0 引言
   改革開放后，國家經(jīng)濟(jì)政策進(jìn)一步調(diào)整，工業(yè)用電和城市居民用電急劇增加，迫使大容量機(jī)組調(diào)整滑壓峰值。對于滑壓調(diào)節(jié)的概念，不同的文獻(xiàn)有不同的定義，一個是汽輪機(jī)滑壓調(diào)節(jié)，在任何負(fù)荷下打開所有調(diào)節(jié)閥，減少部分負(fù)荷下的節(jié)流損失，即所有調(diào)節(jié)閥都打開，在任何負(fù)荷下通過主蒸汽壓力調(diào)節(jié)負(fù)荷；另一個定義是當(dāng)汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行時，調(diào)節(jié)閥完全打開或打開。
   因此，火電機(jī)組滑壓運(yùn)行主要有以下三種方式：①所有調(diào)節(jié)閥均開啟運(yùn)行，即在任何負(fù)荷下調(diào)節(jié)主蒸汽壓力，此時調(diào)節(jié)級節(jié)流損失最??；②部分調(diào)節(jié)閥運(yùn)行，即部分調(diào)節(jié)閥完全打開，另一部分完全關(guān)閉，以滿足部分負(fù)荷的蒸汽進(jìn)入要求，也能保持一定的主蒸汽壓力；③如果調(diào)節(jié)閥不足，保持一定的滑壓運(yùn)行開度，會帶來很大的節(jié)流損失。本文將對四種運(yùn)行模式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較:
   ①全開調(diào)節(jié)閥運(yùn)行；
   ②所有調(diào)節(jié)閥全開運(yùn)行；
   ③所有調(diào)節(jié)閥不足；
   ④部分調(diào)節(jié)閥全開，部分調(diào)節(jié)閥不足。
   1 機(jī)組設(shè)計現(xiàn)狀
   國內(nèi)生產(chǎn)的汽輪機(jī)，如東方汽輪機(jī)廠、上海汽輪機(jī)廠、哈爾濱汽輪機(jī)廠等。，在額定工況設(shè)計中一般不會為所有調(diào)節(jié)閥設(shè)計完全打開。為了在低參數(shù)時仍能帶來額定負(fù)荷，設(shè)計時總需要留下部分打開的調(diào)節(jié)閥，導(dǎo)致機(jī)組實際滑壓運(yùn)行時調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行模式與機(jī)組設(shè)計條件下調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行模式不同。哪種滑壓運(yùn)行調(diào)節(jié)閥更經(jīng)濟(jì)，調(diào)節(jié)閥開得越多越好？N600-16.以7/537/537機(jī)組為例，計算比較機(jī)組從三閥全開到四閥全開，部分開啟時的經(jīng)濟(jì)性，然后比較機(jī)組從三閥全開到只開兩閥時的經(jīng)濟(jì)性。
   2 實例計算
   某一臺600MW機(jī)組，機(jī)組轉(zhuǎn)速n=3000r/min，在設(shè)計條件下，新蒸汽壓力P0=16.7MPA，新蒸汽溫度t0=537℃，主汽額定D0=1792.462t/h，調(diào)整等級后的壓力p2=10.5MPA，高壓缸排氣壓力3.581MPA，高壓缸排氣溫度3144.4℃。

表1

表2

   機(jī)組有四個調(diào)節(jié)閥，經(jīng)濟(jì)條件為三個閥，總流量不變，改變調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行模式，計算和比較汽輪機(jī)工作的差異，改變調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行模式，機(jī)組的再熱溫度和再熱壓力相同，即中低壓缸工作相同。因此，當(dāng)調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行模式發(fā)生變化時，汽輪機(jī)的工作差異只需要比較其調(diào)節(jié)水平和高壓缸焓降。
   2.1 調(diào)節(jié)閥由三閥改為四閥
   2.1.1 計算分析
   使用弗留格爾公式計算調(diào)整級后壓力保持不變時調(diào)整級前壓力的變化。由于弗留格爾公式的使用條件是通流面積不變，在總流量不變的前提下，當(dāng)三閥完全打開到四閥完全打開時，通過原三閥的流量將減少，流量與通流面積相反
   （1）
   式中：D3x這意味著當(dāng)四個閥門完全打開時，三個閥門的流量流過；D3y表示三閥全開時，三閥流過；F3表示前三個閥門全開的控制面積；F4表示四個閥門全開時的控制面積。
   即流過前調(diào)節(jié)閥噴嘴組的流量將減少到原來的75%。此時，弗留格爾公式可以要求四個閥門在完全打開時調(diào)節(jié)水平前的壓力P01.滑壓運(yùn)行時，主蒸汽溫度不變t01=t0、弗留格爾公式為
   （2）
   其臨界壓比
   式中：k取1.3，代入數(shù)據(jù)p0=16.7MPA，p2=10.5MPA化簡得
   （3）
   用MATLAB如圖1所示。

圖1 調(diào)節(jié)前壓力與4號閥門面積關(guān)系圖

♂
   該機(jī)組（F4-F3）/F3=1/3，得p01=13.89MPA，即四閥完全打開時的調(diào)節(jié)前壓力，此時無節(jié)流損失。由于蒸汽過熱度高，理想的氣體焓降公式可以表示為
   （4）
   因此，機(jī)組由三閥全開換為四閥全開，理想的焓降比可以是
   （5）
   由t01=t0代入數(shù)據(jù)得

   由此可見，在相同流量下，四閥全開，三閥全開，理想的調(diào)節(jié)級焓降降低了近40%。在此，我們通過熱計算進(jìn)一步驗證：
   檢查焓熵圖。當(dāng)三閥完全打開時，調(diào)整級前的壓力、溫度和焓
   p0=16.7MPA，t0=537℃，h0=3393.6kJ/kg
   調(diào)節(jié)級后的壓力、溫度和焓
   p2=10.5MPA，t2=455℃，ht=3246.4kJ/kg
   四閥完全打開時，調(diào)整壓力、溫度和級前的焓
   p01=13.89MPA，t01=537℃，h01=3425.2kJ/kg
   調(diào)節(jié)級后的壓力、溫度和焓
   p21=10.5MPA，t21=487℃，ht1=3332.6kJ/kg
   設(shè)計條件的理想焓降
   Δht=h0-ht=147.2kJ/kg
   變工條件理想的焓降
   Δht1=h01-ht1=92.6kJ/kg
   Δht1/Δht=0.629
   與理論計算基本一致，降低理想焓
   Δh=Δht-Δh=54.6kJ/kg
   理想情況下少發(fā)功率
   ΔP=D0Δh=12718.6kW
   此時高壓缸的功能變化不大。
   2.1.2 優(yōu)化改進(jìn)
   顯然，三閥全開轉(zhuǎn)換為四閥全開是不經(jīng)濟(jì)的。為了提高四個調(diào)節(jié)閥全開的經(jīng)濟(jì)性。我們提出了以下兩個方案：
   ①前3只調(diào)節(jié)閥全開時，4號閥部分打開。此時存在節(jié)流損失，調(diào)節(jié)級后壓力和溫度會較四閥全開時有所改變。
   ②四個調(diào)節(jié)閥部分打開，保持相同的開度，即單個閥門調(diào)節(jié)。根據(jù)計算分析，每個閥門打開75%~100%時總流量不會改變打開75%時，每個閥流滿。此時，節(jié)流損失最大。打開100%時，無節(jié)流損失。
   當(dāng)3個調(diào)節(jié)閥完全打開時，當(dāng)4個閥部分打開時，4個閥的控制面積減小，節(jié)流損失，調(diào)節(jié)水平后的壓力和溫度降低。焓熵圖顯示一個等待s程和一個h不變過程的疊加，如圖2所示。

圖2 等熵節(jié)流示意圖

♂
   為便于分析，我們以4號閥只開50%為例進(jìn)行計算研究。

   式中：D'3x當(dāng)4號閥只打開50%時，流過原來3個閥的流量；當(dāng)4號閥只打開50%時，4個閥的控制面積。
   當(dāng)不考慮節(jié)流損失時，上述弗留格爾公式可以知道調(diào)整級前的壓力是p'0=14.98MPA，t'0=537℃，
   當(dāng)考慮節(jié)流損失時，調(diào)節(jié)級后的壓力不再是p2=10.5MPA，t2=474℃，而降到P'2=10MPA，t'2=471℃。
   此時可視為原因P'0，t'0到p2，t2的等s過程，加上p2，t2到p'2，t'2的h不變過程，如圖2所示。
   檢查焓熵圖
   p'0=14.98MPA，t'0=537℃時，焓和熵分別為h'=3413.1kJ/kg，s'=6.48kJ/（kg·K）；
   p2=10.5MPA，t2=474℃時，焓和熵分別為ht1=3298.0kJ/kｇ，s2=6.48kJ/（kｇ·K）；
   p'2=10MPA，t'2=471℃時，焓和熵分別為h't1=3298.0kJ/kg，s'=6.50kJ/ （kｇ·K）。
   此時，調(diào)節(jié)級理想焓降

   環(huán)境溫度為27℃，功能損失為

   此時，高壓缸進(jìn)氣參數(shù)降低，高壓缸功能降低。
   可以看出，前三個閥門全開，第四個閥門部分開，明顯比第四個閥門全開經(jīng)濟(jì)，但不如設(shè)計條件經(jīng)濟(jì)。
   前三個閥門由全開改為部分開，第四個閥門也部分開，保持相同的開度。在極限下，假設(shè)四個閥門打開75%。此時，每個閥門在開度下都充滿流量。
   調(diào)節(jié)前的壓力和溫度不考慮節(jié)流損失

   考慮到節(jié)流損失后，調(diào)整等級后的壓力和溫度不再是p2=10.5MPA，t2=455℃，而變?yōu)閜″2=9.0MPA，t″2=447℃。
   此時可以看成由p0=16.7MPA，t0=537℃到p2=10.5MPA，t2=455℃的等s過程和p2=10.5MPA，t2=455℃到p″2=9.0MPA，t″2=447℃的h不變過程的疊加，如圖2所示。
   檢查焓熵圖
   p0=16.7MPA，t0=537℃時，焓和熵分別為h0=3393.6kJ/kg，s0=6.41kJ/（kｇ·K）；
   p2=10.5MPA，t2=455℃時，焓和熵分別為ht=3246.4kJ/kｇ，s0=6.41kJ/（kｇ·K）；
   p″2=9.0MPA，t″2=447℃時，焓和熵分別為h″t=3246.4kJ/kｇ，s″=6.47kJ/（kｇ·K）。
   此時，調(diào)節(jié)級理想焓降
   Δh't=h0-h″t=147.2kJ/kｇ
   環(huán)境溫度為27℃，功能損失為
   e'1=T（s″-s0）=18kJ/kｇ
   可以看出，當(dāng)4個閥門全部打開75%時，雖然不如設(shè)計條件經(jīng)濟(jì)，但比4個閥門全部打開，前3個閥門全部打開，4個閥門只打開部分經(jīng)濟(jì)。進(jìn)一步計算顯示，當(dāng)4個閥門保持相同的開度在75%~100%變化時，其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于4個閥門全部打開時。
   在此過程中，考慮此時泵的功耗：，
   PP=D（p0υ0-p1υ1）/ηP （6）
   總流量不變，效率不變，p0υ0、p1υ1沒有改變，所以泵的功耗幾乎保持不變。
   2.2 調(diào)節(jié)閥由三閥全開改為兩閥全開
   調(diào)節(jié)閥由三閥完全打開到兩閥完全打開。此時，流量將減少到原來的2/3。根據(jù)弗留格爾公式，發(fā)現(xiàn)雖然總流量變?yōu)樵瓉淼?/3，但前兩閥的流量沒有改變。從弗留格爾公式可以看出，調(diào)節(jié)級前的壓力沒有改變，調(diào)節(jié)級焓降Δht它不會改變，但調(diào)節(jié)級少發(fā)的功率ΔP1=2DΔh/3=2ΔP/3，工作變成了原來的2/3，高壓缸、中壓缸、低壓缸的工作會減少，此時不經(jīng)濟(jì)。
   3 結(jié)束語
   ①通過計算發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)閥開得越多越好，最好根據(jù)汽輪機(jī)的設(shè)計條件運(yùn)行。
   ②本機(jī)組三閥全開滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性最好。前三閥全開4號閥保持一定開度的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于四閥全開滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。四閥全開保持相同開度的經(jīng)濟(jì)性與開度有關(guān)。
   ③4號閥的控制面積越小，當(dāng)三個閥完全打開到四個閥完全打開時，調(diào)整級前的壓力越小，即調(diào)整級工作越少，經(jīng)濟(jì)性越好。這對汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義，4號閥的控制面積不應(yīng)太大。