基于試驗(yàn)法的600 MW超臨界汽輪機(jī)閥門特性優(yōu)化

王章生，王守帥，俞啟云，鄢傳武

（1.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030； 2.十里泉發(fā)電廠，山東 棗莊 277103）

0 前言

目前，多數(shù)發(fā)電廠采用制造廠提供的高壓調(diào)門特性來指導(dǎo)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行。閥門特性通常是指閥門升程與閥門流量的關(guān)系，通過閥門的流量是閥門升程與閥門前后壓比的函數(shù)。機(jī)組在順序閥投運(yùn)的運(yùn)行方式下，主蒸汽流量通過流量分配函數(shù)分配給各個(gè)調(diào)門，確定該工況下各個(gè)調(diào)門升程與流量的關(guān)系。

在機(jī)組采用順序閥配汽的運(yùn)行方式下，節(jié)流損失較小、經(jīng)濟(jì)性較高。當(dāng)配汽特性設(shè)計(jì)不良時(shí)，機(jī)組的閥門升程特性與流量特性會偏離原設(shè)計(jì)狀態(tài)，直接影響到系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性、一次調(diào)頻性能、運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性。為了研究調(diào)門特性對機(jī)組的影響，國外有從理論方面來研究不同閥門前后壓比下，閥門升程與流量的關(guān)系特性[1-2]；國內(nèi)有從機(jī)組調(diào)門重疊度方面來研究閥門組合特性[3-4]。以下經(jīng)試驗(yàn)來確定順序閥配汽方式下閥門管理參數(shù)與控制參數(shù)之間的關(guān)系[5]，以某600 MW超臨界機(jī)組為研究對象，通過閥門優(yōu)化前后機(jī)組性能數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，機(jī)組的節(jié)能降耗空間較為明顯。

1 系統(tǒng)概述

某600 MW超臨界機(jī)組配備一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)。高、中壓缸采用合缸結(jié)構(gòu)，2個(gè)低壓缸為對稱分流式，機(jī)組型號為N600-24.2/566/566。

機(jī)組閥門啟閉控制采用數(shù)字電液調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。高壓進(jìn)汽閥門為2只高壓主汽門，每個(gè)高壓主汽門分別控制2個(gè)高壓調(diào)門。機(jī)組經(jīng)過閥門優(yōu)化后采用順序閥運(yùn)行，進(jìn)汽順序?yàn)椤?號+4號→3號→1號”，汽輪機(jī)配汽方式如圖1所示。

圖1 600 MW超臨界汽輪機(jī)配汽方式

2 經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)計(jì)算模型

試驗(yàn)主要依據(jù)GB 8117-87《電站汽輪機(jī)熱力性能驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》和美國機(jī)械工程師協(xié)會ASME PTC6-1996《汽輪機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)程》?？紤]到超臨界機(jī)組給水壓力較高，精確測量給水流量難度較大，試驗(yàn)時(shí)機(jī)組的給水流量是通過測量除氧器進(jìn)口流量，采用熱平衡方法來確定的。為減少外界條件對機(jī)組的影響，試驗(yàn)過程采用單機(jī)運(yùn)行，并對機(jī)組補(bǔ)水、加熱器危急疏水、管道閥門疏水、系統(tǒng)排污、吹灰與系統(tǒng)排汽進(jìn)行了隔離，具體方法參照文獻(xiàn)[6]。

機(jī)組的試驗(yàn)熱耗率用式（1）表示：

式中：HR為機(jī)組試驗(yàn)熱耗率；Pe為試驗(yàn)電功率；Grhsp為再熱減溫水流量；Hrhsp為再熱減溫水焓；Gms，Gffw分別為主蒸汽流量與給水流量；Hms，Hffw分別為主蒸汽焓與給水焓；Ghrh，Gcrh分別為熱再與冷再蒸汽流量；Hhrh，Hcrh分別為熱再與冷再蒸汽焓。

全廠熱效率用式（2）表示：

式中：ηgl，ηgd分別為鍋爐效率和管道效率；ηr，ηkn分別為循環(huán)熱效率和汽機(jī)相對內(nèi)效率；ηj，ηd分別為機(jī)械傳遞效率和發(fā)電機(jī)效率。

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，ηgl，ηgd，ηj，ηd變化不大，影響全廠熱效率因素為ηr，ηkn。當(dāng)機(jī)組帶部分負(fù)荷時(shí)，若初參數(shù)不變，必須關(guān)小調(diào)門，節(jié)流損失增加，ηkn降低；若降低初參數(shù)，保持閥門開度不變，ηr降低。帶部分負(fù)荷時(shí)，一定存在一個(gè)較優(yōu)的調(diào)門開度，使ηr×ηkn有一個(gè)最佳值，此時(shí)熱效率高、煤耗低、機(jī)組經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)。

3 試驗(yàn)分析

3.1 機(jī)組歷史運(yùn)行情況

該機(jī)組采用東方汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)的日本日立技術(shù)，最初是按照基礎(chǔ)負(fù)荷、不參與調(diào)峰的理念來設(shè)計(jì)的。但是自投產(chǎn)以來，一直作為調(diào)峰機(jī)組使用，年平均負(fù)荷不到70%。若機(jī)組按原有的閥序運(yùn)行，將影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。負(fù)荷分別為550 MW，500 MW，450 MW，400 MW，360 MW時(shí)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1所示。

表1中的試驗(yàn)熱耗率按上述公式計(jì)算，修正后熱耗率是修正到設(shè)計(jì)工況邊界條件下的值。從表1數(shù)據(jù)可以看出，部分負(fù)荷工況時(shí)，2—4號調(diào)門均沒有全開，節(jié)流損失較大，嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

3.2 機(jī)組相同負(fù)荷工況下試驗(yàn)分析

表1 不同負(fù)荷工況下原機(jī)組調(diào)門組合關(guān)系

為尋求機(jī)組合理的配汽方式，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，對機(jī)組的配汽方式進(jìn)行了一系列閥門特性試驗(yàn)，尋求機(jī)組在不同負(fù)荷工況下，較優(yōu)的閥門組合配汽方式。圖2為機(jī)組的定滑壓曲線。以550 MW工況為例，進(jìn)行不同閥序組合方式下的試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)考慮到機(jī)組安全性，每個(gè)負(fù)荷工況下保證2號與4號高壓調(diào)門開度為100%，通過3號調(diào)門開度與機(jī)組的初參數(shù)來調(diào)節(jié)負(fù)荷。為較準(zhǔn)確地尋求不同負(fù)荷工況下機(jī)組較優(yōu)的閥門組合關(guān)系，分析比較初參數(shù)與蒸汽的節(jié)流損失兩者對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響，試驗(yàn)時(shí)3號調(diào)門開度變化范圍為0～100%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2所示。

圖2 機(jī)組定滑壓曲線

在同一負(fù)荷工況下，采用不同的閥序組合，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性存在較大的差異。通過比較表2中5種調(diào)門組合方案，發(fā)現(xiàn)在2號與4號調(diào)門全開、1號調(diào)門關(guān)閉、3號調(diào)門開到50%以上時(shí)，蒸汽的節(jié)流損失降低了，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于原先的閥門組合方案。而當(dāng)2號與4號號調(diào)門全開、1號調(diào)門關(guān)閉、3號調(diào)門開到50%以下時(shí)，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性比原調(diào)門組合方案差。其原因是在該工況下單閥節(jié)流損失帶來的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于順序閥運(yùn)行與滑參數(shù)運(yùn)行。閥序3工況機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于其他閥序工況下機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，是因?yàn)榫C合考慮了滑參數(shù)與節(jié)流損失兩方面因素。

3.3 機(jī)組調(diào)門優(yōu)化前后對比分析

通過試驗(yàn)分析方法，對不同工況、不同閥序組合分別進(jìn)行試驗(yàn)，尋求在特定負(fù)荷工況下，較優(yōu)的閥門組合方案，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。將試驗(yàn)前后調(diào)門組合進(jìn)行比較，確定閥門優(yōu)化前后機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性及優(yōu)化后機(jī)組滑壓運(yùn)行曲線，如圖3—5所示。

從圖3與圖4閥門優(yōu)化前后數(shù)據(jù)的比較可以看出，優(yōu)化前機(jī)組在不同負(fù)荷工況下，2，3，4號調(diào)門均有一定的開度，其開度均為50%左右，進(jìn)汽節(jié)流損失較大，汽機(jī)的相對熱效率較低。優(yōu)化后閥門在不同負(fù)荷工況下，1號調(diào)門關(guān)閉，2號與4號調(diào)門都全部開啟，通過調(diào)節(jié)3號調(diào)門開度來滿足負(fù)荷要求，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性明顯提高。

表2 550 MW工況下不同調(diào)門組合方案

表3 不同負(fù)荷工況下尋優(yōu)后機(jī)組調(diào)門組合關(guān)系

圖3 優(yōu)化前調(diào)門組合方式

圖4 優(yōu)化后調(diào)門組合方式

圖5 優(yōu)化前后機(jī)組經(jīng)濟(jì)性比較

從圖4優(yōu)化后閥門組合關(guān)系可以看出，負(fù)荷從350 MW增至550 MW時(shí)，3號調(diào)門在500 MW處突增后又慢慢降低，這是因?yàn)閷で髾C(jī)組較優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性時(shí)，一方面要考慮閥門組合關(guān)系，另一方面要考慮機(jī)組定滑壓經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，試驗(yàn)500 MW工況出現(xiàn)3號調(diào)門階躍是機(jī)組定滑壓優(yōu)化運(yùn)行影響的結(jié)果。從圖4結(jié)果可以看出，閥門優(yōu)化是確定不同負(fù)荷工況下，機(jī)組較優(yōu)的閥門組合關(guān)系。根據(jù)優(yōu)化閥門組合關(guān)系結(jié)果，調(diào)整閥門升程與蒸汽流量（負(fù)荷）關(guān)系。

從圖5優(yōu)化前后機(jī)組熱耗率數(shù)據(jù)比較可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過調(diào)門組合優(yōu)化，機(jī)組的熱耗率平均降低30 kJ/kWh，部分負(fù)荷工況下能降低50 kJ/kWh，達(dá)到了機(jī)組節(jié)能降耗的目的。

4 結(jié)論

（1）通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)組原調(diào)門組合方案不適合機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行工況，節(jié)流損失較大。優(yōu)化后通過調(diào)節(jié)3號調(diào)門開度來滿足機(jī)組部分負(fù)荷要求，系統(tǒng)節(jié)流損失較小，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性較高。機(jī)組的熱耗率平均降低30 kJ/kWh，節(jié)能效果明顯。

（2）閥門特性優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮了閥門特性優(yōu)化與機(jī)組定滑壓運(yùn)行，可以直接根據(jù)閥門優(yōu)化結(jié)果調(diào)整機(jī)組負(fù)荷與主汽壓力對應(yīng)關(guān)系，減少大修改造后重新調(diào)整機(jī)組定滑壓運(yùn)行曲線的工作量。

（3）通過試驗(yàn)的方法來研究機(jī)組調(diào)門組合關(guān)系，彌補(bǔ)了理論研究的不足，對同類型機(jī)組的節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行具有參考價(jià)值。

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[2]ASME.Analysis of a Pressure-Compensated Flow Control Value[S].2007.

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[4]田松峰，史志杰，閆麗濤.汽輪機(jī)控制系統(tǒng)中閥門重疊度的研究[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2008，50（6）:448-450.

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[6]劉凱.汽輪機(jī)試驗(yàn)[M].北京：中國電力出版社，2005.