过载补汽阀在1000MW汽轮发电机组上的综合应用

钱海川 韩 岗 陈 梁

上海上电漕泾发电有限公司

0 引言

随着我国发电技术的进步和成熟，人们已把更多的目光投向清洁能源和新能源。传统火力发电正面临前所未有的严峻考验。现代超超临界大型火力发电机组在大容量、高参数的基础上继续挖掘机组潜能的空间难度将不断增加。为顺应清洁、高效、环保的发展趋势，许多火电机组纷纷进行了节能减排技术改造和控制策略改进以满足国家的新标准和新要求。电网为了保证发电机组的供电质量，对于火电机组AGC和一次调频的投入率、调节指标的考核较以往更加严格，推动电厂不断追求技术进步与革新。

上海上电漕泾发电有限公司（以下简称“漕泾电厂”）的汽轮发电机组采用上海汽轮机厂引进德国西门子公司技术设计制造的1 000MW机组，主蒸汽压力26．25MPa，主蒸汽温度600℃。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、凝汽式汽轮机。汽轮机的配汽型式为全周进汽加过载补汽阀方式，高压缸无调节级。汽轮机组蒸汽流程中设计两个高压主汽阀、两个高压调节阀、一个补汽阀、两个中压主汽阀和两个中压调节阀。

1 过载补汽阀的相关结构和工作原理

过载补汽阀结构与高、中压调门类似，为单阀座调阀，油动机上配置一个伺服阀和两个跳闸电磁阀。正常情况下，DEH的“转速-负荷控制器”向补汽阀的伺服阀发送指令信号，从而让油动机带动阀门克服弹簧作用力运动到指定开度；紧急情况下，ETS保护动作，补汽阀上的两个跳闸电磁阀同时失电，油动机快速泄油，释放弹簧实现快速关闭阀门。

补汽阀一般布置在高压缸下方，此设计可省略高温金属管道，使汽轮机结构更紧凑。补汽阀的汽源取自两侧高压主汽门与高压调门之间，一部分主蒸汽流经补汽阀进入高压外缸与内缸之间的封闭腔室内，该腔室通过高压内缸上的径向孔与高压缸通流部分相连。具体的连接位置取决于机组的进汽参数、热应力和对通流部分的影响等。漕泾电厂1 000MW汽轮机的过载补汽阀连接在高压缸第5级叶片后，根据等焓节流原理，主蒸汽进入该级处的温度约降低30℃，因此在高压缸内部的金属部件上不会产生很大的热应力。

2 过载补汽阀的不同用途

2.1 机组滑压运行时补汽阀参与一次调频

漕泾电厂所使用的汽轮机采用全周进汽方式，未设置调节级，高压通流部分第一级叶片和其它级叶片相同，其进汽压力及焓降与流量成正比，此类设计可提高汽轮机高压缸的总体内效率。机组正常运行时，为获得最佳的经济性，采用调门全开、全程滑压的运行方式。

具体做法：在主汽压力设定值上增加一定量的负偏置使调门全开，投入CTF（汽机跟随的负荷协调控制）方式使机组滑压运行（30%至100%负荷）。虽然维持滑压运行会使机组对于AGC指令的负荷响应速度大幅降低，但直流锅炉通过优化负荷调节回路及过载补汽阀、凝结水节流调节等手段，仍能参与电网一次调频。此外，滑压运行时，因主蒸汽温度不随负荷变化，采用纯压力级的高压缸内的温度场在变负荷时仍能保持相对稳定，显著改善了变负荷时高压转子的应力状况，使汽轮机能适应很高的负荷变化速率。

过载补汽阀参与一次调频的功能示意如图1所示。

图1 过载补汽阀参与一次调频功能示意图

根据转速偏差，经F1(x)和F2(x)两个分段函数计算出补汽阀的开度指令，相关参数见图2和图3。

当系统检测到电网频率偏低、汽轮机实际转速为2 998rpm时，F1(X)=0，F2(X)=-2，补汽阀全关；当实际转速降低至2 997．8rpm时，F1(X)=0．83rpm，F2(X)=0；随着实际转速的降低，补汽阀将逐渐开启；当实际转速降低至2 995．5rpm时，F1(X)=10，F2(X)=20，补汽阀的指令设定速率变化至20%。补汽阀开启可在短时间内增加提供超出额定流量的蒸汽（约占额定主蒸汽流量的5%～10%），增加机组出力（3%～5%），满足电网一次调频对加负荷的需求。

图2

图3

2.2 补汽阀辅助参与调压，减少旁路溢流次数

为进一步挖掘两台1000MW机组的潜力，提高机组的整体出力，对机组进行了供热改造。分别从补汽阀后、一级抽汽和冷再热管道预留接口三个部位引出部分蒸汽，经减温减压后向外提供高、中压两种参数蒸汽，接入邻近的化工区热网，实现热电联产。机组在高负荷运行同时进行供热，将升高锅炉侧的主蒸汽压力值。以机组负荷1000MW为例，主蒸汽流量2 930t/h，炉侧压力可达到28．1MPa，高压旁路阀（以下称高旁）溢流动作压力为28．7MPa，实际运行中负荷稍有波动就会造成高旁在运行中溢流开启。高旁开启时，这部分主蒸汽将不进汽轮机做功，直接通过管道被回收，影响了发电的经济性。与此同时，高压旁路频繁动作，会影响汽轮机和再热器等设备的使用寿命。为避免高压旁路在不必要的情况下溢流动作，需将这一功能转移至补汽阀，使过载补汽阀在主蒸汽压力接近上限时先于高压旁路开启，逻辑功能示意见图4。

图4 逻辑功能示意图

在CTF协调控制方式下，机组滑压运行，旁路的压力控制给定值P0（x）是根据锅炉BM指令x计算出的函数曲线。旁路的溢流动作值 P1（x）=P0(x)+0．6+1．，(公式中0．6MPa为锅炉出口至汽机调门前的压降修正值)，见图5。

图5

此时，只需使补汽阀溢流动作值满足公式：P2(X)=P1(X)-0．5,即可实现补汽阀的溢流功能。

为了验证逻辑修改的实际效果，对漕泾电厂1号机组进行了在线试验。机组负荷850MW，通过降低补汽阀溢流设定值，使其逐渐开启，至主蒸汽压力重新稳定。试验结果显示，高负荷时，过载补汽阀开启10%，可使主蒸汽压力降低约0．5MPa。见图6。

图6

机组后续的运行表明，使用过载补汽阀辅助参与主蒸汽压力调节可有效减少机组在滑压运行过程中因工况波动引起的旁路溢流次数。同时从安全角度考虑，将过载补汽阀溢流的阀限设置在15%开度，补汽阀溢流功能仅在旁路处于B模式（滑压运行控制）时生效。

2.3 补汽阀增加机组运行的经济效益

汽轮机采用全周进汽时，进汽压力与流量成正比，即机组在最大流量（VWO）工况运行时，进汽压力才能达到额定压力。上海漕泾电厂汽轮机VWO工况流量为2 955．6t/h，进汽压力为26．25MPa；额定工况（THA）流量为 2 730t/h，进汽压力为26．25MPa；两者流量之比为1．08，按夏季循环水温度33℃及2%补水率，最大流量仍留有8%的余量配置。

夏季是用电高峰期，由于循环水温度上升等原因，导致凝汽器真空下降，汽轮机热效率降低。相比秋、冬季，机组达到相同的负荷，锅炉提供的蒸发量较设计值有所增加，主蒸汽压力相应升高，此时，短期超压增加流量运行，虽然可充分利用蒸汽压力的潜力，获得较高的经济效益，但同时存在一定的风险。相对而言，过载补汽阀技术是一种更好的解决方案，在额定进汽压力下可增加5%～10%的主蒸汽流量，虽然损失了高压缸前几级蒸汽做功的热效率，可增加52MW出力，长期运行，可取得额外的经济效益。

3 过载补汽阀的不足之处

实际运行状况表明，过载补汽阀开度超过20%后，汽轮机高压缸前后轴承的绝对振动和相对振动明显增大。从补汽阀进汽方向和通流部分的结构分析，补汽进入汽轮机的方向垂直于汽缸内蒸汽流动方向，对高压缸内原有轴向流动的蒸汽造成较大扰动。此外，补汽进入通流部分的不规则封闭腔室后，随着流量增大会产生一定的涡流，对高压缸内蒸汽流动造成一定扰动。因此，国内不少电厂出于安全考虑，很少使用补汽阀。目前，汽轮机厂已针对该问题进行相关研究，并制定了对策和措施，在个别电厂进行技术改造。

4 结语与展望

补汽阀的存在，使汽轮机在高、中压调门全开的滑压运行方式下依然可以参与电网一次调频；夏季高负荷运行期间通过补汽阀可增加汽轮机进汽量，提高机组的经济效益。此外，补汽阀还能辅助参与主蒸汽压力调节，减少机组供热期间因工况变化而引起的旁路溢流动作次数。与此同时，补汽阀的设计尚存在一些缺陷，开启至一定开度易引起高压缸内汽流扰动，但在一定开度内仍然值得国内电厂尝试应用。随着汽轮机制造技术的不断进步，这方面的缺陷将逐步予于解决，过载补汽阀将能为汽轮机的安全、可靠、经济运行带来更多的益处。