1030MW機(jī)組汽輪機(jī)配汽優(yōu)化方案及應(yīng)用

劉鋒，郭娟

(1.河南省節(jié)能監(jiān)察局，鄭州市 450008，2.鄭州市熱力總公司，鄭州市 450008)

0 引言

某發(fā)電分公司 1、2號(hào)機(jī)組單機(jī)容量為1030MW，采用哈爾濱汽輪機(jī)有限公司(簡(jiǎn)稱哈汽公司)引進(jìn)日本東芝公司技術(shù)制造生產(chǎn)，型號(hào)為N1030－25.0/600/600的超超臨界、單軸、四缸四排汽、中間再熱、抽汽凝汽式汽輪機(jī)。2臺(tái)機(jī)組分別于2010年11月和12月投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

哈汽公司生產(chǎn)的1030MW超超臨界機(jī)組采用四閥復(fù)合滑壓配汽方式，在啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)，采用節(jié)流調(diào)節(jié)，此時(shí)4個(gè)調(diào)節(jié)閥同時(shí)開啟，帶30%負(fù)荷之后，轉(zhuǎn)為三閥方式噴嘴調(diào)節(jié)。這種運(yùn)行方式在啟動(dòng)和低負(fù)荷階段汽輪機(jī)全周進(jìn)汽，加熱均勻、熱應(yīng)力小，避免汽輪機(jī)受到較大的熱沖擊和部分進(jìn)汽造成的不穩(wěn)定性［1］;而在額定負(fù)荷時(shí)，調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失小，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。此方式在部分負(fù)荷下機(jī)組滑壓3個(gè)調(diào)節(jié)門存在節(jié)流，其經(jīng)濟(jì)性低于其他電廠采用的典型兩閥復(fù)合滑壓方式［2］。

1 1030MW機(jī)組熱耗特性及熱端經(jīng)濟(jì)性分析

1.1 哈汽公司1030MW機(jī)組汽輪機(jī)特性

深入理解機(jī)組設(shè)計(jì)思想，充分利用機(jī)組的設(shè)計(jì)特性提高汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率、蒸汽動(dòng)力循環(huán)熱效率，降低汽輪機(jī)熱耗，是提高汽輪機(jī)性能的主要途徑［3］。

1.1.1 汽輪機(jī)負(fù)荷與熱耗關(guān)系

從各負(fù)荷點(diǎn)平均熱耗率曲線看，該電廠1號(hào)機(jī)組在850～1030MW負(fù)荷段熱耗率變化不大(小于1%)，負(fù)荷變化為180MW，熱耗增加約59.88 kJ/(kW·h);在700～850MW負(fù)荷段，負(fù)荷變化為150MW，熱耗率增加約59.88 kJ/(kW·h);在500～700MW負(fù)荷段，負(fù)荷變化為200MW，熱耗率增加約243.00 kJ/(kW·h)之多。負(fù)荷低于750MW后平均熱耗率急劇增大，負(fù)荷低于500MW后熱耗與主汽流量為線性關(guān)系，負(fù)荷率超過75%方能保證一定的經(jīng)濟(jì)性。超超臨界1030MW機(jī)組汽輪機(jī)負(fù)荷與熱耗關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 汽輪機(jī)輸出功率與熱耗曲線Fig.1 Relation curve of turbine output power and heat consumption

1.1.2 各缸效率與負(fù)荷率關(guān)系

基于不同負(fù)荷率時(shí)背壓為定值而繪制的該型汽輪機(jī)熱力特性曲線如圖2所示。

圖2 機(jī)組負(fù)荷與高、中及低壓缸內(nèi)效率的關(guān)系Fig.2 Relation between unit load and HP，IP，LP cylinder efficiencies

由圖2可知:

(1)中壓缸效率最高，且功率變化效率幾乎不變。

(2)低壓缸效率在功率下降時(shí)是上升的，在功率上升時(shí)是下降的，低壓缸做功份額最大，由于其特性，在低負(fù)荷時(shí)，低壓缸效率對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性是有利的。

(3)高壓缸效率在不同的運(yùn)行方式下(單閥和順序閥)，隨功率的變化而變化，圖2中高壓缸效率與機(jī)組負(fù)荷關(guān)系曲線反映其特性。單閥運(yùn)行時(shí)，隨功率的下降，高壓缸效率直線下降;順序閥運(yùn)行時(shí)，由于要開2組以上，隨功率的下降而下降，但是到一定程度，維持不變，所以變工況運(yùn)行時(shí)高壓缸的效率，對(duì)熱耗影響較大。

由圖2可知，采用噴嘴配汽的機(jī)組高壓缸通流部分由調(diào)節(jié)級(jí)和壓力級(jí)組成，不同運(yùn)行方式下調(diào)節(jié)級(jí)總效率差別很大，是影響高壓缸效率的主要因素。

中壓缸效率在負(fù)荷變化時(shí)無明顯變化，低壓缸的效率隨負(fù)荷的改變有所變化，但運(yùn)行方式對(duì)其沒有影響。運(yùn)行方式變化對(duì)高壓缸效率的影響比較大，因此機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化應(yīng)從分析高壓缸效率著手。

1.2 哈汽公司1030MW機(jī)組汽輪機(jī)設(shè)計(jì)和性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1為1030MW機(jī)組汽輪機(jī)設(shè)計(jì)和性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3為該電廠1號(hào)機(jī)組熱耗與功率關(guān)系曲線。從各負(fù)荷點(diǎn)平均熱耗率曲線看，該電廠1號(hào)機(jī)組在850～1030MW負(fù)荷段熱耗率變化不大(小于1%)，負(fù)荷變化180MW，供電煤耗增加約2.70 g/(kW·h);在700～850MW負(fù)荷段，負(fù)荷變化150MW，供電煤耗約增加5.09 g/(kW·h);在500～700MW負(fù)荷段，負(fù)荷變化 200MW，供電煤耗約增加10.81 g/(kW·h)之多。以上數(shù)據(jù)說明機(jī)組負(fù)荷在高負(fù)荷區(qū)間變化，供電煤耗變化不大，機(jī)組負(fù)荷在低負(fù)荷區(qū)間變化時(shí)，供電煤耗變化比較大。

圖3 該電廠1號(hào)機(jī)組熱耗與功率關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve of power and heat consumption rate of No.1 unit

1.3 哈汽公司1030MW機(jī)組汽輪機(jī)滑壓參數(shù)

超超臨界機(jī)組采用滑壓調(diào)節(jié)方式運(yùn)行時(shí)，機(jī)組壓力逐漸由超臨界狀態(tài)過渡到亞臨界狀態(tài)，高負(fù)荷下定－滑壓切換點(diǎn)遠(yuǎn)比亞臨界機(jī)組更為敏感［4-5］，哈汽－東芝型和東汽－日立型汽輪機(jī)，汽輪機(jī)廠提供的滑壓曲線是按照三閥滑壓調(diào)節(jié)方式給定的，哈汽－東芝型汽輪機(jī)設(shè)計(jì)的三閥滑壓和優(yōu)化后的兩閥滑壓曲線見圖4。其上滑點(diǎn)為98%負(fù)荷，即負(fù)荷約980MW，主汽壓達(dá)到25.0 MPa。通過對(duì)國(guó)產(chǎn)3種超超臨界機(jī)組的熱力特性理論研究和20臺(tái)3種機(jī)型性能試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)超超臨界狀態(tài)過渡到亞臨界狀態(tài)的過渡點(diǎn)普遍偏高。例如:哈汽－東芝型汽輪機(jī)在三閥滑壓時(shí)，汽輪機(jī)負(fù)荷低于883 MW，主汽壓降為22.115 MPa，不利于機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行;采用兩閥滑壓調(diào)節(jié)時(shí)，上滑點(diǎn)下降為80%負(fù)荷，機(jī)組在750MW以上一直保持超臨界參數(shù)運(yùn)行，明顯能夠取得較大的節(jié)能效果。

圖4 設(shè)計(jì)的三閥滑壓和優(yōu)化兩閥滑壓曲線Fig.4 Design sliding pressure with three valves and optimized sliding pressure with two valves

2 滑壓運(yùn)行優(yōu)化及試驗(yàn)分析

2.1 三閥滑壓優(yōu)化

為保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組投產(chǎn)半年內(nèi)必須使用單閥方式運(yùn)行。在哈汽公司1030MW機(jī)組性能試驗(yàn)及理論分析的基礎(chǔ)上，首先進(jìn)行了三閥滑壓運(yùn)行優(yōu)化，在不改變DEH閥位函數(shù)的前提下，進(jìn)行了定滑壓力曲線優(yōu)化，壓力曲線為300～900MW時(shí)壓力整體提高了0.1 MPa，但節(jié)能效果有限，節(jié)約供電煤耗平均大概為0.1 g/(kW·h)。若要取得更好的節(jié)能效果，須更改閥位函數(shù)，三閥滑壓變?yōu)閮砷y滑壓，并修改相應(yīng)的定滑壓力曲線。

2.2 兩閥滑壓優(yōu)化

該電廠安裝了哈汽－東芝型超超臨界1000MW機(jī)組，在東芝公司專家指導(dǎo)下，采用東芝公司設(shè)計(jì)的配汽方式進(jìn)行兩閥試驗(yàn)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)1、2號(hào)瓦溫度和振動(dòng)較大，最終造成汽輪機(jī)燒瓦，影響機(jī)組安全運(yùn)行［6］。此后該機(jī)組恢復(fù)為三閥運(yùn)行方式。

該電廠1號(hào)機(jī)組在理論分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)汽輪機(jī)熱耗特性和配汽不平衡汽流力及變化情況，選擇最佳對(duì)角配汽方式，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了軸系的安全、可靠性;確定了配汽機(jī)構(gòu)的閥序(GV2+GV3→GV1→GV4)，設(shè)置了各高壓調(diào)節(jié)門之間的重疊度［7］，改進(jìn)了閥門的升程特性;在此基礎(chǔ)上合理采用定—滑—定運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合滑壓運(yùn)行［8-9］。該電廠的此項(xiàng)優(yōu)化對(duì)節(jié)能降耗意義重大，優(yōu)化后的哈汽公司1030MW機(jī)組總閥位指令與高壓調(diào)節(jié)門閥位關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后總閥位指令與高壓調(diào)節(jié)門閥位關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve of optimized total valve instruction and high pressure control valve position

2.3 滑壓優(yōu)化前后數(shù)據(jù)比較及經(jīng)濟(jì)性分析

該電廠1號(hào)汽輪機(jī)三閥運(yùn)行與復(fù)合滑壓運(yùn)行高中壓缸內(nèi)效率運(yùn)行數(shù)據(jù)比較如表2所示;三閥滑壓運(yùn)行與兩閥運(yùn)行熱耗、煤耗率計(jì)算結(jié)果比較如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化配汽實(shí)現(xiàn)復(fù)合滑壓運(yùn)行方式后，提高了500～900MW負(fù)荷段的經(jīng)濟(jì)性，按75%負(fù)荷率保守計(jì)算，發(fā)電煤耗降低1.5 g/(kW·h)。

2.4 汽輪機(jī)配汽優(yōu)化方式綜合分析

經(jīng)對(duì)哈汽公司1030MW汽輪機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，東芝公司提供的滑壓曲線存在2個(gè)問題:

(1)上滑點(diǎn)設(shè)置過高。東芝公司提供的三閥滑壓切換點(diǎn)為980MW，優(yōu)化成復(fù)合滑壓后，將切換點(diǎn)調(diào)整為790MW，機(jī)組壓力調(diào)整到額定壓力，優(yōu)化后機(jī)組大約降低發(fā)電煤耗3.91 g/(kW·h)。

(2)下滑點(diǎn)主汽壓力設(shè)置較低。以500MW負(fù)荷為例，優(yōu)化后機(jī)組壓力由原廠家給定值13.71 MPa提升到15.4 MPa，機(jī)組熱耗降低52 kJ/(kW·h)，約合發(fā)電煤耗1.6 g/(kW·h)。

機(jī)組168 h考核試運(yùn)后采用三閥滑壓運(yùn)行方式，綜合各運(yùn)行方式對(duì)高壓缸效率和熱力循環(huán)的影響，對(duì)機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，進(jìn)而得出最佳的運(yùn)行方式［9］。

100%THA工況下調(diào)節(jié)級(jí)設(shè)計(jì)效率為61.319%，THA工況試驗(yàn)的調(diào)節(jié)級(jí)總效率為58.23%，給水泵耗功與其他方式相比較接近，以78%負(fù)荷為上滑點(diǎn)，此時(shí)主蒸汽壓力保持為額定值。三閥滑壓運(yùn)行高壓缸排汽溫度較兩閥模式高，負(fù)荷越低兩者相差越大。如在600MW時(shí)，三閥滑壓模式高壓缸排汽溫度為361.76℃，而兩閥模式時(shí)為 346.59℃，降低15.17℃;在900MW時(shí)，三閥滑壓模式高壓缸排汽溫度為353.96℃，而兩閥模式時(shí)為346.94℃，降低7.02℃，高壓缸排汽壓力二者差別不大。實(shí)際上，由于三閥運(yùn)行時(shí)蒸汽在高壓缸內(nèi)少做的有效功轉(zhuǎn)變成的熱量，等于因高壓缸排汽焓升高，蒸汽在再熱器中少吸收的熱。但即使假定兩者熱量絕對(duì)相等，因少吸收的熱無法轉(zhuǎn)換成同樣的功，所以兩種配汽方式效率差為高壓缸相對(duì)內(nèi)效率的差值［10］。四閥全開工況，在110%額定負(fù)荷時(shí)達(dá)到額定壓力;三閥全開工況，在103%負(fù)荷時(shí)達(dá)到額定壓力;二閥全開工況，在78.95%負(fù)荷時(shí)達(dá)到額定壓力。

熱力經(jīng)濟(jì)性分析表明，滑壓運(yùn)行方式下，主蒸汽壓力變化對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響是最大的，二閥滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性好于三閥滑壓運(yùn)行;三閥滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于四閥滑壓運(yùn)行。

3 結(jié)語

相對(duì)于定壓運(yùn)行方式而言，采用復(fù)合滑壓運(yùn)行方式有利于提高機(jī)組的高壓缸效率，降低給水泵動(dòng)力消耗，但是循環(huán)效率也隨新蒸汽壓力的降低而降低，因此滑壓運(yùn)行參數(shù)存在一定的優(yōu)化空間。只有當(dāng)循環(huán)效率的降低對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響小于高壓缸內(nèi)效率的提高、給水泵動(dòng)力消耗的減少，采用滑壓運(yùn)行才能提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。

該電廠2臺(tái)機(jī)組年發(fā)電量為110億kW·h，采用復(fù)合滑壓運(yùn)行方式，年運(yùn)行節(jié)煤量約為1.659萬t標(biāo)煤;按每t標(biāo)煤800元計(jì)算，節(jié)約成本1327.20萬元。該發(fā)電廠完成了超超臨界1030MW汽輪機(jī)閥門管理系統(tǒng)改造，把東芝公司設(shè)計(jì)的順序閥方案“1號(hào)+2號(hào)+3號(hào)→4號(hào)”改造成“2號(hào)+3號(hào)→1號(hào)→4號(hào)”，并對(duì)滑壓曲線和閥門重疊度進(jìn)行了優(yōu)化配置。性能測(cè)試和運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明，采用新的順序閥方案后，在保證機(jī)組的安全性前提下大大降低了機(jī)組能耗。

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