超臨界壓力機(jī)組低負(fù)荷滑壓運(yùn)行方式試驗(yàn)研究

鄭 威，郝玉振，王學(xué)棟

（山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

對于600 MW以上的大容量機(jī)組，汽輪機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)方法從配汽方式上分為部分進(jìn)汽噴嘴調(diào)節(jié)，全周進(jìn)汽節(jié)流調(diào)節(jié)和旁通調(diào)節(jié)，從運(yùn)行方式上分為定壓運(yùn)行和滑壓運(yùn)行。一般機(jī)組采用噴嘴調(diào)節(jié)定—滑—定方式運(yùn)行，即80%THA負(fù)荷以上采用定壓噴嘴調(diào)節(jié)，30%～80%THA負(fù)荷為滑壓運(yùn)行，30%THA 負(fù)荷以下采用定壓運(yùn)行［1］。

目前由于電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差越來越大，機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行問題突出，為了提高機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，滿足電網(wǎng)調(diào)峰要求的同時(shí)達(dá)到節(jié)能降耗的目的，現(xiàn)代超臨界和超超臨界機(jī)組采用復(fù)合滑壓運(yùn)行方式，即在高負(fù)荷時(shí)保持額定的蒸汽壓力，在低負(fù)荷時(shí)保持最低允許的進(jìn)汽壓力，在中間負(fù)荷時(shí)采用復(fù)合滑壓運(yùn)行［2-3］。這種復(fù)合滑壓運(yùn)行方式可使機(jī)組在最高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)保持額定壓力，具有最佳的循環(huán)熱效率和良好的負(fù)荷調(diào)節(jié)功能；在中間負(fù)荷，采用復(fù)合滑壓運(yùn)行，使汽輪機(jī)通流部分的容積流量基本不變，保持較高的內(nèi)效率，并使汽輪機(jī)高壓缸的蒸汽溫度保持穩(wěn)定，因而熱應(yīng)力較小，具有快速變負(fù)荷的能力；在低負(fù)荷時(shí)定壓運(yùn)行可防止壓力過低出現(xiàn)流動(dòng)不穩(wěn)定問題，因而具有最佳的綜合性能。 總之，采用復(fù)合滑壓運(yùn)行可使機(jī)組具有夜間停機(jī)、快速啟動(dòng)以及頻繁啟停和變負(fù)荷的能力，并使機(jī)組在高負(fù)荷及低負(fù)荷時(shí)均保持高的效率，從而滿足中間負(fù)荷和調(diào)峰的要求。

1 不同調(diào)節(jié)閥運(yùn)行方式試驗(yàn)

機(jī)組運(yùn)行方式和調(diào)節(jié)方式，體現(xiàn)在閥門特性上，就是順序閥或單閥運(yùn)行方式。 某廠超臨界壓力660 MW機(jī)組是國產(chǎn)此種容量機(jī)組的第一臺(tái)，采用噴嘴調(diào)節(jié)、復(fù)合滑壓運(yùn)行方式，投產(chǎn)后，為了掌握機(jī)組低負(fù)荷工況下，調(diào)門運(yùn)行特性對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響，進(jìn)行了不同調(diào)門組合方式和變負(fù)荷下的滑壓試驗(yàn)，以現(xiàn)場給水流量作為計(jì)算基準(zhǔn)，計(jì)算了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，試驗(yàn)工況和機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表1所示。

為了消除主汽壓力對機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響，相同負(fù)荷下，主汽壓力基本接近。由表1可以看出，低負(fù)荷下，機(jī)組采用復(fù)合滑壓運(yùn)行方式，調(diào)門運(yùn)行方式不同，調(diào)門節(jié)流損失也不同，導(dǎo)致機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不同。機(jī)組順序閥運(yùn)行方式下的熱耗率和高壓缸效率優(yōu)于單閥運(yùn)行，同時(shí)在一定負(fù)荷下，由于三閥單閥運(yùn)行的調(diào)門開度大于四閥單閥運(yùn)行的開度，調(diào)門節(jié)流損失小，高壓缸效率提高，從而循環(huán)熱效率增加，因此機(jī)組三閥單閥運(yùn)行的熱耗率低于四閥單閥運(yùn)行，尤其是400 MW、500 MW低負(fù)荷工況，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差別較大。400 MW順序閥工況比四閥單閥運(yùn)行工況，熱耗率低162 kJ/kWh，高壓缸效率高9.125%，三閥單閥工況比四閥單閥運(yùn)行工況，熱耗率低91.91kJ/kWh，高壓缸效率高3.7%；500 MW順序閥工況比四閥單閥運(yùn)行工況，熱耗率低93.89 kJ/kWh，高壓缸效率高 5.578%，三閥單閥工況比四閥單閥運(yùn)行工況，熱耗率低36.37 kJ/kWh，高壓缸效率高3.715%。對于600 MW以上工況，機(jī)組三閥單閥運(yùn)行基本能夠帶滿660 MW負(fù)荷，因此順序閥運(yùn)行時(shí)，第三、四調(diào)門的節(jié)流損失較小，順序閥運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)跟三閥單閥運(yùn)行的指標(biāo)差別不大，三閥單閥運(yùn)行的高壓缸效率大于順序閥運(yùn)行，但順序閥和三閥單閥運(yùn)行的熱耗率和高壓缸效率都優(yōu)于四閥單閥運(yùn)行工況。就400～680 MW范圍內(nèi)的試驗(yàn)負(fù)荷，順序閥運(yùn)行方式，機(jī)組熱耗率低，考慮機(jī)組目前的平均負(fù)荷率，白天負(fù)荷為500～550 MW，晚上負(fù)荷為 350～400 MW，都處于調(diào)門單閥與順序閥運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差別比較大的區(qū)域，機(jī)組由單閥運(yùn)行改為順序閥運(yùn)行后，節(jié)能效果顯著。

表1 超臨界660 MW機(jī)組不同調(diào)節(jié)閥運(yùn)行方式試驗(yàn)結(jié)果

2 機(jī)組低負(fù)荷下滑壓運(yùn)行方式試驗(yàn)

對于機(jī)組滑壓運(yùn)行方式，蒸汽初壓隨著主蒸汽流量的下降而降低，采用變速給水泵可用降低給水泵轉(zhuǎn)速來降低給水泵的出口壓力，可以節(jié)約給水泵耗功。這樣，在負(fù)荷較小時(shí)新汽壓力變低，給水泵的轉(zhuǎn)速同時(shí)變低，泵的耗功變少，滑壓運(yùn)行時(shí)汽輪機(jī)給水泵所消耗的功率，要比定壓運(yùn)行小得多，且主蒸汽流量越低，兩者的差距越大。因此不同壓力下的滑壓運(yùn)行方式在各個(gè)負(fù)荷下的經(jīng)濟(jì)性如何，主要看循環(huán)效率降低與給水泵耗功減少誰占優(yōu)勢。

機(jī)組日常運(yùn)行中，在低負(fù)荷情況下，按照制造廠給定的滑壓曲線采用順序閥滑壓運(yùn)行方式。如表1所示，在600 MW工況下，汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力為22 MPa、500 MW和400 MW負(fù)荷，主汽壓力更低。為了了解低負(fù)荷下機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與主汽壓力的關(guān)系，得到機(jī)組最優(yōu)的滑壓運(yùn)行曲線，并與制造廠的滑壓運(yùn)行曲線進(jìn)行比較，進(jìn)行了機(jī)組低負(fù)荷下變主汽壓力試驗(yàn)。由表1可知，機(jī)組在600 MW工況下，幾個(gè)工況的熱耗率差別不大，因此機(jī)組低負(fù)荷滑壓運(yùn)行工況試驗(yàn)由550 MW負(fù)荷降低到350 MW，分別為550MW、500MW、450MW、400MW、350MW，試驗(yàn)的主汽壓力根據(jù)設(shè)計(jì)的定滑壓運(yùn)行曲線和機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中閥門的開度情況確定，并以現(xiàn)場給水流量作為計(jì)算基準(zhǔn)，計(jì)算了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并與機(jī)組大修后500 MW、600 MW、660 MW工況定壓運(yùn)行的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。表2列出不同低負(fù)荷下，機(jī)組順序閥滑壓運(yùn)行方式試驗(yàn)工況及結(jié)果。

表2 超臨界660 MW機(jī)組低負(fù)荷滑壓運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

2.1 低負(fù)荷下滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性分析

比較表2所示試驗(yàn)結(jié)果，分析機(jī)組在不同低負(fù)荷下滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，得到不同試驗(yàn)負(fù)荷下的主汽壓力與熱耗率和高壓缸效率的變化關(guān)系。在各負(fù)荷下，隨機(jī)組主汽壓力降低，調(diào)門開大，高壓缸效率增加，汽動(dòng)給水泵耗功減小，這體現(xiàn)在小機(jī)進(jìn)汽流量的降低上。但各負(fù)荷下，存在一個(gè)最優(yōu)運(yùn)行的主汽壓力，這同制造廠定滑定的運(yùn)行方式相吻合，但最優(yōu)主汽壓力并不一定同制造廠設(shè)計(jì)的定滑壓曲線相吻合。

由表2試驗(yàn)結(jié)果得知，機(jī)組在360～550 MW負(fù)荷范圍內(nèi)滑壓運(yùn)行，在負(fù)荷一定的情況下，隨著主汽壓力的降低，這一因素使循環(huán)熱效率降低，但由于調(diào)門節(jié)流損失減小，高壓缸效率提高，從而又使循環(huán)熱效率增加；同時(shí)在相同負(fù)荷下，小機(jī)進(jìn)汽量明顯降低，耗功減小。就本機(jī)實(shí)際特性而言，在順序閥運(yùn)行方式下，高壓調(diào)門節(jié)流損失減少、高壓缸排汽溫度上升和小汽機(jī)耗汽量減少對循環(huán)熱效率的正面影響和主汽壓力降低對循環(huán)熱效率的負(fù)面影響差別隨負(fù)荷變化有所不同，因此機(jī)組存在一個(gè)最優(yōu)運(yùn)行的主汽壓力。機(jī)組在600 MW負(fù)荷以上定壓運(yùn)行，在360～550MW負(fù)荷范圍內(nèi)，對應(yīng)550MW、500 MW、450 MW、400 MW、360 MW 負(fù)荷，由試驗(yàn)得到的最優(yōu)運(yùn)行主汽壓力為24MPa、21MPa、21 MPa、20 MPa、17 MPa。 而根據(jù)制造廠設(shè)計(jì)的定滑壓曲線查得相應(yīng)負(fù)荷下的最優(yōu)運(yùn)行主汽壓力為24.2 MPa、24.2 MPa、22.5 MPa、20 MPa、18.5 MPa，圖1顯示試驗(yàn)定滑壓運(yùn)行曲線和設(shè)計(jì)定滑壓運(yùn)行曲線的區(qū)別。

主汽壓力降低時(shí)，在鍋爐燃燒狀態(tài)不變的情況下，主蒸汽溫度更容易提升，在主汽溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值的情況下，這一特性會(huì)使過熱減溫水量增加，但本機(jī)組過熱減溫水從高加后引出，對機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)沒有影響，因此試驗(yàn)時(shí)不考慮。另一方面，在主汽壓力降低而主汽溫度不變的情況下，主汽焓上升使得高壓缸排汽溫度相應(yīng)上升，再熱蒸汽吸熱量減少，有利于提升再熱溫度，正好有利于解決機(jī)組低負(fù)荷工況下，再熱汽溫低于設(shè)計(jì)值的問題，從而提高循環(huán)熱效率。由表2機(jī)組滑壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，主汽溫度接近設(shè)計(jì)值，再熱溫度仍沒有達(dá)到設(shè)計(jì)值，需要在低負(fù)荷滑壓運(yùn)行時(shí)，繼續(xù)加強(qiáng)燃燒調(diào)整。

圖1 試驗(yàn)定滑壓運(yùn)行曲線和設(shè)計(jì)定滑壓運(yùn)行曲線圖

2.2 低負(fù)荷下滑壓運(yùn)行對機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響

正是由于滑壓運(yùn)行時(shí)，高壓缸效率和再熱溫度的提高對機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的有利影響，使得機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，雖然存在一個(gè)最優(yōu)運(yùn)行主汽壓力，但在一定負(fù)荷下，不同主汽壓力下運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差別不大。550 MW工況下，主汽壓力從22 MPa變到24 MPa，機(jī)組熱耗率降低不到4 kJ/kWh；500 MW工況下，機(jī)組在19 MPa和20 MPa下運(yùn)行的熱耗率相差不到4 kJ/kWh；450 MW工況下，機(jī)組在18MPa和19 MPa下運(yùn)行的熱耗率相差不到10 kJ/kWh；400 MW工況下，主汽壓力從17 MPa變到19 MPa，機(jī)組熱耗率降低不到10 kJ/kWh。 由于這種低負(fù)荷下的滑壓運(yùn)行特性，機(jī)組在相應(yīng)工況下運(yùn)行時(shí)，可以稍微偏離最佳滑壓運(yùn)行曲線，維持較高的主汽壓力運(yùn)行，增大調(diào)節(jié)汽門的節(jié)流。當(dāng)負(fù)荷緩慢變化時(shí)，維持調(diào)節(jié)汽門開度不變，通過增加主汽壓力來增加負(fù)荷；而負(fù)荷突然升高時(shí)，可立即全開調(diào)節(jié)汽門，利用鍋爐內(nèi)的蒸汽蓄熱，快速增加負(fù)荷，增強(qiáng)機(jī)組的變負(fù)荷響應(yīng)特性和調(diào)峰能力。

2.3 低負(fù)荷下滑壓運(yùn)行方式對機(jī)組安全性的影響

當(dāng)溫度變化時(shí)，汽輪機(jī)各零部件內(nèi)溫度分布不均勻或汽輪機(jī)各零部件變形受到約束，就會(huì)在汽輪機(jī)各零部件中產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力的大小與零件溫度變化值成正比?？梢姕囟茸兓仍酱螅a(chǎn)生的熱應(yīng)力就越大，因此可用溫度變化值來表征熱應(yīng)力的大小。定壓運(yùn)行隨著負(fù)荷的降低調(diào)節(jié)級后溫度急劇降低，溫度變化幅度大，轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力較大，對于機(jī)組的安全性有較大的影響，因此，在機(jī)組的運(yùn)行過程中限制變負(fù)荷的速度，以避免負(fù)荷變化過大導(dǎo)致較大的熱應(yīng)力和熱變形。由表2試驗(yàn)結(jié)果可以看出，機(jī)組低負(fù)荷下，采用滑壓運(yùn)行方式，在降低主汽壓力運(yùn)行時(shí)，因高壓缸排汽溫度相對提高，使得高壓缸通流部件沿蒸汽流動(dòng)方向熱應(yīng)力有所減少。對應(yīng)500 MW工況，最高運(yùn)行壓力23 MPa下的高壓缸排汽溫度比最低運(yùn)行壓力19 MPa下的高壓缸排汽溫度低22.82℃；在負(fù)荷變化過程中，機(jī)組按照所得到的最佳滑壓曲線運(yùn)行，從360 MW負(fù)荷到550 MW負(fù)荷，高壓缸排汽溫度從295.24℃增加到308.773℃，溫度變化的幅度小，轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力較小，因此變負(fù)荷速率可以較大，大大的提高了機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的能力。因此低負(fù)荷下，采取滑壓運(yùn)行方式，對機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行安全性將產(chǎn)生有利影響。

3 結(jié)語

針對國產(chǎn)首臺(tái)超臨界660 MW機(jī)組，通過機(jī)組不同調(diào)節(jié)閥運(yùn)行方式試驗(yàn)，得到機(jī)組各試驗(yàn)負(fù)荷下三閥單閥、四閥單閥和順發(fā)閥運(yùn)行的熱耗率和高壓缸效率，機(jī)組順序閥運(yùn)行方式下的熱耗率和高壓缸效率優(yōu)于單閥運(yùn)行，同時(shí)在一定負(fù)荷下，由于三閥單閥運(yùn)行的調(diào)門開度大于四閥單閥運(yùn)行的調(diào)門開度，調(diào)門的節(jié)流損失小，高壓缸效率提高，從使循環(huán)熱效率增加，因此機(jī)組三閥單閥運(yùn)行的熱耗率低于四閥單閥運(yùn)行，尤其是400MW、500MW低負(fù)荷工況，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差別較大。600 MW以上工況，順序閥運(yùn)行的熱耗率和高壓缸效率跟三閥單閥運(yùn)行差別不大，三閥單閥運(yùn)行的高壓缸效率大于順序閥運(yùn)行，但順序閥和三閥單閥運(yùn)行的熱耗率和高壓缸效率都優(yōu)于四閥單閥工況。

機(jī)組在360～550 MW負(fù)荷范圍內(nèi)滑壓運(yùn)行，在各負(fù)荷下，隨機(jī)組主汽壓力降低，調(diào)門開大，高壓缸效率增加，汽動(dòng)給水泵耗功減小，小機(jī)進(jìn)汽流量降低。 對應(yīng)550MW、500MW、450MW、400 MW、360MW負(fù)荷的最優(yōu)運(yùn)行主汽壓力為24MPa、21MPa、21 MPa、20 MPa、17 MPa，試驗(yàn)得到的最佳定滑壓運(yùn)行曲線與設(shè)計(jì)定滑壓運(yùn)行曲線不同。根據(jù)試驗(yàn)得到的滑壓運(yùn)行曲線和機(jī)組滑壓運(yùn)行特性，在相應(yīng)工況下運(yùn)行時(shí)，可以在接近滑壓曲線的工況維持較高的主汽壓力運(yùn)行，增大調(diào)節(jié)汽門的節(jié)流，可以快速增加負(fù)荷，增強(qiáng)機(jī)組的變負(fù)荷響應(yīng)特性和調(diào)峰能力。 同時(shí)機(jī)組滑壓運(yùn)行，高壓缸溫度變化的幅度小，轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力較小，因此變負(fù)荷速率可以較大，大大的提高了機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的能力。