背压机部分负荷时不同运行方式的经济性分析

魏 志

(上海汽轮机厂有限公司，上海 200240)

热电联产机组充分发挥能源梯级利用的原理，兼顾供电和发热，能够节约能源，改善环境，是公认的能够提高能源利用效率、保护环境的重要手段。背压式汽轮机既能够满足发电要求，又能够对厂区或其他园区进行供汽或供热。随着化工、造纸等行业的发展及城市供暖需求的增加，背压式汽轮机现已成为工业园区内常见的配套热源配置。

背压式汽轮机一般采取以热定电的运行方式。当热负荷小于机组额定供热量时，背压机处于部分负荷工况，机组的各参数会偏离设计值，这会影响机组的效率，造成机组经济性降低。随着负荷的进一步降低，经济性会出现较大幅度的下降。因此分析不同运行方式下部分负荷的性能是至关重要的。本文将比较和研究有调节级背压机和无调节级背压机在不同运行方式下部分负荷的经济性，目的是通过调整运行方式，尽可能降低部分负荷时汽轮机的性能损失，尽量减少与额定工况时的性能差异，进而在实际运行中给出合理建议。

1 运行方式介绍

在部分负荷工况下，汽轮机的运行方式有定参数运行和滑参数运行[1]，对应节流配汽(节流调节)和喷嘴配汽(喷嘴调节)2种配汽方式。

采用节流调节的汽轮机，汽轮机的多个调节阀同步动作，进入汽轮机的蒸汽受到调节阀的节流作用，压力降低。喷嘴调节通过多个调节阀(带有部分重叠度)依次开启或关闭来改变进汽度，背压机的调节阀数量通常是2个或4个，任何负荷下都有1个调节阀处于部分开启状态，存在节流损失[2]。

1.1 定参数运行方式

定参数运行，也称为定压运行，是指汽轮机进口蒸汽参数保持不变，即主蒸汽压力保持额定压力，通过汽轮机进口蒸汽流量的增减来实现负荷的升降。配汽方式可选择节流配汽或喷嘴配汽。

1.2 滑参数运行方式

滑参数运行，也称为滑压运行，是指通过汽轮机进口蒸汽参数的改变来实现负荷的变化。运行时，各调节阀保持开度不变，蒸汽参数的变化由锅炉和整个热力系统根据负荷要求协调控制，锅炉出口蒸汽温度保持不变。具体包括下面3种方式：

1)全滑压运行方式。其调节阀全开，依据锅炉出口蒸汽压力调节负荷。由于锅炉的运行调节存在热惯性，因此负荷调节存在滞后现象。

调门全开时无节流损失，因此该运行方式适用于无调节级机组，这样可以避免由调节级带来的振动和强度问题，简化了汽轮机的设计和制造[2]。文献[3]中对全开所有调节阀和全开部分调节阀2种滑压运行方式进行了比较，认为研究滑压运行方式的经济性需要对具体机组进行分析。本文中论述的全滑压方式指全开所有调节阀的情况。

2)节流滑压运行方式。该方式适用于无调节级机组，汽轮机全周进汽，运行中把调节阀预先关小到一定开度后进行滑压运行，调节阀随着负荷的升降而调整开度，因此存在节流损失，但无调节滞后现象。

3)复合滑压运行方式。该方式为滑压和定压相结合的运行方式，采用喷嘴配汽，在高负荷下进行定压运行，在较低负荷下进行滑压运行，在更低负荷下进行定压运行，简称“定-滑-定”方式。该方式广泛应用于300 MW以上的机组中。

2 不同运行方式对机组性能的影响

背压机在部分负荷工况下采用不同的运行方式，不仅会导致汽轮机通流内部各级蒸汽参数不同，而且如有回热抽汽，还会导致各抽汽参数的不同，并且会引起辅机系统，例如给水泵、轴封冷却器的运行工况不同。相应地，背压机的进汽节流损失、相对内效率、汽耗、水泵耗功等也会不同，从而对机组性能指标和热经济性产生不同影响。

在有稳定热负荷的情况下，背压机采用取消调节级、全周进汽的方案，汽轮机受热均匀，可以减小热变形及热应力，而且全周进汽使蒸汽对转子的径向作用力相互平衡，这提高了机组运行的可靠性和对负荷变化的适应性[1]。以下分析将针对有调节级和无调节级的2种背压机分别进行比较。假设背压机在不同运行方式下的额定温度、额定压力、排汽压力等均相同，无回热系统。

2.1 对进汽节流损失的影响

对于有调节级的背压机，选择的运行方式有定压喷嘴运行调节、定压单阀节流运行调节和全滑压运行调节。有调节级机组的相对负荷与节流损失关系曲线如图1所示。

图1 相对负荷与节流损失关系曲线(有调节级)

由图1可知：

1)全滑压运行时调节阀全开，节流损失为零，在20%～100%负荷范围内，定压单阀节流运行的节流损失均处于最高水平，定压喷嘴运行次之；

2)定压运行时随着负荷降低，节流损失基本呈线性增长。

对于无调节级的背压机，可选择的运行方式有定压节流运行调节和全滑压运行调节。其相对负荷与节流损失关系曲线如图2所示。由图2可知，节流损失规律同上。

图2 相对负荷与节流损失关系曲线(无调节级)

调节级效率曲线如图3所示。在部分负荷工况下，调节级效率明显下降。调节阀全开时，节流损失最小，调节级效率最高。

图3 调节级效率曲线

2.2 对排汽温度的影响

机组实际运行时负荷不能过低，否则会使排汽流量过小，导致汽轮机出现鼓风发热和排汽温度偏高的现象，这会使隔板、转子、汽缸等产生较大的热应力，影响汽轮机安全运行。有调节级和无调节级机组的相对负荷与排汽温度关系曲线如图4、图5所示。

图4 相对负荷与排汽温度关系曲线(有调节级)

图5 相对负荷与排汽温度关系曲线(无调节级)

由图4和图5可知：

1)对于有调节级的背压机，定压喷嘴方式下排汽温度最低，滑压运行下排汽温度最高，且随着负荷的降低，温度差值越来越大。因此如采用滑压运行，将对材料的选取和强度的核算提出更高的要求，且在设计过程需设计更多的温度余量。

2)对于无调节级背压机，2种运行方式的温差相对较小，其他规律同上。

2.3 对相对内效率的影响

有调节级和无调节级机组的相对负荷与相对内效率关系曲线如图6、图7所示。

图6 相对负荷与相对内效率关系曲线(有调节级)

图7 相对负荷与相对内效率关系曲线(无调节级)

由图6和图7可知：

1)对于有调节级的背压机，滑压运行时相对内效率高于定压运行，原因在于滑压运行时在50%～100%负荷下主蒸汽容积流量变化较小，相差不到10%。而定压下2种方式主蒸汽容积流量均出现了明显的降低。

2)采用定压喷嘴方式，随着负荷的变化，调节阀的开启数量同步变化，负荷越低，开启数量越少，部分进汽损失越大，效率低于滑压运行方式。

3)定压单阀节流方式下，由于节流损失较大，部分负荷下效率也低于滑压运行方式。在20%～100%负荷变化范围内，定压喷嘴方式下的效率一直高于定压单阀节流方式。

4)对于无调节级背压机，规律同上。

2.4 对汽耗的影响

对于背压机，常用的考核经济性的评价指标是汽耗，图8和图9为不同配汽方式下不同负荷与汽耗的关系曲线。

图8 相对负荷与汽耗关系曲线(有调节级)

图9 相对负荷与汽耗关系曲线(无调节级)

由图8和9可知：

1)对于有调节级的背压机，定压喷嘴运行调节下的汽耗值明显低于其他2种方式，随着负荷的降低，优势更明显。

2)对于有调节级和无调节级的机组，定压节流运行调节和全滑压运行下的汽耗指标相差不大，全滑压运行虽然有节流损失小和相对内效率较高2个优点，但是由于机组的理想比焓降较低，在出力相同的情况下，需要的进汽流量更多，因此汽耗较高。

3 不同运行方式对其他参数的影响

3.1 对给水泵耗功的影响

滑压运行时，随着负荷降低，给水泵耗功随着出口压力的降低而减少。对于超临界压力以下的机组，随着负荷降低，当给水泵耗功减少量大于滑压运行损失时，采用滑压运行具有效益优势，因此这种机组通常采用先定压后滑压的运行方式[4]。

3.2 对主蒸汽温度的影响

对于定压运行的锅炉,当负荷降低，蒸汽流量减少，受限于锅炉燃烧情况及结构，大多数定压运行锅炉出口蒸汽温度较难稳定维持在额定参数，随着负荷降低到一定值，蒸汽温度会下降。而滑压运行锅炉出口的蒸汽容积流量变化较小，因此随着负荷降低，滑压运行锅炉出口蒸汽温度可基本维持在额定参数。

3.3 对调节级后温度的影响

针对有调节级的背压机，从机组安全运行角度出发，定压运行时由于调节级后温度会随着负荷的降低而出现大幅度降低，因此，在运行过程中需要限制变负荷率，以避免负荷变化过于剧烈导致产生较大的热应力和热变形[5]。

滑压运行时调节级级后温度随着负荷的降低而略有增加，这对机组安全运行更有利。在整个调节过程中，由于喷嘴的全周进汽，节流调节方式有利于降低调节级叶片的载荷，也有利于启动时对汽轮机的均匀加热。

3.4 对调节阀的影响

在定压运行方式下，随着负荷越来越低，进口容积流量也会越来越小，此时就可能需要将较大的调节阀调整到非常小的开度，出现“大阀门小开度”和“控不住、控不稳”的控制难题，建议采用压力等级高且元件精密程度较高的高压油系统，并需要综合考虑调节阀的口径和数量。

喷嘴调节方式会涉及阀门的开启次序，即哪个阀门先开，哪个阀门后开的问题。部分进汽方式改变了轴承受力的方向及轴承的承载负荷，易使轴系失稳，引起轴承温度升高或振动加大。

4 结 论

本文通过对有调节级和无调节级背压式汽轮机的研究，比较了不同运行方式对机组性能的影响，重点分析了其对进汽节流损失、排汽温度、相对内效率和汽耗的影响，得到如下结论：

1)汽轮机在部分负荷运行时采用不同的运行方式，将直接影响汽轮机运行的经济性。

2)从汽耗角度，对于有调节级背压机，优选运行方式为定压喷嘴运行方式；针对无调节级背压机，在较高的负荷工况下，机组采用定压节流和滑压运行2种方式，汽耗相差不大，均可采用。

3)在背压机实际运行中，针对现场运行的不同要求，在部分负荷时是否有必要切换其他运行方式，即采用复合滑压运行方式，需综合考虑机组的结构形式、锅炉的结构形式、辅机配置和主蒸汽参数等因素，结合变工况理论和现场性能试验结果来决定，由此得出经济性更高的运行方式和合理的切换建议。