CN114607476A - 一种全负荷工况高效汽轮机组、设计方法及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全负荷工况高效汽轮机组、设计方法及运行方法，在高压缸的调节级中设置渐缩型喷嘴组和拉瓦尔喷嘴组，当机组运行在[Lx,满负荷]高负荷工况下时，打开渐缩型喷嘴组，当机组运行在[Lx0,Lx]中低负荷工况时，打开拉瓦尔喷嘴组，蒸汽在拉瓦尔喷嘴组内膨胀加速至超音速，有效降低节流损失，因此蒸汽压力可大幅提高至允许的最大运行压力，进而提高循环效率；通流面积相近或相等的一对渐缩型喷嘴组布置对组沿调节级的轴对称布置或中心对称布置，压比相近或相等的一对拉瓦尔喷嘴组布置对组沿调节级的轴对称布置或中心对称布置，渐缩型喷嘴组与拉瓦尔喷嘴组在调节级的周向上依次交替布置，平衡喷嘴组通流蒸汽时产生的相互作用力，提高运行稳定性。

Description

一种全负荷工况高效汽轮机组、设计方法及运行方法
技术领域
本发明属于汽轮机技术领域，尤其涉及一种全负荷工况高效汽轮机组、设计方法及运行方法。
背景技术
“双碳”战略推动构建以新能源为主体的新型电力系统，随着大规模具有随机波动性的光伏、风电等新能源电力并网，迫使以燃煤火电为主体的基础电力全面参与深度调峰。燃煤火电机组设计主要考虑额定负荷工况下的运行效率，在深度调峰过程中的中低负荷工况下的机组发电能效急剧恶化，相比于额定负荷工况，常规燃煤火电机组30％额定负荷工况煤耗增加30-40g/kW·h，其直接原因是在主蒸汽压力“定-滑-定”运行方式下，中低负荷下主蒸汽压力大幅降低，直接导致热力系统循环效率下降，同时还增大汽轮机本体通流
Figure BDA0003532382020000011
损失。
一般而言，大型汽轮机的调节级多采用喷嘴配汽方式，通过控制喷嘴组调阀开闭，调整调节级通流面积，进而协同控制主蒸汽压力、流量。调节级内喷嘴组为渐缩型喷管，可将蒸汽在临界压比下加速至当地音速。在中低负荷下，调节级背压较小，大幅度提高主蒸汽压力将直接导致调节级压比小于临界压比从而造成巨大的
Figure BDA0003532382020000012
损失。如何保障燃煤火电机组深度调峰过程中低负荷工况下的运行效率已成为我国能源转型的迫切需求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种全负荷工况高效汽轮机组、设计方法及运行方法，主要用于解决现有技术中燃煤火电机组在参与深度调峰过程中，中低负荷下运行效率低、调节能力差等问题。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种全负荷工况高效汽轮机组，包括主汽阀门和高压缸，所述主汽阀门连接所述高压缸，所述高压缸内设有调节级，所述调节级设有若干个渐缩型喷嘴组和若干个拉瓦尔喷嘴组，所述主汽阀门与各个所述渐缩型喷嘴组、拉瓦尔喷嘴组之间设有调节阀门。
进一步地，所述渐缩型喷嘴组的数量为偶数，按两个所述渐缩型喷嘴组为一对将若干个所述渐缩型喷嘴组分成至少一对布置对组，同属一个布置对组中的两个所述渐缩型喷嘴组沿所述调节级圆形截面的某个直径采取轴对称布置或以所述圆形截面的圆心采取中心对称布置。
进一步地，所述拉瓦尔喷嘴组的数量为偶数，按两个所述拉瓦尔喷嘴组为一对将若干个所述拉瓦尔喷嘴组分成至少一对布置对组，同属一个布置对组中的两个所述拉瓦尔喷嘴组沿所述调节级圆形截面的某个直径采取轴对称布置或以所述圆形截面的圆心采取中心对称布置。
进一步地，所述渐缩型喷嘴组与所述拉瓦尔喷嘴组沿所述调节级的周向布置、并在所述调节级的周向上依次交替布置。
进一步地，所述渐缩型喷嘴组的数量有m个，每个所述渐缩型喷嘴组的出口截面积为S，且S1≤S2≤S3≤…≤Sm；
所述拉瓦尔喷嘴组的数量有n-m个，n-m≥2，每个所述拉瓦尔喷嘴组的设计压比为Π，且Πm+1≤Πm+2≤Πm+3≤…≤Πn；
同属一个布置对组中的两个所述渐缩型喷嘴组对应的出口截面积为Si和Si+1，其中i为[1,m]中的奇数；
同属一个布置对组中的两个所述拉瓦尔喷嘴组对应的设计压比为Πj和Πj+1，其中j为[m+1,n]中的奇数。
第二方面，本发明提供一种全负荷工况高效汽轮机组中喷嘴通流面积的设计方法，包括以下步骤：
确定拉瓦尔喷嘴组工作负荷区间的上负荷率边界Lx，则所述渐缩型喷嘴组的设计工作负荷区间为[Lx,满负荷]，所述拉瓦尔喷嘴组的设计工作负荷区间为[Lx0,Lx]，其中0<Lx0≤30％；
根据机组满负荷工况参数确定渐缩型喷嘴的总通流面积A1～m；
确定渐缩型喷嘴组的组合数量，根据该组合数量确定渐缩型喷嘴组运行的阀点数量；
根据渐缩型喷嘴组运行的阀点数量，确定各阀点的负荷率，进而确定各个渐缩型喷嘴组对应的通流面积A1～Am；
确定拉瓦尔喷嘴组的组合数量，根据该组合数量确定拉瓦尔喷嘴组运行的阀点数量；
根据拉瓦尔喷嘴组运行的阀点数量，确定各阀点的负荷率，进而确定各个拉瓦尔喷嘴组对应的通流面积Am+1～An。
进一步地，在确定拉瓦尔喷嘴组工作负荷区间的上负荷率边界Lx时，包括以下步骤：设P0,max为汽轮机组允许的最大主汽压，r为蒸汽流经主汽门造成的压损系数，取值为0～10％，ΔL为渐缩型喷嘴组滑压运行负荷率范围大小，具体为5％～20％；喷嘴组的临界压比根据式
Figure BDA0003532382020000031
计算，其中k为过热蒸汽等熵指数，取值为1.2至1.5；再设定调节级入口压力P1＝P0,max×(1-r)，根据喷嘴组的临界压比Πcr确定负荷率L，使得该负荷率下调节级背压Pb满足Pb/P1＝Πcr，则Lx＝L-ΔL；
在确定渐缩型喷嘴的总通流面积A1～m时，包括以下步骤：获得满负荷工况下主蒸汽流量D、调节级背压Pb,并设定主蒸汽压力为设计压力P0,max，主汽门压损为r。根据渐缩型喷嘴流量压比关系式，获得渐缩型喷嘴的总通流面积A1～m：
Figure BDA0003532382020000041
其中，D是满负荷时主蒸汽质量流量，单位kg/s；A1～m是所有渐缩型喷嘴组的总通流面积，单位m2；ρ0是入口蒸汽密度，单位kg/m3；
确定各个渐缩型喷嘴组对应的通流面积A1～Am时，包括以下步骤：根据m个渐缩型喷嘴组按面积组合的选择性结果设定渐缩型喷嘴组工作负荷率区间[Lx,满负荷率]的阀点，获得阀点工况下调节级背压Pb,主蒸汽流量D,并设定主蒸汽压力为设计压力P0,max，主汽门压损为r。根据渐缩型喷嘴流量压比关系式，获得各个渐缩型喷嘴组的通流面积A1～Am；
确定各个拉瓦尔喷嘴组对应的通流面积Am+1～An时，包括以下步骤：组合设计压比相同的拉瓦尔喷嘴组，并根据拉瓦尔喷嘴组组合设定拉瓦尔喷嘴组工作负荷率区间[0,Lx]内的阀点，获得阀点工况下调节级背压Pb,主蒸汽流量Dx,并设定主蒸汽压力为设计压力P0,max，主汽门压损为r。根据拉瓦尔喷嘴流量压比关系式，获得该拉瓦尔喷嘴组组合的总通流面积A：
Figure BDA0003532382020000042
其中，Dx是该负荷时主蒸汽质量流量，单位为kg/s；A是该拉瓦尔喷嘴组组合的总通流面积，也即总喉部面积，单位m2；Πcr是临界压比。
第三方面，本发明提供一种全负荷工况高效汽轮机组的运行方法，包括以下步骤：
汽轮机组满负荷运行时，打开所有所述渐缩型喷嘴组的调节阀门，关闭所有所述拉瓦尔喷嘴组的调节阀门；
在[Lx,满负荷]负荷区间内，根据所述渐缩型喷嘴组运行的阀点数量，划分若干个渐缩型喷嘴运行负荷区间，将每一个所述渐缩型喷嘴运行负荷区间绑定于所述渐缩型喷嘴组按面积组合的选择性结果中的一种组合，在每一个所述渐缩型喷嘴运行负荷区间内，所述汽轮机组按滑压运行方式运行，直至负荷降至下一个阀点位置；
当汽轮机组负荷落于某一所述渐缩型喷嘴运行负荷区间时，打开对应渐缩型喷嘴组组合的调节阀门，并关闭其余喷嘴组；
在[Lx0,Lx]负荷区间内，根据所述拉瓦尔喷嘴组运行的阀点数量，划分若干个拉瓦尔喷嘴运行负荷区间，将每一个所述拉瓦尔喷嘴运行负荷区间绑定于所述拉瓦尔喷嘴组的设定排列组合中的一种组合，在每一个所述拉瓦尔喷嘴运行负荷区间内，所述汽轮机组按滑压运行方式运行，直至负荷降至下一个阀点位置；
当汽轮机组负荷落于某一所述拉瓦尔喷嘴运行负荷区间时，打开对应拉瓦尔喷嘴组组合的调节阀门，并关闭其余喷嘴组。
进一步地，所述渐缩型喷嘴组或拉瓦尔喷嘴组按面积组合的选择性结果，包括阀门未完全关闭的阀门或未完全开启的阀门，即上行、下行阀序之间都保留一定的重叠度。
相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：
在高压缸的调节级中设置渐缩型喷嘴组和拉瓦尔喷嘴组，当机组运行在[Lx,满负荷]高负荷工况下时，打开渐缩型喷嘴组，当机组运行在[Lx0,Lx]中低负荷工况时，打开拉瓦尔喷嘴组，蒸汽在拉瓦尔喷嘴组内膨胀加速至超音速，将运行压力大幅提高至允许的最大压力，提高运行效率，降低压损；
将渐缩型喷嘴组按两个一对地分成至少一对布置对组，且同属一对布置对组中的渐缩型喷嘴组通流面积相近或相等，一对渐缩型喷嘴组布置对组沿所述调节级的轴对称布置或中心对称布置，同理，压比相近或相等的一对拉瓦尔喷嘴组布置对组也沿所述调节级的轴对称布置或中心对称布置，且渐缩型喷嘴组与所述拉瓦尔喷嘴组在调节级的周向上依次交替布置，可有效平衡喷嘴组通流蒸汽时产生的相互作用力，提高汽轮机组运行的稳定性；
先确定拉瓦尔喷嘴组工作负荷区间的上负荷率边界Lx，以分别界定渐缩型喷嘴组的设计工作负荷区间[Lx,满负荷]和所述拉瓦尔喷嘴组的设计工作负荷区间[Lx0,Lx]，再推算得到渐缩型喷嘴的总通流面积A1～m及根据渐缩型喷嘴组组合数量得到各个渐缩型喷嘴组对应的通流面积A1～Am，最后根据拉瓦尔喷嘴组的组合数量推算各个拉瓦尔喷嘴组对应的通流面积Am+1～An，以此确定各个喷嘴通流面积；
运行负荷区间与喷嘴组的组合一一对应，当汽轮机组运行至某一具体的渐缩型喷嘴运行负荷区间时，打开对应渐缩型喷嘴组组合的调节阀门；当汽轮机组负荷落于某一具体的拉瓦尔喷嘴运行负荷区间时，打开对应拉瓦尔喷嘴组组合的调节阀门，在运行负荷区间中则通过滑压方式运行，保证在不同负荷工况下，均调整至合适的喷嘴通流面积下运行，以提高机组运行压力，降低压损，提高运行效率。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明的一种全负荷工况高效汽轮机组的结构示意图。
图2是本发明的一种全负荷工况高效汽轮机组中调节级的示意图。
图3是在实施例1中汽轮机组运行负荷与主汽压力、标煤耗的关系图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
第一方面，参照图1至图2，在本实施例中公开了一种全负荷工况高效汽轮机组，包括主汽阀门9和高压缸2，所述主汽阀门9连接所述高压缸2，当然地，作为汽轮机配套的机构，还包括有汽轮机转轴1、中压缸3、低压缸4、发电机5，高压缸2、中压缸3、低压缸4、发电机5沿着汽轮机转轴1的中心轴线方向依次安装布置，所述低压缸4排汽出口连接凝汽器6；所述凝汽器6凝结水出口通过给水管路连接锅炉8给水入口，另外在给水管路上沿着水流方向依次连接凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水泵7和高压加热器；所述锅炉8的出口通过主蒸汽管道与所述高压缸2蒸汽入口连接，主汽阀门9设在主蒸汽管道中，高压缸2的出气口经过锅炉后通过中调门10与中压缸3的进气口连接。
特别地，所述高压缸2内设有调节级20，调节级20是高压缸2内的第一级，所述调节级20设有若干个渐缩型喷嘴组和若干个拉瓦尔喷嘴组，若干个所述渐缩型喷嘴组和拉瓦尔喷嘴组沿调节级20的周向布置，所述主汽阀门9与各个所述渐缩型喷嘴组、拉瓦尔喷嘴组之间设有调节阀门，调节阀门与各个喷嘴组一一对应，利用调节阀门可以控制其对应的喷嘴组的通断。
由于渐缩型喷嘴组只能将蒸汽在临界压比下加速到当地音速，当负荷工况降低时，调节级20背压较小，大幅度提高主蒸汽压力将直接导致调节级20压比小于临界压比，造成巨大的
Figure BDA0003532382020000081
损失；因此在调节级20中设置拉瓦尔喷嘴组，当机组运行在[Lx,满负荷]高负荷工况下时，打开渐缩型喷嘴组，当机组运行在[Lx0,Lx]中低负荷工况时，打开拉瓦尔喷嘴组，蒸汽在拉瓦尔喷嘴组内膨胀加速至超音速，将运行压力大幅提高至允许的最大压力，提高运行效率，降低压损，实现了在高中低全负荷工况的高效运行。
在本实施例中，所述渐缩型喷嘴组的数量为偶数，按两个所述渐缩型喷嘴组为一对将若干个所述渐缩型喷嘴组分成至少一对布置对组，同属一个布置对组中的两个所述渐缩型喷嘴组沿所述调节级20圆形截面的某个直径采取轴对称布置或以所述圆形截面的圆心采取中心对称布置；所述拉瓦尔喷嘴组的数量为偶数，按两个所述拉瓦尔喷嘴组为一对将若干个所述拉瓦尔喷嘴组分成至少一对布置对组，同属一个布置对组中的两个所述拉瓦尔喷嘴组沿所述调节级20圆形截面的某个直径采取轴对称布置或以所述圆形截面的圆心采取中心对称布置。
相当于是，将若干个所述渐缩型喷嘴组两两分组，为了避免当一个喷嘴组通流蒸汽时所产生的相互作用力，使得汽轮机组运行稳定性降低，所以在这个喷嘴组轴对称或者中心对称的一侧也设置一个喷嘴组，这两个相对的喷嘴组所产生的作用力会大程度抵消，以降低对汽轮机组的稳定性影响。
结合图2，其中标号21、22、23、24均为渐缩型喷嘴组，与其对应的调节阀门的标号分别为210、220、230、240；标号25、26、27、28均为拉瓦尔喷嘴组，与其对应的调节阀门的标号分别为250、260、270、280；即在一些实施例中，所述渐缩型喷嘴组与所述拉瓦尔喷嘴组在调节级20的周向上依次交替布置，即两个渐缩型喷嘴组之间设置一个拉瓦尔喷嘴组，两个拉瓦尔喷嘴组之间设置一个渐缩型喷嘴组，彼此交替布置，这样做的目的在于，当在不同负荷工况下运行，切换至不同的喷嘴组导通时，喷嘴组距离尽量不贴太近，防止受力不均。
更具体地，所述渐缩型喷嘴组的数量有m个，m为偶数，每个所述渐缩型喷嘴组的出口截面积为S，且S1≤S2≤S3≤…≤Sm，此出口截面积相当于是渐缩型喷嘴组的通流面积；
所述拉瓦尔喷嘴组的数量有n-m个，n-m≥2，n为偶数，每个所述拉瓦尔喷嘴组的设计压比为Π，且Πm+1≤Πm+2≤Πm+3≤…≤Πn；
同属一个布置对组中的两个所述渐缩型喷嘴组对应的出口截面积为Si和Si+1，其中i为[1,m]中的奇数；
同属一个布置对组中的两个所述拉瓦尔喷嘴组对应的设计压比为Πj和Πj+1，其中j为[m+1,n]中的奇数。
需要说明的是，m个渐缩型喷嘴组的出口截面积未必全部相等，将出口截面积从小至大排序，依次两两组队成为一个布置对组中的两个所述渐缩型喷嘴组，即面积S1、S2对应的渐缩型喷嘴组作为一个布置对组，面积S3、S4对应的渐缩型喷嘴组作为一个布置对组，面积Sm-1、Sm对应的渐缩型喷嘴组作为一个布置对组，如此一来，在沿调节级20的轴对称布置或中心对称布置时，同一个布置对组的两个喷嘴组所产生的作用力更加接近，即小的与小的对冲，大的与大的对冲，使得机组在调整过程中稳定性更好。同理的，在渐缩型喷嘴组中用出口截面积作为分组依据，在拉瓦尔喷嘴组中用设计压比作为分组依据，设计压比相同或者相近的两个拉瓦尔喷嘴组作为一对布置对组。
另外地，渐缩型喷嘴组与所述拉瓦尔喷嘴组在周向上依次交替布置时，也参照以上出口截面积和设计压比的关系，举个例子，沿着顺时针方向，先是出口截面积最小的S1对应的渐缩型喷嘴组，再是设计压比最小的Πm+1对应的拉瓦尔喷嘴组，再是出口截面积S2对应的渐缩型喷嘴组，再是设计压比Πm+2对应的拉瓦尔喷嘴组，最后是出口截面积最大的Sm对应的渐缩型喷嘴组，和设计压比最大的Πn对应的拉瓦尔喷嘴组，按照大小顺序依次交替。
第二方面，本实施例公开了一种全负荷工况高效汽轮机组中喷嘴通流面积的设计方法，包括以下步骤：
确定拉瓦尔喷嘴组工作负荷区间的上负荷率边界Lx，则所述渐缩型喷嘴组的设计工作负荷区间为[Lx,满负荷]，所述拉瓦尔喷嘴组的设计工作负荷区间为[Lx0,Lx]，其中0<Lx0≤30％；通过确定Lx来将高负荷工况和中低负荷工况分开，高负荷工况中只允许渐缩型喷嘴组打开，中低负荷工况只允许拉瓦尔喷嘴组打开；
根据机组满负荷工况参数确定渐缩型喷嘴的总通流面积A1～m；
确定渐缩型喷嘴组的组合数量，根据渐缩型喷嘴组的设置数量，确定能组合成的需要的面积组合数量，根据该组合数量确定渐缩型喷嘴组运行的阀点数量；
根据渐缩型喷嘴组运行的阀点数量，确定各阀点的负荷率，进而确定各个渐缩型喷嘴组对应的通流面积A1～Am；
确定拉瓦尔喷嘴组的组合数量，根据拉瓦尔喷嘴组的设置数量，确定能组合成的需要的面积组合数量，根据该组合数量确定拉瓦尔喷嘴组运行的阀点数量；
根据拉瓦尔喷嘴组运行的阀点数量，确定各阀点的负荷率，进而确定各个拉瓦尔喷嘴组对应的通流面积Am+1～An。
更具体地，首先，在确定拉瓦尔喷嘴组工作负荷区间的上负荷率边界Lx时，包括以下步骤：假设拉瓦尔喷嘴组工作负荷区间的上负荷率边界Lx，则所述渐缩型喷嘴组的设计工作负荷区间为[Lx,满负荷]，所述拉瓦尔喷嘴组的设计工作负荷区间为[Lx0,Lx]，其中0<Lx0≤30％，设P0,max为汽轮机组允许的最大主汽压，r为蒸汽流经主汽阀门造成的压损系数，取值为0～10％，ΔL为渐缩型喷嘴组滑压运行负荷率范围大小，具体为5％～20％；喷嘴组的临界压比根据式
Figure BDA0003532382020000111
计算，其中k为过热蒸汽等熵指数，取值为1.2至1.5；再设定调节级入口压力P1＝P0,max×(1-r)，根据喷嘴组的临界压比Πcr确定负荷率L，使得该负荷率下调节级背压Pb满足Pb/P1＝Πcr，则Lx＝L-ΔL；
其次，在确定渐缩型喷嘴的总通流面积A1～m时，包括以下步骤：获得满负荷工况下主蒸汽流量D、调节级背压Pb,并设定主蒸汽压力为设计压力P0,max，主汽门压损为r。根据渐缩型喷嘴流量压比关系式，获得渐缩型喷嘴的总通流面积A1～m：
Figure BDA0003532382020000121
其中，D是满负荷时主蒸汽质量流量，单位kg/s；A1～m是所有渐缩型喷嘴组的总通流面积，单位m2；ρ0是入口蒸汽密度，单位kg/m3；
然后，确定各个渐缩型喷嘴组对应的通流面积A1～Am时，包括以下步骤：根据m个渐缩型喷嘴组按面积组合的选择性结果设定渐缩型喷嘴组工作负荷率区间[Lx,满负荷率]的阀点，获得阀点工况下调节级背压Pb,主蒸汽流量D,并设定主蒸汽压力为设计压力P0,max，主汽门压损为r。根据渐缩型喷嘴流量压比关系式，获得各个渐缩型喷嘴组的通流面积A1～Am；需要说明的是，由于每个渐缩型喷嘴组都有对应的出口截面积，按照面积的组合，从大到小排序，从中选取中需要的组合结果，例如有四个渐缩型喷嘴组，选择以下的组合结果：S1+S2，S1+S3，S2+S3，S1+S2+S3，S1+S2+S3+S4，分别是从小到大排序，存在5个组合结果，也将[Lx,满负荷]划分为五个阀点，在进一步获得各个渐缩型喷嘴组的通流面积A1～Am；
最后，确定各个拉瓦尔喷嘴组对应的通流面积Am+1～An时，包括以下步骤：组合设计压比相同的拉瓦尔喷嘴组，并根据拉瓦尔喷嘴组组合设定拉瓦尔喷嘴组工作负荷率区间[0,Lx]内的阀点，举例说明，存在四个拉瓦尔喷嘴组，其设计压比存在以下关系Π5＝Π6<Π7＝Π8，在分组时将Π5+Π6分为一组，Π7+Π8分为一组，相当于在[Lx0,Lx]区间内设了两个阀点；获得阀点工况下调节级背压Pb,主蒸汽流量Dx,并设定主蒸汽压力为设计压力P0,max，主汽门压损为r。根据拉瓦尔喷嘴流量压比关系式，获得该拉瓦尔喷嘴组组合的总通流面积A：
Figure BDA0003532382020000131
其中，Dx是该负荷时主蒸汽质量流量，单位为kg/s；A是该拉瓦尔喷嘴组组合的总通流面积，也即总喉部面积，单位m2；Πcr是临界压比。
第三方面，本实施例公开了一种全负荷工况高效汽轮机组的运行方法，包括以下步骤：
汽轮机组满负荷运行时，打开所有所述渐缩型喷嘴组的调节阀门，关闭所有所述拉瓦尔喷嘴组的调节阀门，并通流机组满负荷流量的蒸汽，主汽阀门前的蒸汽压力恰好为汽轮机组设计的最高运行压力P0,max。此时，给水经锅炉加热成高温高压过热蒸汽后，经主汽门以及渐缩型喷嘴对应的调节阀门，分别送往各个渐缩型喷嘴并膨胀加速，加速后的蒸汽在汽轮机组中继续膨胀做功，并驱动汽轮机转轴将机械能转为电能。在满负荷工况下，本实施例的汽轮机组与常规机组的运行压力相同，具有相当的机组发电能效。
在[Lx,满负荷]负荷区间内，根据所述渐缩型喷嘴组运行的阀点数量，划分若干个渐缩型喷嘴运行负荷区间，将每一个所述渐缩型喷嘴运行负荷区间绑定于所述渐缩型喷嘴组按面积组合的选择性结果中的一种组合，在每一个所述渐缩型喷嘴运行负荷区间内，随着负荷降低，蒸汽流量减少，调节级背压减小，汽轮机组采用滑压的运行方式运行，直至负荷降低至下一个阀点位置；此时，过热蒸汽经主汽门以及处于通流状态的渐缩型喷嘴组所对应的调节阀门，分别送入通流状态的渐缩型喷嘴组内膨胀加速，加速后的蒸汽在汽轮机组中继续膨胀做功，并驱动汽轮机转轴将机械能转为电能。此时，相比于常规机组，本实施例的汽轮机组因调节级节流损失大幅减小、且通常具有更高的主汽压力，因此，提高了汽轮机组的循环效率和整体发电能效。
当在渐缩型喷嘴运行负荷区间中滑压运行至阀点后，随着负荷逐渐减小，汽轮机组负荷落于某一渐缩型喷嘴运行负荷区间时，在相应各个阀点位置，该阀点通流面积所对应的渐缩型喷嘴组组合的调节阀门开启，关闭其余喷嘴组，且通流阀点工况蒸汽，主汽阀门前的蒸汽压力恰好为汽轮机组设计的最高运行压力P0,max。此时，过热蒸汽经主汽阀门以及阀点位置对应的渐缩型喷嘴组调节阀，分别送入阀点渐缩型喷嘴组内膨胀加速，加速后的蒸汽在汽轮机组中继续膨胀做功，并驱动汽轮机转轴将机械能转为电能。此时，相比于常规机组，本实施例的汽轮机组在该阀点的运行压力提高至允许的最大压力，循环效率显著提高，同时阀点工况调节级压损极小，因此，本实施例极其显著地提高了汽轮机组的整体发电能效。
随着负荷继续降低，当降低至Lx时，开启Lx该负荷阀点压比所对应的拉瓦尔喷嘴组，其他喷嘴组关闭，通流阀点工况蒸汽，主汽阀门前的蒸汽压力恰好为汽轮机组设计的最高运行压力P0,max。此时，过热蒸汽经主汽阀门以及阀点压比对应的拉瓦尔喷嘴组调节阀，分别送入阀点拉瓦尔喷嘴组内膨胀加速至超音速，超音速蒸汽流在汽轮机组中继续膨胀做功，并驱动汽轮机转轴将机械能转为电能。由于常规机组多采用滑压运行，在Lx负荷工况时已经滑压至较低的主汽压力，相比于此，本实施例的汽轮机组在该阀点的运行压力大幅提高至允许的最大压力，循环效率显著提高，同时阀点工况调节级压损极小，因此，本实施例极其显著地提高了汽轮机组的整体发电能效。
在[Lx0,Lx]负荷区间内，根据所述拉瓦尔喷嘴组运行的阀点数量，划分若干个拉瓦尔喷嘴运行负荷区间，将每一个所述拉瓦尔喷嘴运行负荷区间绑定于所述拉瓦尔喷嘴组的设定排列组合中的一种组合，在每一个所述拉瓦尔喷嘴运行负荷区间内，随着负荷降低，蒸汽流量减少，调节级背压减小，所述汽轮机组按滑压运行方式运行，直至负荷降至下一个阀点位置；由于常规机组多采用滑压运行，此时已经滑压至较低的主汽压力，相比于此，本实施例的汽轮机组阀点间的负荷区间较窄，阀点工况时的主汽压力为允许的最大主汽压，即使在该负荷区间也采用滑压运行，但主汽压力仍远高于常规机组，同时阀点工况调节级压损极小，因此，本实施例显著地提高了汽轮机组的整体发电能效。
当在拉瓦尔喷嘴运行负荷区间中滑压运行至阀点后，随着负荷逐渐减小，汽轮机组负荷落于某一拉瓦尔喷嘴运行负荷区间，打开对应拉瓦尔喷嘴组组合的调节阀门，并关闭其余喷嘴组，通流阀点工况蒸汽，主汽阀门前的蒸汽压力恰好为汽轮机组设计的最高运行压力P0,max。此时，过热蒸汽经主汽阀门以及阀点压比对应的拉瓦尔喷嘴组调节阀，分别送入阀点拉瓦尔喷嘴组内膨胀加速至超音速，超音速蒸汽流在汽轮机组中继续膨胀做功，并驱动汽轮机转轴将机械能转为电能。由于常规机组多采用滑压运行，在[Lx0,Lx]负荷区间内阀点位置时已经滑压至较低的主汽压力，而且通常压比小于临界压比，常规的渐缩型喷嘴仅能将蒸汽加速至临界状态，从而导致了极大的压力损失。相比于此，本实施例中的汽轮机组在该阀点的运行压力大幅提高至允许的最大压力，循环效率显著提高，同时不仅阀点工况调节级压损极小，还能将蒸汽加速至超音速状态、充分利用压差能，因此，本实施例极其显著地提高了汽轮机组的整体发电能效。
作为一种实施方式，所述渐缩型喷嘴组或拉瓦尔喷嘴组按面积组合的选择性结果，包括阀门未完全关闭的阀门或未完全开启的阀门，即上行、下行阀序之间都保留一定的重叠度，阀门可以处于未完全开启或者完全关闭的状态。当汽轮机组在两个运行负荷区间之间过渡时，前一个运行负荷区间对应的喷嘴组组合未完全关闭，下一个运行负荷区间对应的喷嘴组组合开启，保留一定重叠度，以方便运行负荷区间的顺利过渡。例如在阀点过渡切换时，前一个运行负荷区间对应的喷嘴组组合关闭至剩10％左右阀杆升程时，下一个运行负荷区间对应的喷嘴组组合提前开启，并保持一段负荷过渡时间后，再全部关闭前一个运行负荷区间的调节阀门，会有一段时间是重叠状态，在本实施方式中重叠度为1～10％，在其他实施方式中，也可以取其他值。
下面具体举个实施例进行说明：
1、以330MW机组为例，对汽轮机组高压缸调节级进行重构设计，重构设计为8个喷嘴组，其中21～24为常规渐缩型喷嘴组，25～28为拉瓦尔喷嘴组，其中渐缩型喷嘴组面积存在以下关系S1＝S2<S3＝S4，其中拉瓦尔喷嘴组设计压比存在以下关系Π5＝Π6<Π7＝Π8，在圆周方向上渐缩型喷嘴组与拉瓦尔喷嘴组交替布置，以平衡喷嘴组通流蒸汽时所产生的相互作用力，提高汽轮机组运行的稳定性。更具体地，S1和S2对应的渐缩型喷嘴组作为一组，S3和S4对应的渐缩型喷嘴组作为一组，Π5和Π6对应的拉瓦尔喷嘴组作为一组，Π7和Π8对应的拉瓦尔喷嘴组作为一组，沿着顺时针方向依次是S1、Π5、S3、Π7、S2、Π6、S4、Π8；
2、喷嘴临界压比
Figure BDA0003532382020000161
其中过热蒸汽绝热指数k取值1.3，可得Πcr＝0.546。在65％THA负荷工况时，主蒸汽流量650t/h，调节级背压为8.83MPa，与最高的设计运行压力16.67MPa(设定主汽门2.5％的压损)的比值为8.83/(16.67×97.5％)≈0.546，即L为65％，取渐缩型喷嘴组滑压运行区间ΔL为10％，则Lx＝L-ΔL＝65％-10％＝55％，从而确定渐缩喷嘴的工作负荷区间为[55％，满负荷]，因考虑极低负荷工况的运行较少，拉瓦尔喷嘴组的工作负荷区间为[30％，55％]。
3、渐缩喷嘴组1和2对称布置，可平衡对冲应力提高汽轮机组运行安全性，并设定最小面积的渐缩喷嘴组组合为喷嘴1和喷嘴2。将r＝2.5％，P0,max＝16.67MPa,满负荷时主蒸汽流量Dx＝1050t/h，调节级背压Pb＝14.17MPa以及66％THA负荷工况时主蒸汽流量Dx＝660t/h，调节级背压Pb＝8.97MPa代入以下式子，可分别求得所有渐缩型喷嘴组的通流面积A＝22944.0mm2，以及最小面积的渐缩喷嘴组组合为喷嘴1和喷嘴2的总通流面积A＝10042.6mm2，即，喷嘴1和喷嘴2的面积S1＝S2＝5021.3mm2，喷嘴3和喷嘴4的面积S3＝S4＝6450.7mm2。
Figure BDA0003532382020000171
4、设定55％THA负荷时开启拉瓦尔喷嘴组合中的最大压比组合，即拉瓦尔喷嘴组7和喷嘴组8；设定40％THA负荷时开启拉瓦尔喷嘴组合中的第二大(也是最小的)压比组合，即喷嘴5和喷嘴6。在55％THA负荷时，调节级背压Pb与P0,max×(1-r)的比值为0.4613，即为喷嘴7和喷嘴8的设计压比；在40％THA负荷时，调节级背压Pb与P0,max×(1-r)的比值为0.3381，即为喷嘴7和喷嘴8的设计压比。将r＝2.5％，P0,max＝16.67MPa,55％负荷时主蒸汽流量Dx＝550t/h，调节级背压Pb＝7.50MPa以及40％THA负荷工况时主蒸汽流量Dx＝400t/h，调节级背压Pb＝5.50MPa代入以下式子，可分别求得喷嘴5～8的喉部面积分别为S5＝S6＝3042.9mm2，S7＝S8＝4184.1mm2。
Figure BDA0003532382020000172
5、所有渐缩型喷嘴组的无序排列组合按面积从大到小依次有S4S3S2S1、S4S3S1、S4S2S1、S4S1、S2S1共5种组合，对应地分别在[96％,105％]、[93％,96％]、[83％,93％]、[74％,83％]、[66％,74％]负荷区间内开启，并采用滑压的方式运行；在[40％，55％]、[30％，40％]的负荷区间内，对应地分别开启S7S8和S5S6，并采用滑压的方式运行。可以看出，如果将四个渐缩型喷嘴组完全按面积来排列组合，可以有S4S3S2S1、S4S3S1、S4S2S1、S4S3、S4S1、S2S1共6种组合，在本实施例中只选取了其中的5种组合情况。另外地，在布置时，S2和S1是对称布置，S4和S3是对称布置，在使用时，有些情况是对称布置的两组喷嘴组开启，有些情况是非对称布置的两组喷嘴组开启。
6、参照图3，相应的，相比于常规汽轮机组，基于本实施例提出的配置拉瓦尔喷嘴组调节级的汽轮机组及其运行方法，新型汽轮机组在中低负荷区域主蒸汽压力大幅提高，在60％THA、50％THA、40％THA及30％THA负荷工况时可分别节省标煤耗5、7.5、11.5、13.5g/kWh，节煤效果显著。
综上，相对于现有技术，上述实施例提供一种全负荷工况高效汽轮机组、设计方法及运行方法，在高压缸的调节级中设置渐缩型喷嘴组和拉瓦尔喷嘴组，当机组运行在[Lx,满负荷]高负荷工况下时，打开渐缩型喷嘴组，当机组运行在[Lx0,Lx]中低负荷工况时，打开拉瓦尔喷嘴组，蒸汽在拉瓦尔喷嘴组内膨胀加速至超音速，将运行压力大幅提高至允许的最大压力，提高运行效率，降低压损，有效保障燃煤火电机组深度调峰过程中低负荷工况下的运行效率；
将渐缩型喷嘴组按两个一对地分成至少一对布置对组，且同属一对布置对组中的渐缩型喷嘴组通流面积相近或相等，一对渐缩型喷嘴组布置对组沿所述调节级的轴对称布置或中心对称布置，同理，压比相近或相等的一对拉瓦尔喷嘴组布置对组也沿所述调节级的轴对称布置或中心对称布置，且渐缩型喷嘴组与所述拉瓦尔喷嘴组在调节级的周向上依次交替布置，可有效平衡喷嘴组通流蒸汽时产生的相互作用力，提高汽轮机组运行的稳定性；
先确定拉瓦尔喷嘴组工作负荷区间的上负荷率边界Lx，以分别界定渐缩型喷嘴组的设计工作负荷区间[Lx,满负荷]和所述拉瓦尔喷嘴组的设计工作负荷区间[Lx0,Lx]，再推算得到渐缩型喷嘴的总通流面积A1～m及根据渐缩型喷嘴组组合数量得到各个渐缩型喷嘴组对应的通流面积A1～Am，最后根据拉瓦尔喷嘴组的组合数量推算各个拉瓦尔喷嘴组对应的通流面积Am+1～An，以此确定各个喷嘴通流面积；
运行负荷区间与喷嘴组的组合一一对应，当汽轮机组运行至某一具体的渐缩型喷嘴运行负荷区间时，打开对应渐缩型喷嘴组组合的调节阀门；当汽轮机组负荷落于某一具体的拉瓦尔喷嘴运行负荷区间时，打开对应拉瓦尔喷嘴组组合的调节阀门，在运行负荷区间中则通过滑压方式运行，保证在不同负荷工况下，均调整至合适的喷嘴通流面积下运行，以提高机组运行压力，降低压损，提高运行效率。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种全负荷工况高效汽轮机组，包括主汽阀门和高压缸，所述主汽阀门连接所述高压缸，所述高压缸内设有调节级，其特征在于，所述调节级设有若干个渐缩型喷嘴组和若干个拉瓦尔喷嘴组，所述主汽阀门与各个所述渐缩型喷嘴组、拉瓦尔喷嘴组之间设有调节阀门。
2.根据权利要求1所述的一种全负荷工况高效汽轮机组，其特征在于，所述渐缩型喷嘴组的数量为偶数，按两个所述渐缩型喷嘴组为一对将若干个所述渐缩型喷嘴组分成至少一对布置对组，同属一个布置对组中的两个所述渐缩型喷嘴组沿所述调节级圆形截面的某个直径采取轴对称布置或以所述圆形截面的圆心采取中心对称布置。
3.根据权利要求2所述的一种全负荷工况高效汽轮机组，其特征在于，所述拉瓦尔喷嘴组的数量为偶数，按两个所述拉瓦尔喷嘴组为一对将若干个所述拉瓦尔喷嘴组分成至少一对布置对组，同属一个布置对组中的两个所述拉瓦尔喷嘴组沿所述调节级圆形截面的某个直径采取轴对称布置或以所述圆形截面的圆心采取中心对称布置。
4.根据权利要求3所述的一种全负荷工况高效汽轮机组，其特征在于，所述渐缩型喷嘴组与所述拉瓦尔喷嘴组沿所述调节级的周向布置、并在所述调节级的周向上依次交替布置。
5.根据权利要求4所述的一种全负荷工况高效汽轮机组，其特征在于，所述渐缩型喷嘴组的数量有m个，每个所述渐缩型喷嘴组的出口截面积为S，且S1≤S2≤S3≤…≤Sm；
所述拉瓦尔喷嘴组的数量有n-m个，n-m≥2，每个所述拉瓦尔喷嘴组的设计压比为Π，且Πm+1≤Πm+2≤Πm+3≤…≤Πn；
同属一个布置对组中的两个所述渐缩型喷嘴组对应的出口截面积为Si和Si+1，其中i为[1,m]中的奇数；
同属一个布置对组中的两个所述拉瓦尔喷嘴组对应的设计压比为Πj和Πj+1，其中j为[m+1,n]中的奇数。
6.一种全负荷工况高效汽轮机组中喷嘴通流面积的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定拉瓦尔喷嘴组工作负荷区间的上负荷率边界Lx，则所述渐缩型喷嘴组的设计工作负荷区间为[Lx,满负荷]，所述拉瓦尔喷嘴组的设计工作负荷区间为[Lx0,Lx]，其中0<Lx0≤30％；
根据机组满负荷工况参数确定渐缩型喷嘴的总通流面积A1～m；
确定渐缩型喷嘴组的组合数量，根据该组合数量确定渐缩型喷嘴组运行的阀点数量；
根据渐缩型喷嘴组运行的阀点数量，确定各阀点的负荷率，进而确定各个渐缩型喷嘴组对应的通流面积A1～Am；
确定拉瓦尔喷嘴组的组合数量，根据该组合数量确定拉瓦尔喷嘴组运行的阀点数量；
根据拉瓦尔喷嘴组运行的阀点数量，确定各阀点的负荷率，进而确定各个拉瓦尔喷嘴组对应的通流面积Am+1～An。
7.根据如权利要求6所述的一种全负荷工况高效汽轮机组中喷嘴通流面积的设计方法，其特征在于：
在确定拉瓦尔喷嘴组工作负荷区间的上负荷率边界Lx时，包括以下步骤：设P0,max为汽轮机组允许的最大主汽压，r为蒸汽流经主汽门造成的压损系数，取值为0～10％，ΔL为渐缩型喷嘴组滑压运行负荷率范围大小，具体为5％～20％；喷嘴组的临界压比根据式
Figure FDA0003532382010000021
计算，其中k为过热蒸汽等熵指数，取值为1.2至1.5；再设定调节级入口压力P1＝P0,max×(1-r)，根据喷嘴组的临界压比Πcr确定负荷率L，使得该负荷率下调节级背压Pb满足Pb/P1＝Πcr，则Lx＝L-ΔL；
在确定渐缩型喷嘴的总通流面积A1～m时，包括以下步骤：获得满负荷工况下主蒸汽流量D、调节级背压Pb，并设定主蒸汽压力为设计压力P0,max，主汽门压损为r。根据渐缩型喷嘴流量压比关系式，获得渐缩型喷嘴的总通流面积A1～m：
Figure FDA0003532382010000031
其中，D是满负荷时主蒸汽质量流量，单位kg/s；A1～m是所有渐缩型喷嘴组的总通流面积，单位m2；ρ0是入口蒸汽密度，单位kg/m3；
确定各个渐缩型喷嘴组对应的通流面积A1～Am时，包括以下步骤：根据m个渐缩型喷嘴组按面积组合的选择性结果设定渐缩型喷嘴组工作负荷率区间[Lx,满负荷率]的阀点，获得阀点工况下调节级背压Pb,主蒸汽流量D,并设定主蒸汽压力为设计压力P0,max，主汽门压损为r。根据渐缩型喷嘴流量压比关系式，获得各个渐缩型喷嘴组的通流面积A1～Am；
确定各个拉瓦尔喷嘴组对应的通流面积Am+1～An时，包括以下步骤：组合设计压比相同的拉瓦尔喷嘴组，并根据拉瓦尔喷嘴组组合设定拉瓦尔喷嘴组工作负荷率区间[0,Lx]内的阀点，获得阀点工况下调节级背压Pb,主蒸汽流量Dx,并设定主蒸汽压力为设计压力P0,max，主汽门压损为r。根据拉瓦尔喷嘴流量压比关系式，获得该拉瓦尔喷嘴组组合的总通流面积A：
Figure FDA0003532382010000032
其中，Dx是该负荷时主蒸汽质量流量，单位为kg/s；A是该拉瓦尔喷嘴组组合的总通流面积，也即总喉部面积，单位m2；Πcr是临界压比。
8.一种全负荷工况高效汽轮机组的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
汽轮机组满负荷运行时，打开所有所述渐缩型喷嘴组的调节阀门，关闭所有所述拉瓦尔喷嘴组的调节阀门；
在[Lx,满负荷]负荷区间内，根据所述渐缩型喷嘴组运行的阀点数量，划分若干个渐缩型喷嘴运行负荷区间，将每一个所述渐缩型喷嘴运行负荷区间绑定于所述渐缩型喷嘴组按面积组合的选择性结果中的一种组合，在每一个所述渐缩型喷嘴运行负荷区间内，所述汽轮机组按滑压运行方式运行，直至负荷降至下一个阀点位置；
当汽轮机组负荷落于某一所述渐缩型喷嘴运行负荷区间时，打开对应渐缩型喷嘴组组合的调节阀门，并关闭其余喷嘴组；
在[Lx0,Lx]负荷区间内，根据所述拉瓦尔喷嘴组运行的阀点数量，划分若干个拉瓦尔喷嘴运行负荷区间，将每一个所述拉瓦尔喷嘴运行负荷区间绑定于所述拉瓦尔喷嘴组的设定排列组合中的一种组合，在每一个所述拉瓦尔喷嘴运行负荷区间内，所述汽轮机组按滑压运行方式运行，直至负荷降至下一个阀点位置；
当汽轮机组负荷落于某一所述拉瓦尔喷嘴运行负荷区间时，打开对应拉瓦尔喷嘴组组合的调节阀门，并关闭其余喷嘴组。
9.根据权利要求8所述的一种全负荷工况高效汽轮机组的运行方法，其特征在于，所述渐缩型喷嘴组或拉瓦尔喷嘴组按面积组合的选择性结果，包括阀门未完全关闭的阀门或未完全开启的阀门，即上行、下行阀序之间都保留一定的重叠度。
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