1 000 MW超超臨界機組補汽調節(jié)技術經濟性分析

包偉偉，高敏，龐浩城，沈衛(wèi)國

(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱　150046)

1 000 MW超超臨界機組補汽調節(jié)技術經濟性分析

包偉偉，高敏，龐浩城，沈衛(wèi)國

(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱150046)

基于熱力系統(tǒng)的分析計算方法，對1 000 MW超超臨界機組應用補汽調節(jié)技術的設計方案以及經濟性收益作了詳細的論述及分析。結果表明:通過采用補汽調節(jié)技術，可使機組在額定負荷時主汽壓力達到額定值，機組熱耗降低約26 kJ/(kW·h)，經濟性效果明顯。

汽輪機;超超臨界機組;補汽技術;補汽閥;經濟性

1 000MW超超臨界機組大多采用滑壓運行方式，汽輪機的進汽量完全由主汽壓力來調節(jié)。汽輪機滑壓運行時，主汽壓力與進汽量近似成正比。為了滿足汽輪機最大進汽量的要求，這種設計方式只有在最大工況(VWO工況)時主汽壓力才能達到額定值。因此，在進汽量相對較小的額定工況(THA工況)，主汽壓力往往達不到額定值。文獻［1］認為，隨著機組容量配置規(guī)范的不同，這類機組在THA工況的主汽壓力一般在額定值的88%～95%，低于額定值最多達到3 MPa以上。

為了保證機組的一次調頻能力，這類機組多采用調節(jié)閥預節(jié)流方式進行一次調頻。這就要求調節(jié)閥在整個負荷區(qū)間上，都保持一定的節(jié)流壓損(一般為3%～5%的主汽壓力)運行，以滿足電網一次調頻的需要。由于主汽壓力對機組的經濟性有著重要影響，主汽壓力達不到額定值或者主汽被節(jié)流都會對機組的經濟性造成顯著影響，相當于浪費了機組的蒸汽壓力能力這一部分經濟性潛力。

采用補汽調節(jié)技術，可以有效地減少這一部分損失。在汽輪機主汽閥后設置一個獨立的補汽閥，利用其增加進汽量，滿足超負荷區(qū)間的進汽要求，可使機組在THA工況時主汽壓力達到額定值，同時取消調節(jié)閥的預節(jié)流設計，從而提高機組的運行經濟性。國內某1 000 MW超超臨界機組已經采用了這一技術，并取得了良好的效果［2-3］。

筆者以某新型高效1 000 MW超超臨界機組［4-6］為例，詳細論述其采用補汽調節(jié)技術的設計特點以及對于機組運行經濟性的影響。

1　補汽目的

該機組汽輪機原設計采用節(jié)流調節(jié)、滑壓運行方式，同時采用調節(jié)閥預節(jié)流方式進行一次調頻。汽輪機采用四大工況定義方式設計，其中，銘牌工況(TRL工況)背壓為7.9 kPa，補給水率為1.5%;VWO工況進汽量要求不低于銘牌進汽量的1.03倍。機組主要工況的定義參數見表1。

表1　主要工況定義參數匯總

由表1可見:該汽輪機進汽量達到銘牌進汽量時，主汽壓力(含節(jié)流壓損3%)達到額定值28 MPa;在該點以上則主汽壓力保持不變，通過釋放調節(jié)閥的節(jié)流來增加汽輪機進汽量;在該點以下則保持調節(jié)閥開度不變，通過改變主汽壓力來調節(jié)進汽量。在進行一次調頻時，可迅速將調節(jié)閥由預節(jié)流狀態(tài)打開至全開狀態(tài)，汽輪機進汽量可增加約3%，機組功率也相應增加，從而響應負荷要求，滿足電網一次調頻需要。

該汽輪機在VWO工況時，調節(jié)閥全部打開，主汽壓力為28 MPa。在THA工況時，主汽流量降低到2 672.06 t/h，主汽壓力也隨之下降為26.95 MPa，為額定值的96%;如果扣除3%的調節(jié)閥節(jié)流壓損，則僅為額定值的93%。在75%負荷工況時，主汽流量降低到1 932.37 t/h，主汽壓力進一步下降到19.92 MPa，僅為額定值的71%，已經低于蒸汽的臨界壓力。

顯然，該機組在100%負荷工況時主汽壓力達不到額定值的原因是該工況汽輪機的進汽量與工況定義所要求的最大進汽量差別較大。由表1可知，該機組的最大進汽量為100%負荷工況進汽量的1.08倍。如果按照TRL工況背壓為11.8 kPa、補給水率為3%以及VWO工況進汽量不低于銘牌進汽量的1.05倍來定義基本工況，則這一數值可達1.12倍以上。按此定義方式，100%負荷工況的主汽壓力僅為額定值的88%，主汽壓力的下降將更為明顯。

由蒸汽動力循環(huán)原理可知，主汽壓力對于熱力循環(huán)的經濟性具有很大的影響。對于1 000 MW超超臨界機組，這一影響可用下式計算:

式中:ΔQHR為熱耗差值，kJ/(kW·h);Δp0為主汽壓力差值，MPa;QHR0為基準工況熱耗，7 200 kJ/(kW·h)。

調節(jié)閥具有λp的節(jié)流壓損時，由于節(jié)流對象是尚未做功的主蒸汽，相當于直接降低了循環(huán)初壓，對經濟性同樣有很大影響，具體可用下式計算:

該機組在100%負荷工況時，主汽壓力低于額定值1.05 MPa，由式(1)可知，這一項影響機組熱耗約15.1 kJ/(kW·h);同時，調節(jié)閥節(jié)流壓損為3%，由式(2)可知，此項影響機組熱耗約11.9 kJ/(kW·h)。這兩項合計，共影響機組熱耗約達27 kJ/(kW·h)。可見，該機組采用這種設計方式，為了滿足汽輪機最大進汽量以及電網一次調頻的要求，犧牲了一定的運行經濟性。

為了提高機組在100%負荷工況運行時的主汽壓力，避免主汽節(jié)流，發(fā)揮機組高參數設計的經濟性能力，采用補汽調節(jié)技術可有效解決這一問題。

2　工作原理

補汽調節(jié)技術在汽輪機現有調節(jié)閥門的基礎上，在主汽閥后再設置一個補汽調節(jié)閥(簡稱補汽閥)，并通過相應的蒸汽管道，將其連接到汽輪機高壓缸某中間級后，在機組的超負荷區(qū)間增加汽輪機進汽量，見圖1。

設置補汽閥后，在調節(jié)閥全部打開、主汽壓力達到額定值、汽輪機的進汽量無法再增大時，可開啟補汽閥。由于補汽閥后壓力遠低于主汽壓力，因此可迅速增加汽輪機的進汽量，達到提高機組負荷的目的;同時，在機組需要進行一次調頻時，只要打開補汽閥就可迅速響應負荷，不必再通過調節(jié)閥預節(jié)流運行，從而避免節(jié)流損失。

對該機組，可將補汽閥連接到高壓缸第5級后，同時，將高壓缸第1～9級通流面積減小8%，并取消調節(jié)閥的預節(jié)流壓損3%，這樣可使機組在100%負荷工況時，主汽壓力達到28 MPa。由于主汽壓力提高，循環(huán)熱效率相應提高，由熱力計算，主汽量減少到2 659.12 t/h，與原設計相比，減少12.94 t/h，機組熱耗降低26 kJ/(kW·h)，經濟性顯著提高。

按此方式設計，調節(jié)閥的進汽量以及閥后壓力在這一工況已經達到最大值，調節(jié)閥前后壓差已經接近固有流動損失，而補汽閥后壓力僅為17.61 MPa，與主汽存在很大的壓差。顯然，只要開啟補汽閥，就能繼續(xù)增加汽輪機進汽量。補汽閥開啟后的補汽量可由下式計算:

式中:μ為補汽閥的流量系數;β為彭臺門系數; A為補汽閥喉部面積;p*0為補汽閥前滯止壓力; ρ*0為補汽閥前滯止密度。

顯然，在補汽量達到最大時，汽輪機的進汽量也達到最大值。為了滿足工況定義所規(guī)定的進汽量不低于2 880 t/h的要求，相應的就要求補汽量需不低于417.60 t/h。由式(3)計算可知，補汽閥的通流面積需不小于3 723 mm2，口徑需不小于68.8 mm，這就確定了補汽閥的一個主要幾何尺寸。

補汽投入之后，汽輪機高壓缸第5級后的流量增加，由通流特性可知，級前壓力將相應升高，可由簡化的弗留格爾公式計算。

式中:G為補汽前第5級流量;p為級前壓力; G'為補汽后第5級流量;p'為級前壓力。

該機組補汽前第5級流量為2 607.89 t/h，級前壓力為17.61 MPa;在最大補汽工況，第5級流量達到2 829.13 t/h，由式(4)計算可知，級前壓力將升高到19.3 MPa，這將導致調節(jié)閥的進汽量下降到2 462.40 t/h，下降了196.72 t/h，調節(jié)閥的通流能力受到明顯影響，但是總的進汽量還是增加的，達到2 880 t/h，滿足汽輪機的進汽要求。

隨著補汽量的增加，機組的電功率也將增加。圖2給出了補汽量與電功率增量之間的關系。

由圖2可以看出:機組的電功率增量與補汽量近似成正比，但是電功率增量的變化率(補汽汽耗率的倒數)有減小的趨勢。在補汽量為100 t/h時，補汽汽耗為5.90 kg/(kW·h)，而在最大補汽工況，則增加到7.52 kg/(kW·h)。此時，補汽閥前壓力為28 MPa，閥后壓力為19.3 MPa，壓力損失達8.7 MPa。這就說明，補汽閥存在很大的節(jié)流，這使得補汽損失了部分做功能力，見圖3。

由圖3可知:由于補汽閥的節(jié)流，使得補汽的有效焓降相比主汽減少87.4 kJ/kg，相應的機械功損失為:

這部分損失全部轉化為熱能，使得高壓缸的排汽溫度升高，高壓缸效率降低，并最終使鍋爐再熱器的吸熱量相應減少。由于機組的電功率以及吸熱量均發(fā)生改變，在此條件下，對機組熱耗公式進行小偏差線性化可得:

該機組在最大補汽工況的電功率為1 055 MW，機組熱耗為7 200 kJ/(kW·h)，補汽量為417.6 t/h，補汽損失為87.4 kJ/kg。由式(5)計算可知補汽損失的機械功為10.14 MW;由式(6)計算可知如果沒有補汽損失，機組熱耗可降低36 kJ/(kW·h)。這就說明，補汽投入以后會對經濟性產生不利的影響;同時隨著補汽量的增加，補汽對經濟性的不利影響越大，這與文獻［7］通過試驗驗證得到的結論是一致的。

綜上所述，采用補汽技術，機組的經濟性收益集中在100%負荷及以下工況，主要來源于兩個部分:一是主汽壓力的升高;二是調節(jié)閥節(jié)流的取消。在100%負荷以上工況，則由于補汽損失的存在，補汽投入對機組的經濟性以及調節(jié)閥的通流能力均產生一定的不利影響。

3　設置方案

采用補汽技術，需要確定補汽閥開啟點以及補汽口的位置，才能完全確定其設置方案。采用不同的設置方案，對汽輪機的安全性以及經濟性收益的影響是不同的。

3.1補汽閥開啟點

隨著近年來的經濟社會發(fā)展，基層農村在農業(yè)建設和農業(yè)開發(fā)領域取得了令人矚目的成就，農業(yè)機械化進程也在不斷推進。但由于各地農業(yè)發(fā)展基礎不一，與全面實現農業(yè)機械化和現代化建設還有差距，特別是當前基層農機的管理服務上，還無法實現全面保障服務，影響了部分地區(qū)的農業(yè)效率和農業(yè)發(fā)展步伐，面對當前農業(yè)發(fā)展的必然要求，必須要扎實解決好基層農機綜合管理服務問題，確保農業(yè)生產有效進行，發(fā)揮農業(yè)機械化發(fā)展的現實優(yōu)勢，促進我國從農業(yè)大國向農業(yè)強國的邁進。

首先確定補汽閥的開啟點，即為主汽壓力達到額定值且調節(jié)閥全開時的汽輪機進汽量，也就是調節(jié)閥的最大進汽量。此時，調節(jié)閥的進汽能力已經全部用盡，如果沒有補汽閥，則汽輪機的進汽量將不再增加;否則，就需通過開啟補汽閥繼續(xù)增加進汽量，這就是補汽閥的開啟點。補汽閥開啟點的選擇非常重要，直接決定其經濟性收益。

如果調節(jié)閥的最大進汽量設置過大，補汽閥開啟點后移，則在100%負荷工況下，汽輪機的進汽壓力仍達不到額定值;反之，如調節(jié)閥的最大進汽量設計過小，則在100%負荷工況，補汽閥已開始進汽。補汽閥投入后，由于閥門存在很大的節(jié)流，也會降低機組的經濟性。筆者分別對以2 560 t/h、2 660 t/h以及2 760 t/h這3個流量為開啟點的設置方案在100%負荷工況時的經濟性進行了對比，具體的結果見表2。

表2　熱力參數與補汽閥開啟點關系

由表2可知:補汽閥開啟點由2 660 t/h推遲到2 760 t/h，即調節(jié)閥的最大進汽量增加3.8%左右，則100%負荷工況時的主汽壓力為27 MPa，因主汽壓力未達到額定值，機組熱耗要升高約7.9 kJ/(kW·h);若補汽閥提前開啟，即調節(jié)閥最大進汽量減少3.8%左右，則在100%負荷工況時補汽閥已經開始進汽，補汽量達到主汽量的7.2%，機組熱耗因此升高達17.8 kJ/(kW·h)。

設置補汽閥的主要目的就是為了提高機組的運行經濟性，而經濟性的提高則主要體現在主汽壓力的提高上。因此，補汽閥開啟點應該選為100%負荷工況的主汽流量，才能徹底用足蒸汽的壓力，發(fā)揮其經濟性優(yōu)勢。

3.2補汽口位置

補汽口一般設置在高壓缸某中間級后，從補汽對機組經濟性、高壓內缸的熱安全性以及調節(jié)閥通流能力的影響等三個方面來確定具體位置。

一般來說，補汽口設置靠前，則補汽與級后主汽流的壓差、溫差均大幅減小，這對補汽閥以及高壓內缸的工作環(huán)境是有利的;同時，補汽閥對汽流的節(jié)流較小，補汽損失也減小，這對機組的經濟性也有好處;但是，補汽口設置靠前對調節(jié)閥的通流能力影響變大，同樣主汽量時，調節(jié)閥的進汽能力將受到更大影響，需要的補汽量也越多。因此補汽口的選擇需要綜合比較確定。

對該機組，分別在高壓缸第5級、第7級以及第9級后設置補汽口，這3個方案在TRL工況時的主要熱力參數比較見表3。

表3　TRL工況參數與補汽口位置關系

由表3可知:9級后方案對調節(jié)閥通流能力的影響最小，進汽量比5級后大40.51 t/h，但是由于補汽位置靠后，補汽溫差達到87 K以上，這勢必使得高壓內缸產生較大的熱應力，不利于高壓內缸的工作;其次，閥門前后壓比已經低于蒸汽的臨界壓比，閥門出口流速將達到當地聲速，同時產生膨脹激波，形成附加的激波損失，因此補汽損失將迅速升高;在不考慮激波損失的情況下，機組熱耗仍比5級后高17.8 kJ/(kW·h)，經濟性是這3個方案中最差的。隨著補汽位置逐漸靠前，補汽的溫差、壓差以及經濟性逐漸變好，但是對調節(jié)閥的通流影響逐漸加大。

綜合考慮上述幾點之后，該汽輪機選擇5級后作為設置補汽閥的最終方案。

4　經濟性分析

該機組按上述方案采用補汽技術之后，在100%負荷以上的補汽工況，補汽閥存在很大節(jié)流，機組的經濟性受到影響。

圖4給出了這一負荷區(qū)間補汽設計與原設計的熱耗對比。

由圖4可知:補汽量越大，經濟性的下降越多。在103%負荷，補汽設計與原設計的經濟性持平;在最大補汽工況下，機組熱耗升高達到36 kJ/(kW·h)。由于此時已經處于高負荷區(qū)，機組在這一負荷區(qū)間的年運行小時數很少，即便在夏季達到銘牌出力，機組的進汽量也只略高于103%負荷，因此與原設計犧牲100%負荷以下經濟性的設計方式相比，補汽設計犧牲高負荷區(qū)間的經濟性是值得的。

在100%負荷及以下區(qū)間運行時，由于汽輪機通流面積減小，相應的主汽壓力均有升高，機組的運行經濟性顯著提升。圖5是補汽設計與原設計方案在此負荷區(qū)間的經濟性比較。

由圖5可知:采用補汽技術后，在40%～100%負荷，機組熱耗整體下降26 kJ/(kW·h)。按鍋爐效率95%、管道效率99%計算，可使電廠發(fā)電標煤耗降低約0.94 g/(kW·h);按年利用小時數6 000 h、標煤800元/t計算，每年可節(jié)約標煤5 188 t，產生經濟效益415萬元。

5　結語

筆者對1 000 MW超超臨界機組補汽調節(jié)技術的設計目的、工作原理、設置方案以及運行經濟性等進行了全面的論述及分析。結果表明:采用補汽技術后，可使機組在額定負荷及以下熱耗整體降低約26 kJ/(kW·h)，這對于提高機組的運行經濟性具有很好的效果。

［1］彭澤瑛，顧德明.補汽調節(jié)閥技術在百萬千瓦全周進汽汽輪機中的應用［J］.熱力透平，2004，33(4):223-227.

［2］陳勝軍，申松林，柯文石.華能玉環(huán)電廠超超臨界汽輪機過載補汽技術［J］.熱力發(fā)電，2007，36(4):71-73.

［3］朱紅兵，劉曉宏，曹劍鋒，等.過載補汽技術在大型汽輪機中的應用［J］.熱力發(fā)電，2014，43(7):128-130.

［4］包偉偉.1 000 MW超超臨界機組增設0號高壓加熱器經濟性分析［J］.發(fā)電設備，2015，29(3):172-175.

［5］包偉偉.1 000 MW超超臨界機組增設外置式蒸汽冷卻器經濟性分析［J］.發(fā)電設備，2015，29(5):348-352.

［6］包偉偉，劉鑫，李積輝，等.1 000 MW超超臨界機組增設低溫省煤器經濟性分析［J］.發(fā)電設備，2015，29(6):397-401.

［7］陳小強，羅志浩，尹峰.補汽閥投用對1 000 MW機組夏季運行工況的影響［J］.中國電力，2011，44(4):63-66.

Economic Analysis on Additional Steam Control Technology for a 1 000 MW Ultra Supercritical Unit

Bao Weiwei，Gao Min，Pang Haocheng，Shen Weiguo
(Harbin Turbine Co.，Ltd.，Harbin 150046，China)

Based on the analytical calculation method for thermal system，detail calculation and analysis were conducted to the economy and design of a 1 000 MW ultra supercritical unit with additional steam control technology.Results show that after application of this technology，the pressure of main steam can reach the rated value and the unit heat consumption has been reduced by 26 kJ/(kW·h)，indicating obvious economy benefit.

steamturbine;ultrasupercriticalunit;additionalsteamcontroltechnology;overload valve;economy

TK267

A

1671-086X(2016)01-0011-05

2015-05-21

包偉偉(1986—)，男，工程師，主要從事汽輪機熱力、氣動以及強度方面的設計計算工作。

E-mail:alndr@163.com