雙調(diào)節(jié)級(jí)結(jié)構(gòu)在生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)上的應(yīng)用

摘要：生物質(zhì)發(fā)電附帶供熱逐漸成為發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)對(duì)某30 MW生物質(zhì)熱電聯(lián)供汽輪機(jī)采用單調(diào)節(jié)級(jí)和雙調(diào)節(jié)級(jí)的方案做了對(duì)比分析，結(jié)果表明，雙調(diào)節(jié)級(jí)結(jié)構(gòu)能夠有效提高機(jī)組在抽汽工況下的缸效及出力，進(jìn)而提升全廠經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì);熱電聯(lián)產(chǎn);雙調(diào)節(jié)級(jí);經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號(hào)：TK262 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2024）18-0053-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.18.013

0 引言

生物質(zhì)發(fā)電是國(guó)家積極推進(jìn)的綠色、清潔、低碳、可再生的能源利用方式，對(duì)于緩解我國(guó)能源短缺、提高清潔能源比重、改善農(nóng)村環(huán)境、增加農(nóng)民收入有著重要的意義。

根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局《關(guān)于印發(fā)促進(jìn)生物質(zhì)能供熱發(fā)展指導(dǎo)意見的通知》（發(fā)改能源〔2017〕2123號(hào)），到2020年，我國(guó)“生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)容量超過(guò)1 200萬(wàn)千瓦……生物質(zhì)能供熱合計(jì)折合供暖面積約10億平方米”[1]，到2035年，“生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)容量超過(guò)2 500萬(wàn)千瓦……生物質(zhì)能供熱合計(jì)折合供暖面積約20億平方米”[1]?；诖祟愓撸陙?lái)生物質(zhì)發(fā)電用汽輪機(jī)中30～40 MW的抽凝機(jī)占比較大。

目前生物質(zhì)發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)達(dá)到0.75元/（kW·h），遠(yuǎn)超燃煤發(fā)電，但是由于發(fā)電成本居高不下，實(shí)際利潤(rùn)并不高。若能有效提高熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)在純凝、抽汽等不同工況下的綜合發(fā)電效率，配合較高的上網(wǎng)電價(jià)，對(duì)生物質(zhì)電廠提升全廠收益將有明顯的幫助。以下以某30 MW生物質(zhì)發(fā)電抽凝式汽輪機(jī)為對(duì)象，分析雙調(diào)節(jié)級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)于該機(jī)型經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 原機(jī)組設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及效率分析

1.1 原機(jī)組結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)述

某30 MW抽凝機(jī)組，機(jī)組型號(hào)C30-8.83/1.27/535，最大進(jìn)汽量130 t/h，額定抽汽量35 t/h，最大抽汽量60 t/h，其通流圖如圖1所示。

由圖1可見，該機(jī)組為典型的單缸抽凝機(jī)組，通流包括高壓調(diào)節(jié)級(jí)、高壓段通流、抽汽調(diào)節(jié)閥、低壓段通流，抽汽調(diào)節(jié)閥后第1級(jí)靜葉為不分組全周進(jìn)汽結(jié)構(gòu)，機(jī)組通過(guò)抽調(diào)閥節(jié)流憋壓實(shí)現(xiàn)1.27 MPa.a定壓供熱。

1.2 原機(jī)組效率分析

根據(jù)供熱負(fù)荷的不同，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組主要存在額定抽汽、最大抽汽、額定純凝等特征工況，原機(jī)組設(shè)計(jì)條件下主要特征工況指標(biāo)如表1所示。

由表1可見，該機(jī)組在額定純凝工況及額定抽汽工況下缸效率均超過(guò)85.5%，在最大抽汽工況下缸效率也有81.25%，對(duì)于30 MW的小功率抽凝機(jī)而言，整體經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)已屬于不錯(cuò)的水平。為進(jìn)一步分析該機(jī)組是否存在優(yōu)化的空間，特繪制了三個(gè)特征工況的膨脹過(guò)程線進(jìn)行輔助分析，如圖2所示。

根據(jù)汽輪機(jī)膨脹做功原理，膨脹過(guò)程線向右傾斜越多，則最終排汽焓越大，機(jī)組效率越低。觀察上述三個(gè)特征工況的膨脹過(guò)程線可知：額定純凝工況膨脹過(guò)程線較光順，僅在抽調(diào)閥的位置出現(xiàn)輕微節(jié)流，另外在排汽段由于排汽量較大，排汽流速略高，使膨脹過(guò)程線輕微向右傾斜;而額定抽汽工況和最大抽汽工況膨脹過(guò)程線則極不光順，均在工業(yè)抽汽的位置出現(xiàn)了較大的節(jié)流效應(yīng)，使膨脹過(guò)程線大幅度向右平移，嚴(yán)重影響了機(jī)組效率。

2 采用雙調(diào)節(jié)級(jí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

由于各個(gè)工況工業(yè)抽汽流量的不同，流過(guò)抽汽調(diào)節(jié)閥的流量也不一樣。在上述三個(gè)特征工況下，流過(guò)抽調(diào)閥的流量分別為96、72、44 t/h。也正是由于流過(guò)抽調(diào)閥流量的減少，抽調(diào)閥節(jié)流損失逐步增大。

針對(duì)抽調(diào)閥節(jié)流損失較大的情況，最有效的手段是在閥后設(shè)置調(diào)節(jié)級(jí)[2]，并根據(jù)閥門不同工況下流過(guò)的流量來(lái)調(diào)整閥位和噴嘴分組方式，以求將節(jié)流損失降到最低。為此，需將原抽調(diào)閥后通流第1級(jí)變更為低壓調(diào)節(jié)級(jí)，將其靜葉分為3組，且通流能力分別對(duì)應(yīng)三個(gè)特征工況。噴嘴分組結(jié)果如表2所示，分組示意圖如圖3所示，流量特性如圖4所示。

以1.27 MPa.a的壓力計(jì)算，僅第1組噴嘴開啟時(shí)，低壓調(diào)節(jié)級(jí)的通流能力為45.1 t/h，對(duì)應(yīng)最大抽汽工況;第1、2組噴嘴開啟時(shí)，通流能力為74.1 t/h，對(duì)應(yīng)額定抽汽工況;全部3組噴嘴全開時(shí)，通流能力為89.6 t/h，純凝額定工況自然升壓至1.37 MPa.a后，通流能力為96.6 t/h，滿足通流要求。

此外，由于調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)靜葉片較原先的壓力級(jí)葉片而言，承受的壓差增大、變工況條件變惡劣，需對(duì)其結(jié)構(gòu)做加強(qiáng)處理。具體手段包括：增加葉片軸向?qū)挾?、更換強(qiáng)壯的縱樹形葉根、外圍帶增加阻尼條等，以提升低壓調(diào)節(jié)級(jí)在強(qiáng)度及頻率響應(yīng)方面的性能。加強(qiáng)前后的對(duì)比結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2 優(yōu)化后經(jīng)濟(jì)性分析

在原機(jī)組基礎(chǔ)上，將低壓首級(jí)優(yōu)化為低壓調(diào)節(jié)級(jí)后，機(jī)組主要特征工況指標(biāo)如表3所示。

由表3可見，由于優(yōu)化后低壓首級(jí)部分進(jìn)汽度變小、葉型變寬，級(jí)效率略有下降，造成額定純凝工況缸效率降低0.18個(gè)百分點(diǎn)，出力減少72 kW;但由于消除了節(jié)流效應(yīng)，額定抽汽工況缸效率上升1.17個(gè)百分點(diǎn)，出力增加325 kW;最大抽汽工況缸效率上升3.28個(gè)百分點(diǎn)，出力增加559 kW，整體經(jīng)濟(jì)性提升顯著。優(yōu)化前后抽汽工況的膨脹過(guò)程線如圖6所示。

由圖6可見，在可調(diào)抽汽位置，原方案膨脹線為水平向右平移，雙調(diào)節(jié)級(jí)方案為向右下方膨脹，明顯消除了節(jié)流效應(yīng)，使得膨脹線最終排汽點(diǎn)均落在比原方案更低的位置，即降低了機(jī)組最終排汽焓，機(jī)組效率得到提升。

2.3 全廠收益分析

由于生物質(zhì)發(fā)電廠的燃料量和總熱量是一定的，且雙調(diào)節(jié)級(jí)結(jié)構(gòu)并未改變工程建設(shè)、運(yùn)營(yíng)等費(fèi)用，因此全廠收益即采用雙調(diào)節(jié)級(jí)后汽輪機(jī)所多發(fā)出的電量。

根據(jù)工程規(guī)劃，在達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能后，汽輪機(jī)50%的時(shí)間處于額定抽汽工況運(yùn)行，20%的時(shí)間處于最大抽汽工況運(yùn)行，10%的時(shí)間處于額定純凝工況運(yùn)行，20%的時(shí)間處于其他工況運(yùn)行。以年運(yùn)行7 000 h、0.75元/（kW·h）計(jì)算，采用雙調(diào)節(jié)級(jí)后，三個(gè)主要特征工況年發(fā)電量增加約1.87×106 kW·h，年發(fā)電收益增加約140萬(wàn)元;以年凈利潤(rùn)3 000萬(wàn)元計(jì)算[3]，年凈利潤(rùn)增加約4.67%，經(jīng)濟(jì)性提升帶來(lái)的收益明顯。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某30 MW生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)采用單調(diào)節(jié)級(jí)和雙調(diào)節(jié)級(jí)的計(jì)算分析可得：

1）采用雙調(diào)節(jié)級(jí)后，由于低壓首級(jí)級(jí)效率降低，整缸效率降低0.18個(gè)百分點(diǎn)。

2）采用雙調(diào)節(jié)級(jí)后，由于消除了抽汽節(jié)流損失，額定抽汽工況和最大抽汽工況缸效率分別上升1.17個(gè)百分點(diǎn)和3.28個(gè)百分點(diǎn)。

3）基于全年運(yùn)行情況綜合考慮，全廠年利潤(rùn)增加約4.67%。

綜上可見，對(duì)于生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)而言，采用雙調(diào)節(jié)級(jí)結(jié)構(gòu)可以有效提高機(jī)組綜合發(fā)電效率，對(duì)提升燃料利用率、增加發(fā)電收益是一種較好的補(bǔ)充手段。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 國(guó)家發(fā)展改革委，國(guó)家能源局.關(guān)于印發(fā)促進(jìn)生物質(zhì)能供熱發(fā)展指導(dǎo)意見的通知：發(fā)改能源〔2017〕2123號(hào)[A].

[2] 張小波，宋萍，張文祥，等.一種中壓調(diào)節(jié)閥調(diào)整抽汽方式的探討[J].東方汽輪機(jī)，2019（1）：14-18.

[3] 魏延軍，秦德帥，常永平.30 MW生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目及其效益分析[J].節(jié)能技術(shù)，2012，30（3）：278-281.

收稿日期：2024-05-15

作者簡(jiǎn)介：洪安堯（1984—），男，陜西紫陽(yáng)人，高級(jí)工程師，從事汽輪機(jī)設(shè)計(jì)和新能源發(fā)電相關(guān)工作。