超臨界600MW汽輪機(jī)配汽方式優(yōu)化分析

劉興暉，任江波，李 剛

（華能國(guó)際電力股份有限公司上安電廠，石家莊 050310）

1 概況

華能國(guó)際電力股份有限公司上安電廠（簡(jiǎn)稱“華能上安電廠”）5號(hào)機(jī)組于2008年6月投入商業(yè)運(yùn)行，為國(guó)內(nèi)首臺(tái)超臨界600MW直接空冷機(jī)組，汽輪機(jī)為 NZK600－24.2/566/566型超臨界、一次中間再熱、沖動(dòng)式、單軸三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)額定功率620.0MW，最大功率677.2MW，額定主蒸汽量1 879.5t/h，最大主蒸汽量2 090.0t/h，額定蒸汽參數(shù)24.2MPa/566℃（主蒸汽門前），再熱蒸汽參數(shù)4.088MPa/566℃（中聯(lián)門前），額定背壓16.0kPa，設(shè)計(jì)熱耗7 971kJ/kWh。

該型汽輪機(jī)采用全電調(diào)控制的復(fù)合滑壓配汽方式，調(diào)節(jié)閥采用多閥系統(tǒng)，各閥嚴(yán)格按照預(yù)定的程序執(zhí)行啟閉、升程關(guān)系固定。在啟動(dòng)和較低負(fù)荷時(shí)，汽輪機(jī)采用節(jié)流調(diào)節(jié)，此時(shí)4個(gè)調(diào)節(jié)閥同時(shí)開(kāi)啟，帶一定負(fù)荷后，關(guān)小或關(guān)閉部分閥門，轉(zhuǎn)為噴嘴調(diào)節(jié)［1］。此配汽方式在額定負(fù)荷下的效率較高，但在部分負(fù)荷時(shí)節(jié)流損失較大。近年隨電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化，600MW等級(jí)機(jī)組頻繁參與電網(wǎng)調(diào)峰，常年在60%～80%負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行，汽輪機(jī)節(jié)流損失較大，為進(jìn)一步提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，需要在原配汽方式基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。華能上安電廠利用2012年5號(hào)機(jī)組大修機(jī)會(huì)對(duì)汽輪機(jī)的配汽方式及定滑壓曲線重新進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行中調(diào)門盡量多的處于全開(kāi)狀態(tài)，減小調(diào)門節(jié)流損失，降低汽機(jī)熱耗，以提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2 汽輪機(jī)原配汽方式存在的問(wèn)題

華能上安電廠5號(hào)機(jī)組原復(fù)合滑壓配汽方式在啟動(dòng)和較低負(fù)荷時(shí)，汽輪機(jī)采用節(jié)流調(diào)節(jié)，此時(shí)4個(gè)調(diào)節(jié)閥同時(shí)開(kāi)啟，帶一定負(fù)荷后，關(guān)小、關(guān)閉部分閥門，轉(zhuǎn)為噴嘴調(diào)節(jié)，原復(fù)合滑壓配汽曲線見(jiàn)圖1。圖2為該機(jī)組高調(diào)閥編號(hào)以及對(duì)應(yīng)的噴嘴組數(shù)目，該機(jī)組調(diào)節(jié)級(jí)4個(gè)噴嘴組為非均勻布置，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號(hào)閥分別對(duì)應(yīng)46、36、46、56只噴嘴。復(fù)合滑壓配汽方式的目的是在啟動(dòng)和低負(fù)荷階段汽輪機(jī)全周進(jìn)汽，以達(dá)到汽輪機(jī)均勻加熱，減小熱應(yīng)力，在額定負(fù)荷時(shí)保持噴嘴調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，減小閥門節(jié)流損失。從汽輪機(jī)的閥門開(kāi)啟順序來(lái)看，該配汽方式帶基本負(fù)荷的機(jī)組設(shè)計(jì)是合理的，如果機(jī)組長(zhǎng)期調(diào)峰運(yùn)行，機(jī)組在較大的部分負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，4個(gè)調(diào)節(jié)閥均有一定開(kāi)度，節(jié)流損失較大。

圖1 原復(fù)合配汽曲線

圖2 高調(diào)閥編號(hào)以及對(duì)應(yīng)噴嘴組數(shù)目（沿蒸汽流動(dòng)方向視圖）

3 配汽優(yōu)化試驗(yàn)

汽輪機(jī)配汽優(yōu)化試驗(yàn)的思路為：機(jī)組負(fù)荷一定的情況下，切除AGC，協(xié)調(diào)退出，DEH投入功率控制回路，在原復(fù)合配汽方式進(jìn)行一次試驗(yàn)，再通過(guò)熱工人員在工程師站手動(dòng)緩慢調(diào)整閥位，改變配汽方式（復(fù)合配汽改順序閥配汽）進(jìn)行試驗(yàn)，運(yùn)行人員監(jiān)視機(jī)組安全性參數(shù)（振動(dòng)和瓦溫）變化，預(yù)先設(shè)定的閥序?yàn)?/4－1－3、1/4－2－3、1/2－4－3，選擇機(jī)組安全性參數(shù)較為正常的閥序?yàn)榕淦麅?yōu)化的最終閥序。優(yōu)化試驗(yàn)前機(jī)組控制方式切手動(dòng)，DEH側(cè)投功率回路，由熱工人員在工程師站緩慢調(diào)整高調(diào)門閥位至目標(biāo)閥位。一方面監(jiān)視新閥序工況下的汽輪機(jī)振動(dòng)、瓦溫等安全性參數(shù)的變化情況，另一方面分別計(jì)算各試驗(yàn)工況下的汽輪機(jī)熱耗，熱耗最低工況對(duì)應(yīng)的閥位為最佳閥位，此時(shí)的主蒸汽壓力為最優(yōu)主蒸汽壓力。然后在不同的負(fù)荷下重復(fù)上述過(guò)程，即可得到汽輪機(jī)在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的最優(yōu)滑壓壓力。2012年5號(hào)機(jī)組大修前完成了汽輪機(jī)在360MW、400MW、450MW、500MW、550MW 和 600MW負(fù)荷下的配汽優(yōu)化試驗(yàn)。下面以360MW負(fù)荷為例進(jìn)行介紹。360MW負(fù)荷共進(jìn)行了5個(gè)試驗(yàn)工況，各試驗(yàn)工況的主要參數(shù)以及計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 360MW試驗(yàn)負(fù)荷主要參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可得到360MW負(fù)荷時(shí)機(jī)組熱耗率隨主蒸汽壓力的變化曲線，如圖3所示。

圖3 360MW負(fù)荷熱耗主蒸汽壓力曲線

由圖3可見(jiàn)，在360MW負(fù)荷，機(jī)組在主蒸汽壓力為17.44MPa時(shí)經(jīng)濟(jì)性最好。由表1中修正后的機(jī)組熱耗率可知，配汽優(yōu)化后機(jī)組熱耗率較優(yōu)化前改善42kJ/kWh。

按上述步驟分別得到機(jī)組在400MW、450 MW、500MW、550MW和600MW負(fù)荷下機(jī)組熱耗率隨主蒸汽壓力的變化數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 機(jī)組各工況下經(jīng)濟(jì)運(yùn)行壓力和優(yōu)化后的熱耗改善值

由表2可知，400MW負(fù)荷下機(jī)組在主蒸汽壓力為19.25MPa時(shí)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性最好，修正后的機(jī)組熱耗率顯示配汽優(yōu)化后機(jī)組熱耗率較優(yōu)化前改善37kJ/kWh。450MW負(fù)荷下機(jī)組在主蒸汽壓力為21.55MPa時(shí)經(jīng)濟(jì)性最好，機(jī)組熱耗率改善37 kJ/kWh。500MW 負(fù)荷下機(jī)組在主蒸汽壓力為22.46MPa時(shí)經(jīng)濟(jì)性最好，機(jī)組熱耗率改善33 kJ/kWh。550MW負(fù)荷下機(jī)組在主蒸汽壓力為24.18MPa時(shí)經(jīng)濟(jì)性最好，機(jī)組熱耗率改善26kJ/kWh。600MW負(fù)荷下機(jī)組宜定壓運(yùn)行，原配汽方式經(jīng)濟(jì)性與順序閥配汽方式經(jīng)濟(jì)性基本相當(dāng)。

根據(jù)汽輪機(jī)在新閥序下各負(fù)荷的最佳運(yùn)行點(diǎn)，得到機(jī)組最佳滑壓曲線方案如表3所示，擬合得到優(yōu)化后的鍋爐定滑壓曲線如圖4所示。

表3 各試驗(yàn)負(fù)荷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最佳滑壓壓力值

圖4 優(yōu)化后的鍋爐定滑壓曲線

4 配汽優(yōu)化效果分析

4.1 經(jīng)濟(jì)性分析

5號(hào)機(jī)組各試驗(yàn)負(fù)荷點(diǎn)優(yōu)化前后熱耗值對(duì)比，見(jiàn)表4。

表4 5號(hào)機(jī)組各試驗(yàn)負(fù)荷點(diǎn)優(yōu)化前后熱耗值對(duì)比

由表4可以看出，優(yōu)化后熱耗收益明顯，機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性得到了明顯提升，各負(fù)荷熱耗改善平均值為35.4kJ/kWh。

表5為西安熱工院對(duì)5號(hào)機(jī)組進(jìn)行發(fā)電煤耗性能試驗(yàn)提供的試驗(yàn)結(jié)果。

表5 5號(hào)機(jī)組發(fā)電煤耗試驗(yàn)結(jié)果

由表5可以看出，汽輪機(jī)熱耗每降低27 kJ/kWh，發(fā)電煤耗可降低1g/kWh。即閥序優(yōu)化后平均降低熱耗35.4kJ/kWh，對(duì)應(yīng)發(fā)電煤耗可降低1.31g/kWh。以5號(hào)機(jī)組年發(fā)電量35億kWh計(jì)，年節(jié)約標(biāo)煤4 585t，標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)856.95元/t，單臺(tái)機(jī)組年運(yùn)行收益392.9萬(wàn)余元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4.2 安全性分析

4.2.1 機(jī)組軸振對(duì)比

汽輪機(jī)在部分進(jìn)汽方式下，蒸汽除了在調(diào)節(jié)級(jí)葉輪上產(chǎn)生力偶而推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)外，還產(chǎn)生一通過(guò)轉(zhuǎn)子中心的力。調(diào)節(jié)閥順序開(kāi)啟時(shí)，部分進(jìn)汽作用力將使軸系中各軸承載荷及轉(zhuǎn)子撓度發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)將使轉(zhuǎn)子軸系不穩(wěn)定運(yùn)行，使轉(zhuǎn)子失穩(wěn)引起較大的振動(dòng)。汽輪機(jī)配汽方式的改變，對(duì)軸系影響較大的部位是前端，各試驗(yàn)工況下復(fù)合配汽方式和順序閥配汽方式下轉(zhuǎn)子振動(dòng)的數(shù)據(jù)對(duì)比，見(jiàn)表6。

表6 配汽優(yōu)化前后各負(fù)荷點(diǎn)軸振對(duì)比 μm

由表6數(shù)據(jù)可知，復(fù)合配汽方式切換到順序閥配汽方式后，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)軸振值均基本不變，由此可知，配汽優(yōu)化對(duì)機(jī)組軸振幾乎沒(méi)有影響。

4.2.2 支持軸承金屬溫度對(duì)比

閥序切換前后1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)支持軸承金屬溫度對(duì)比，見(jiàn)表7。

表7 配汽優(yōu)化前后各負(fù)荷點(diǎn)軸承溫度值對(duì)比 ℃

由表7數(shù)據(jù)可知，在各負(fù)荷階段3號(hào)、4號(hào)軸承金屬溫度值在2種閥序下基本相同。在低負(fù)荷區(qū)域（360～450MW）改順序閥運(yùn)行后，1號(hào)、2號(hào)軸承溫度上升2～4℃，在高負(fù)荷區(qū)域（500～600MW）改順序閥運(yùn)行后，1號(hào)、2號(hào)軸承溫度則下降2～4℃，由此可知，改變進(jìn)汽方式后，對(duì)機(jī)組軸承溫度幾乎沒(méi)有影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于600MW汽輪機(jī)在電網(wǎng)中頻繁參與調(diào)峰，超臨界600MW汽輪機(jī)原復(fù)合配汽方式在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面已不能滿足當(dāng)前發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需要，通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)配汽方式及定滑壓曲線的優(yōu)化，在不影響機(jī)組運(yùn)行安全性的前提下，減小了高壓調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失，顯著提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，有很好的推廣性，可為同類型機(jī)組提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性提供參考和借鑒。

［1］ 譚 銳，劉曉燕，陳顯輝，等.超臨界600MW汽輪機(jī)運(yùn)行優(yōu)化研究［J］.東方汽輪機(jī)，2011（4）：11－14.