國(guó)產(chǎn)600 MW超臨界機(jī)組滑壓運(yùn)行方式試驗(yàn)研究

薛永鋒，楊尚文

(1.東北電力科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006;2.莊河發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116431)

近年來(lái)隨著用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)的變化，電網(wǎng)負(fù)荷晝夜峰谷差越來(lái)越大。超臨界600 MW機(jī)組不僅承擔(dān)基本負(fù)荷，而且更多承擔(dān)中間負(fù)荷來(lái)參與電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行。如汽輪機(jī)長(zhǎng)期偏離設(shè)計(jì)工況，將導(dǎo)致熱經(jīng)濟(jì)性大為降低。在調(diào)峰中采用哪種運(yùn)行方式更為安全、經(jīng)濟(jì)、合理是研究的重點(diǎn)問(wèn)題。

一般情況下機(jī)組會(huì)采用汽輪機(jī)制造廠家提供的設(shè)計(jì)定、滑壓曲線運(yùn)行。而設(shè)計(jì)滑壓曲線是在所有特性都必須準(zhǔn)確、且熱力系統(tǒng)沒(méi)有變化、額定環(huán)境條件下得到。事實(shí)上大多數(shù)汽輪機(jī)組都不在設(shè)計(jì)的熱力系統(tǒng)、設(shè)計(jì)環(huán)境條件下運(yùn)行，滑壓曲線作為最佳效率曲線，設(shè)備、參數(shù)、系統(tǒng)、環(huán)境條件的任何偏差均會(huì)造成最佳效率點(diǎn)的偏離。一成不變地使用理論滑壓曲線將會(huì)給機(jī)組造成能耗損失，降低機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。熱力性能試驗(yàn)是尋求最佳運(yùn)行方式最直接且行之有效的辦法。本文以某國(guó)產(chǎn)超臨界600 MW機(jī)組為例通過(guò)試驗(yàn)方法確定機(jī)組的最佳滑壓運(yùn)行方式。

1 機(jī)組概況

生產(chǎn)廠家:哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司

型號(hào):CLN600－24.2/566/566

型式:超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、凝汽式

額定功率:600 MW

最大功率:669.66 MW

額定主蒸汽流量:1 661.59 t/h

主蒸汽壓力/溫度:24.2 MPa/566℃

再熱蒸汽壓力/溫度:3.832 MPa/566℃

汽輪機(jī)背壓:4.6 kPa

鍋爐給水溫度:275.3℃

加熱器數(shù):3GJ+1CY+4DJ

額定負(fù)荷機(jī)組熱耗率:7 522.4 kJ/kW·h

2 汽輪機(jī)運(yùn)行方式

2.1 順序閥定壓運(yùn)行

各調(diào)節(jié)閥在額定的主蒸汽壓力下按給定的順序開(kāi)啟或關(guān)閉，由于是主蒸汽保持額定參數(shù)，循環(huán)熱效率不受負(fù)荷變化的影響;但部分負(fù)荷時(shí)調(diào)汽門(mén)節(jié)流損失較大。此外，定壓運(yùn)行機(jī)組在變工況下各級(jí)速比將偏離設(shè)計(jì)最佳值，從而影響高壓缸的相對(duì)內(nèi)效率。

2.2 純滑壓運(yùn)行

所有高壓調(diào)節(jié)閥在整個(gè)負(fù)荷變化范圍內(nèi)保持全開(kāi)，通過(guò)改變鍋爐壓力調(diào)整負(fù)荷。該運(yùn)行方式無(wú)任何節(jié)流損失，可以獲得最佳高壓缸效率。但負(fù)荷響應(yīng)慢，無(wú)法滿足電網(wǎng)快速調(diào)峰的要求。

2.3 部分調(diào)節(jié)閥全開(kāi)滑壓運(yùn)行

部分調(diào)節(jié)閥全開(kāi)滑壓運(yùn)行分為2閥全開(kāi)和3閥全開(kāi)2種 (2個(gè)或3個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥全部開(kāi)啟，其余調(diào)節(jié)閥不開(kāi))。該運(yùn)行方式與純滑壓運(yùn)行方式相比，同樣是通過(guò)改變鍋爐壓力調(diào)整負(fù)荷，節(jié)流損失減少。但因高壓缸效率略低，同樣負(fù)荷下主蒸汽壓力更高，所以機(jī)組循環(huán)效率更高。

2.4 閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行

閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行分為2閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行和3閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行2種。由于調(diào)節(jié)閥重疊度的存在，將前一個(gè)調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟到一定程度，下一個(gè)調(diào)節(jié)閥即將開(kāi)啟的閥位狀態(tài)稱(chēng)為閥點(diǎn)。2閥點(diǎn)為1、2號(hào)調(diào)節(jié)閥部分開(kāi)啟、3號(hào)調(diào)節(jié)閥即將開(kāi)啟的狀態(tài);3閥點(diǎn)為1號(hào)、2號(hào)調(diào)節(jié)閥已完全開(kāi)啟、3號(hào)調(diào)節(jié)閥部分開(kāi)啟、4號(hào)調(diào)節(jié)閥即將開(kāi)啟的狀態(tài)。

目前較為經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式為復(fù)合滑壓運(yùn)行。在高負(fù)荷區(qū)采用定壓運(yùn)行、在中間負(fù)荷區(qū)采用滑壓運(yùn)行、在低負(fù)荷區(qū)采用較低主蒸汽壓力水平下的定壓運(yùn)行方式。

3 影響定、滑壓運(yùn)行熱耗率變化的因素

理論上定、滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性可從熱耗率基本計(jì)算公式出發(fā)，分析引起定、滑壓運(yùn)行熱耗率變化的因素。

a. 滑壓時(shí)由于初焓增加引起鍋爐給水吸熱量的增加，從而導(dǎo)致熱耗率的相對(duì)增加;

b. 滑壓時(shí)由于高壓缸排汽焓增加引起再熱蒸汽吸熱量減少，導(dǎo)致熱耗率的降低;

c. 滑壓時(shí)由于高壓缸初焓和排汽焓的變化引起高壓缸有效焓降和汽輪機(jī)功率的增減，導(dǎo)致熱耗率的相對(duì)變化;

d. 給水泵耗功的降低引起熱耗率的減少。

采用滑壓運(yùn)行與定壓運(yùn)行相比熱耗率增加或降低取決以上4項(xiàng)的代數(shù)和。

但除了上述4項(xiàng)影響因素外，對(duì)實(shí)際運(yùn)行的機(jī)組還要考慮滑壓運(yùn)行時(shí)參數(shù)的保持、給水泵組實(shí)際效率的變化及滑壓運(yùn)行時(shí)主蒸汽流量的實(shí)際變化。這些因素在理論計(jì)算上很難考慮，因此滑壓運(yùn)行時(shí)主蒸汽壓力的選擇、閥位確定和滑壓運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)來(lái)確定。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 高壓缸效率的影響

高壓缸效率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，相同負(fù)荷下滑壓運(yùn)行的高壓缸效率高于定壓運(yùn)行;在同一種運(yùn)行方式下高壓缸效率隨著負(fù)荷降低而降低;在負(fù)荷大于500 MW時(shí)3閥全開(kāi)滑壓運(yùn)行的高壓缸效率高于3閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行，在負(fù)荷低于500 MW時(shí)2閥全開(kāi)滑壓運(yùn)行的高壓缸效率與設(shè)計(jì)順序閥滑壓運(yùn)行高壓缸效率相差不大;在負(fù)荷為500 MW和450 MW時(shí)，3閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行的高壓缸效率高于2閥全開(kāi)滑壓運(yùn)行。

4.2 給水泵小汽機(jī)的影響

在600 MW機(jī)組中給水泵耗功約占主機(jī)功率的2.8%。本機(jī)組配備2臺(tái)汽動(dòng)給水泵。在低于額定負(fù)荷滑壓時(shí)，由于主蒸汽壓力的降低，給水泵所克服的阻力和給水泵的揚(yáng)程降低使給水泵的耗功比定壓時(shí)降低很多。表2為小汽機(jī)用汽量的試驗(yàn)結(jié)果。

小汽機(jī)的用汽量和主蒸汽壓力高低有關(guān)，主蒸汽壓力越低，給水泵所克服的阻力越小，給水泵的揚(yáng)程越低，小汽機(jī)的用汽量越少。在450 MW負(fù)荷以上時(shí)，3閥全開(kāi)滑壓運(yùn)行方式下小汽機(jī)用汽量最少，3閥點(diǎn)滑壓和3閥全開(kāi)滑壓小汽機(jī)用汽量相差不大;450 MW負(fù)荷以下時(shí)2閥全開(kāi)滑壓比順序閥滑壓小汽機(jī)用汽量略多。

4.3 高壓缸排汽溫度的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，不同運(yùn)行方式下高壓缸排汽溫度比較見(jiàn)表3。

表1 不同運(yùn)行方式下不同負(fù)荷時(shí)高壓缸效率 %

表2 不同運(yùn)行方式下不同負(fù)荷時(shí)小汽機(jī)用汽量 t/h

表3 不同運(yùn)行方式下不同負(fù)荷時(shí)高壓缸排汽溫度 ℃

由表3可知，定壓運(yùn)行方式下在負(fù)荷降低時(shí)，高壓缸排汽溫度也降低，滑壓運(yùn)行方式下在負(fù)荷降低時(shí)高壓缸排汽溫度升高。在550 MW、530 MW、500 MW和450 MW時(shí)，采用3閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行的高壓缸排汽溫度較順序閥定壓運(yùn)行分別高9.27℃、24.49℃、29.73℃和30.85℃。而在500 MW和450 MW時(shí)3閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行時(shí)高壓缸排汽溫度較2閥全開(kāi)滑壓運(yùn)行分別高27.48℃和21.49℃。

4.4 主蒸汽壓力的影響

雖然滑壓運(yùn)行提高了高壓缸效率，減少了小汽機(jī)用汽量，但滑壓運(yùn)行時(shí)主蒸汽壓力降低，會(huì)大大降低汽輪機(jī)裝置的循環(huán)效率。滑壓運(yùn)行時(shí)主蒸汽壓力降低的幅度與滑壓運(yùn)行方式的選擇有關(guān)，合理選擇主蒸汽壓力是滑壓運(yùn)行方式的關(guān)鍵。表4給出了不同運(yùn)行方式下不同負(fù)荷時(shí)主蒸汽壓力的比較。

4.5 汽輪機(jī)熱耗率的影響

機(jī)組在滑壓運(yùn)行時(shí)由于節(jié)流損失小，高壓缸相對(duì)內(nèi)效率比定壓運(yùn)行時(shí)高;滑壓運(yùn)行時(shí)高壓缸排汽溫度較定壓運(yùn)行時(shí)高，蒸汽在再熱器吸熱量減少;滑壓運(yùn)行時(shí)給水泵耗功降低，在部分負(fù)荷時(shí)滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)于定壓運(yùn)行。

汽輪機(jī)熱耗率體現(xiàn)了各種因素的綜合影響，各個(gè)工況的熱耗率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，熱耗率與負(fù)荷的比較曲線見(jiàn)圖1。

通過(guò)熱耗率比較可知，當(dāng)負(fù)荷大于540 MW、順序閥定壓運(yùn)行時(shí)熱耗率最低，經(jīng)濟(jì)性最好;當(dāng)負(fù)荷為510～540 MW，3閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行時(shí)熱耗率最低，經(jīng)濟(jì)性最好;當(dāng)負(fù)荷為300～510 MW、2閥全開(kāi)滑壓運(yùn)行時(shí)熱耗率最低，經(jīng)濟(jì)性最好。

4.6 滑壓運(yùn)行方式的選擇

通過(guò)對(duì)定壓運(yùn)行和滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性分析，采用復(fù)合滑壓運(yùn)行方式是機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行的最佳選擇方式。采用復(fù)合滑壓方式運(yùn)行可分為2個(gè)階段 (順序閥定壓階段和滑壓階段)。前面已經(jīng)比較過(guò)在負(fù)荷為540～600 MW時(shí)順序閥定壓運(yùn)行經(jīng)濟(jì)，在505～540 MW時(shí)3閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行經(jīng)濟(jì)，在負(fù)荷低于505 MW時(shí)2閥全開(kāi)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)。由于負(fù)荷在505～540 MW時(shí)3種運(yùn)行方式熱耗率相差不大，而負(fù)荷低于505 MW時(shí)2閥全開(kāi)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性十分明顯。為了保證機(jī)組調(diào)峰期間滑壓運(yùn)行的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性和方便操作，機(jī)組的復(fù)合滑壓方式分為順序閥定壓階段和2閥全開(kāi)滑壓階段，見(jiàn)表6。

順序閥定壓階段。當(dāng)負(fù)荷在510～600 MW之間時(shí)，保持主蒸汽壓力額定是通過(guò)主蒸汽流量的變化來(lái)調(diào)整負(fù)荷的需要。

表4 不同運(yùn)行方式下不同負(fù)荷時(shí)主蒸汽壓力 MPa

表5 不同運(yùn)行方式下不同負(fù)荷時(shí)的熱耗率 kJ/kW·h

圖1 熱耗率對(duì)比曲線

表6 復(fù)合滑壓運(yùn)行時(shí)閥位的選擇

2閥全開(kāi)滑壓階段。當(dāng)負(fù)荷在300～510 MW之間時(shí)，保持2閥全開(kāi)運(yùn)行 (1號(hào)、2號(hào)高壓調(diào)節(jié)閥開(kāi)度在100%，3號(hào)、4號(hào)開(kāi)度為0)，調(diào)整鍋爐壓力以適應(yīng)負(fù)荷的需要。

5 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)分析得出機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行方式為復(fù)合滑壓運(yùn)行。閥位控制方式:負(fù)荷為510～600 MW時(shí)采用順序閥定壓運(yùn)行方式，負(fù)荷為300～510 MW時(shí)采用2閥全開(kāi)滑壓運(yùn)行，主蒸汽壓力由24.2 MPa滑壓至14.38 MPa。

機(jī)組采用復(fù)合滑壓運(yùn)行方式不但可提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，而且滑壓運(yùn)行鍋爐和主蒸汽管道等部件工作壓力較低，汽輪機(jī)高壓缸各級(jí)溫度變化較小，減小了軸系和葉片的熱應(yīng)力，延長(zhǎng)了機(jī)組的使用壽命。同時(shí)機(jī)組變負(fù)荷速率提高，可以更好地滿足電網(wǎng)調(diào)峰要求。

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