雙調(diào)節(jié)級結(jié)構(gòu)在生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機上的應(yīng)用

0引言

生物質(zhì)發(fā)電是國家積極推進的綠色、清潔、低碳、可再生的能源利用方式,對于緩解我國能源短缺、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)國家發(fā)展改革委、國家能源局《關(guān)于印發(fā)促進生物質(zhì)能供熱發(fā)展指導意見的通知》(發(fā)改能源(2017〕2123號),到2020年,我國“生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)裝機容量超過1 200萬千瓦……生物質(zhì)能供熱合計折合供暖面積約10億平方米”^[1] ,到2035年,“生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)裝機容量超過2 500萬千瓦……生物質(zhì)能供熱合計折合供暖面積約20億平方米”[1]?；诖祟愓?近年來生物質(zhì)發(fā)電用汽輪機中30~40 MW的抽凝機占比較大。

目前生物質(zhì)發(fā)電標桿上網(wǎng) 電價達到0.75元/(kW?h),遠超燃煤發(fā)電,但是由于發(fā)電成本居高不下,實際利潤并不高。若能有效提高熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機在純凝、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,對生物質(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)電抽凝式汽輪機為對象,分析雙調(diào)節(jié)級結(jié)構(gòu)對于該機型經(jīng)濟性的影響。

1原機組設(shè)計數(shù)據(jù)及效率分析

1.1 原機組結(jié)構(gòu)型式簡述

某30MW抽凝機組,機組型號C30—8.83/1.27/535,最大進汽量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,該機組為典型的單缸抽凝機組,通流包括高壓調(diào)節(jié)級、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級靜葉為不分組全周進汽 結(jié)構(gòu) ,機組通過抽調(diào)閥節(jié)流憋壓實現(xiàn)1.27 Mpa.a定壓 供熱。
1.2    原機組效率分析
根據(jù)供熱負荷的不同 , 熱電聯(lián)產(chǎn)機組主要存在 額定抽汽、最大抽汽、額定純凝等特征工況 , 原機組 設(shè)計條件下主要特征工況指標如表1所示。

由表1可見 ,該機組在額定純凝工況及額定抽汽 工況下缸效率均超過85.5%,在最大抽汽工況下缸效 率也有81.25%,對于30 MW的小功率抽凝機而言 ,整 體經(jīng)濟性表現(xiàn)已屬于不錯的水平 。為進一步分析該 機組是否存在優(yōu)化的空間 ,特繪制了三個特征工況 的膨脹過程線進行輔助分析 ,如圖2所示。

根據(jù)汽輪機膨脹做功原理 ,膨脹過程線向右傾斜越多,則最終排汽燴越大,機組效率越低。觀察上述三個特征工況的膨脹過程線可知:額定純凝工況膨脹過程線較光順,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),使膨脹過程線大幅度向右平移,嚴重影響了機組效率。

2采用雙調(diào)節(jié)級結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

2.1結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

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

針對抽調(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^[2],并根據(jù)閥門不同工況下流過的流量來調(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級變更為低壓調(diào)節(jié)級,將其靜葉分為3組,且通流能力分別對應(yīng)三個特征工況。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的壓力計算,僅第1組噴嘴開啟時,低壓調(diào)節(jié)級的通流能力為45.1 t/h,對應(yīng)最大抽汽工況;第1、2組噴嘴開啟時,通流能力為74.1t/h,對應(yīng)額定抽汽工況;全部3組噴嘴全開時,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)級動靜葉片較原先的壓力級葉片而言,承受的壓差增大、變工況條件變惡劣,需對其結(jié)構(gòu)做加強處理。具體手段包括:增加葉片軸向?qū)挾?、更換強壯的縱樹形葉根、外圍帶增加阻尼條等,以提升低壓調(diào)節(jié)級在強度及頻率響應(yīng)方面的性能。加強前后的對比結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2優(yōu)化后經(jīng)濟性分析

在原機組基礎(chǔ)上,將低壓首級優(yōu)化為低壓調(diào)節(jié)級后,機組主要特征工況指標如表3所示。

由表3可見,由于優(yōu)化后低壓首級部分進汽度變小、葉型變寬,級效率略有下降,造成額定純凝工況缸效率降低0.18個百分點,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個百分點,出力增加325 kW;最大抽汽工況缸效率上升3.28個百分點,出力增加559 kW,整體經(jīng)濟性提升顯著。優(yōu)化前后抽汽工況的膨脹過程線如圖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均落在比原方案更低的位置,即降低了機組最終排汽燴,機組效率得到提升。

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)級結(jié)構(gòu)并未改變工程建設(shè)、運營等費用,因此全廠收益即采用雙調(diào)節(jié)級后汽輪機所多發(fā)出的電量。

根據(jù)工程規(guī)劃,在達到設(shè)計產(chǎn)能后,汽輪機50%的時間處于額定抽汽工況運行,20%的時間處于最大抽汽工況運行,10%的時間處于額定純凝工況運行,20%的時間處于其他工況運行。

以年運行7 000 h、0.75元/(kW?h)計算,采用雙調(diào)節(jié)級后,三個主要特征工況年發(fā)電量增加約1.87×10⁶ kW?h,年發(fā)電收益增加約140萬元;以年凈利潤3 000萬元計算^[3],年凈利潤增加約4.67%,經(jīng)濟性提升帶來的收益明顯。

3 結(jié)論

通過對某30 MW生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機采用單調(diào)節(jié)級和雙調(diào)節(jié)級的計算分析可得:

1)采用雙調(diào)節(jié)級后,由于低壓首級級效率降低,整缸效率降低0.18個百分點。

2)采用雙調(diào)節(jié)級后,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個百分點和3.28個百分點。

3)基于全年運行情況綜合考慮,全廠年利潤增加約4.67%。

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

[參考文獻]

[1] 國家發(fā)展改革委,國家能源局.關(guān)于印發(fā)促進生物質(zhì)能供熱發(fā)展指導意見的通知:發(fā)改能源 (2017〕2123號[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,2019(1):14-18.

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

2024年第18期第13篇