一样，一个阀门配一个油动机，参考高压调节阀的顺序阀运行模式，中压调节阀采用顺序阀运行模式时的阀门流量与升程关系曲线如图4所示。由图中曲线可知，阀门通过相同流量时，顺序阀模式下的#1阀门开度明显比单阀模式下的大。

图3 阀门流量与升程关系曲线(单阀)

图4 阀门流量与升程关系曲线(顺序阀)

以A项目为例，在热段抽出200 t/h(4.2 MPa)工业抽汽的情况下，中压调节阀在不同运行模式下的特性数据见表4。

由表4可知，在312 MW负荷以下，阀门受到的蒸汽力较不参调供热时大，即阀杆强度和油动机选型需重新核算。经核算，阀杆需加粗处理，油动机需选用出力更大的型号，才能满足要求。

由表4还可知：在满足工业抽汽压力的情况下，负荷越低，阀门开度越小，阀门受到的蒸汽力越大；阀门在顺序阀模式下的开度较同负荷时单阀模式下的开度大，阀门蒸汽力小；在210 MW(60%额定负荷)负荷时，顺序阀模式下#1调节阀阀门开度比单阀模式大15.9百分点，受到的蒸汽力较单阀模式小32%。

表4 不同运行模式下中压调节阀特性数据

注：如该阀门不参调供热，经计算该阀门受到的最大蒸汽力约为127 400 N。

表6 不同流速下中压调节阀特性数据

因此，在负荷相同且满足工业抽汽的情况下，顺序阀运行模式较单阀模式下有以下优势：相应的阀门开度更大，利于阀门运行的稳定性；阀门受到的蒸汽力更小，便于阀杆设计和油动机选型。

4.3 阀门流速选择

管道流速决定管道的直径和阀门的口径，直接影响机组的经济性、管道压力损失、管道振动和噪声等[1]，所以阀门流速的选择至关重要。以A项目为例，分别计算了中压调节阀采用相同型线不同口径方案下的喉部流速(喉部流速指的是中压调节阀在最大进汽量时的喉部流速)，见表5。

表5 中压调节阀不同口径下的喉部流速

由表5可知，阀门直径越小，喉部流速越大。阀门喉部流速越大，阀门压损也随之增大。根据运行项目试验验证，阀门喉部流速由60 m/s增加到90 m/s，阀门压损增加约2%，影响汽轮机经济性约1.3‰。

经核算，在热段抽出200 t/h(4.2 MPa)工业抽汽情况下，中压调节阀在不同口径下采用顺序阀运行模式的特性数据见表6。

由表6可知，在相同负荷下，阀门直径越小，满足工业抽汽时对应的阀门开度就越大，阀门受到的蒸汽力就越小。

根据东方汽轮机有限公司已投运的中压调节阀参调供热机组运行经验，中压调节阀油动机选型与阀门蒸汽力不匹配时会出现打闸现象，影响汽轮机的安全可靠性，也影响对外供热的稳定性。因此为便于油动机选型，中压调节阀参调供热时阀门直径可适当往小的方向考虑，牺牲部分机组纯凝工况的经济性。

5 应用实例

东方汽轮机有限公司在2010年就有超临界600 MW机组采用中压调节阀参调供热汽轮机成功投运，额定抽汽压力为4.2 MPa，最大抽汽量为150 t/h，抽汽位置在再热热段，最低供热负荷率为60%。汽轮机负荷为500 MW、机组抽汽压力为4.19 MPa时的中压调节阀参调供热控制图如图5所示。中压调节阀供热模式下的阀门配汽曲线如图6所示。#2中压调节阀全关情况下，中压联合汽阀压损随#1中压调节阀开度变化曲线如图7所示。

图5 500 MW负荷时中压调节阀参调供热控制图

图6 供热模式下中压调节阀配汽曲线

图7 中压联合汽阀压损随 #1中压调节阀开度变化曲线

由图5、图6和图7可知，中压调节阀在供热模式下采用顺序阀运行模式，汽轮机功率为500 MW时，供热压力为4.09 MPa(表压)，中压调节阀流量指令为77.9%，#1阀门开度为71.8%，#2阀门开度为2.4%，对应的中压联合汽阀压损约为13.7%。在该项目上实施了中压调节阀参调供热，且投运至今已有7 a之久，运行状况良好,调节参数及调节范围完全满足用户要求。

6 结束语

中压调节阀参调供热时，方案设计中需综合考虑抽汽压力、抽汽量、最低供热负荷、阀门流速、阀门压损、经济性和油动机选型等各项参数进行合理匹配。中压调节阀具备调节性能，同时阀门设计和油动机均可满足供热要求，且采用该方案的汽轮机已成功投运，所以中压调节阀参与调节供热是可行的。

参考文献：

[1]周琳,谭锐,卫栋梁.东汽纯凝600 MW级火电机组供热改造探讨[J].东方电气评论，2012，26(102)：8-13.

[2]中国动力工程学会.火力发电设备技术手册:第2卷[M].北京:机械工业出版社，1998.