660MW超超臨界汽輪機(jī)配汽方式的節(jié)能優(yōu)化

文 _ 晁瀏宏 四川省工業(yè)環(huán)境監(jiān)測研究院 張榮欣 國電科學(xué)技術(shù)研究院成都分院

汽輪機(jī)閥門流量特性曲線即配汽函數(shù)，理論上是其流量特性的數(shù)值表征，當(dāng)DEH（數(shù)字電液控制系統(tǒng)DigitalElectricHydraulicControlSystem）設(shè)定的閥門流量特性曲線與實(shí)際流量特性相一致時，汽輪機(jī)會表現(xiàn)出良好的控制性能；否則就會出現(xiàn)諸如調(diào)節(jié)閥晃動、配汽方式切換時負(fù)荷波動大、一次調(diào)頻能力差、機(jī)組協(xié)調(diào)響應(yīng)能力差等情況。流量特性曲線就是與單、多閥切換密切相關(guān)的一組數(shù)據(jù)。單、多閥的切換目的是為了提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性,其實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)節(jié)流調(diào)節(jié)與噴嘴調(diào)節(jié)的無擾切換,解決變負(fù)荷過程中的均熱要求與部分負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性的矛盾。DEH閥門流量特性曲線試驗(yàn)就是通過試驗(yàn)的方式得到閥門流量特性曲線,以解決在單、多閥切換過程中出現(xiàn)的閥門擺動的現(xiàn)象,保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

對于設(shè)計(jì)中帶基本負(fù)荷的大型汽輪發(fā)電機(jī)組,若采用定壓運(yùn)行方式參與電網(wǎng)調(diào)峰,在低負(fù)荷時會造成較大的節(jié)流損失,增加了熱耗率,而綜合考慮節(jié)流損失和循環(huán)熱效率后,采用合理的滑壓運(yùn)行方式,不僅能有效提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性,還能提高機(jī)組負(fù)荷變化的靈活性和安全性,增強(qiáng)調(diào)峰能力。

1 汽輪機(jī)配汽曲線的獲得

獲取汽輪機(jī)配汽曲線的途徑有兩種，一是理論計(jì)算；二是進(jìn)行流量特性試驗(yàn)。理論計(jì)算較適合新建機(jī)組，長期運(yùn)行后，由于設(shè)備磨損、老化或改造，結(jié)構(gòu)參數(shù)很可能偏離設(shè)計(jì)值，造成理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際偏差較大。對該機(jī)組來說，通過流量特性試驗(yàn)，獲取其流量特性，然后計(jì)算得到順序閥方式下的配汽曲線是較為合適的方法。

對于運(yùn)行中的汽輪機(jī)來說，結(jié)構(gòu)參數(shù)的缺失常使理論計(jì)算難以進(jìn)行；而現(xiàn)場測試的方法只需要汽輪機(jī)在特定工況下的運(yùn)行參數(shù)即可得到較為準(zhǔn)確的流量特性，特別適合運(yùn)行中的汽輪機(jī)。流量指令的表征、試驗(yàn)方法的確定和配汽曲線的形成是這一問題的三個主要方面。

獲得汽輪機(jī)配汽曲線的方法有兩種，一種是通過流量試驗(yàn)獲取單個調(diào)節(jié)閥的流量特性，然后再通過計(jì)算得到調(diào)節(jié)閥組的流量特性；另一種是按既定的配汽方式進(jìn)行試驗(yàn)，直接得到汽輪機(jī)的流量特性。前者的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)結(jié)果不受順序閥閥序的影響，閥序調(diào)整時只需重新計(jì)算即可得到新的閥序時的流量特性；缺點(diǎn)是部分結(jié)果由理論計(jì)算得到，與實(shí)際情況可能存在差異。后者的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)按既定閥序進(jìn)行，結(jié)果較為準(zhǔn)確；缺點(diǎn)是如果閥序調(diào)整，則需要重新進(jìn)行試驗(yàn)，如果閥序調(diào)整前后，相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥與調(diào)節(jié)級結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，則不需要重新進(jìn)行試驗(yàn)，只需要對配汽函數(shù)作相應(yīng)調(diào)整。汽輪機(jī)流量特性試驗(yàn)測取的不是其調(diào)節(jié)閥的流量特性，而是由調(diào)節(jié)閥與相應(yīng)調(diào)節(jié)級構(gòu)成的配汽機(jī)構(gòu)整體的流量特性，因此后一種方法更為合理。

2 調(diào)門重疊度的設(shè)定

汽輪機(jī)采用噴嘴調(diào)節(jié)時，多個調(diào)門是依次開啟的,如果后閥在前閥全部開啟后才接著開啟，那么根據(jù)單個閥門的特性可以推斷出多個閥門的升程與流量的關(guān)系呈波形曲線，顯然這是不符合調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線的。為了使配汽機(jī)構(gòu)特性曲線比較平滑，通常認(rèn)為當(dāng)閥門前后壓力比為0.95～0.98時，閥門就算全開，重疊度的選取一般以前一閥門開至閥門前、后蒸汽壓力比為0.85～0.90時，后一閥門便開始開啟為合適。

合理設(shè)置各高壓調(diào)門之間的重疊度，可以使單閥、順序閥的切換能平穩(wěn)地運(yùn)行，減少切換過程中對汽輪機(jī)重要參數(shù)的影響（如振動、瓦溫等），保證機(jī)組安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

3 某超超臨界機(jī)組配汽曲線和滑壓曲線的優(yōu)化

某電廠1#汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的N660-25/600/600型超超臨界凝汽式汽輪機(jī)，該機(jī)組的配汽方式為全電調(diào)控制的復(fù)合配汽方式。從機(jī)頭向發(fā)電機(jī)方向看，4個高壓調(diào)節(jié)閥(CV)的位置如圖1所示，所對應(yīng)的噴嘴數(shù)目分別為58、34、34、58。

圖1 高調(diào)閥布置圖

按照原有配汽方式運(yùn)行（圖2），額定負(fù)荷時進(jìn)汽節(jié)流損失較小，但在部分負(fù)荷時，4只高調(diào)閥均參與節(jié)流調(diào)節(jié)，進(jìn)汽機(jī)構(gòu)的節(jié)流損失較大，機(jī)組熱耗率較高。近年來，國內(nèi)600MW等級機(jī)組正常運(yùn)行負(fù)荷在60%～80%，而在此區(qū)域負(fù)荷段運(yùn)行時，高調(diào)閥的節(jié)流損失必然處于較高水平。隨著國家節(jié)能水平的不斷提高，各個電廠也在想方設(shè)法尋找降低機(jī)組能耗提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的途徑，因此，進(jìn)行優(yōu)化汽輪機(jī)配汽方式，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性顯得非常必要。

圖2 廠家給定的原配汽曲線

以往汽機(jī)閥門流量特性曲線試驗(yàn)與汽機(jī)滑壓優(yōu)化試驗(yàn)常常是分開的。汽輪機(jī)出廠時預(yù)設(shè)的高壓閥門流量特性曲線等由于加工、安裝以及就地設(shè)備工況點(diǎn)漂移等原因，在實(shí)際中會發(fā)生高壓調(diào)門流量特性曲線和重疊度曲線偏離設(shè)計(jì)值的現(xiàn)象，嚴(yán)重時將導(dǎo)致一次調(diào)頻和AGC（自動發(fā)電控制AutomaticGenerationControl）品質(zhì)下降。此時做汽輪機(jī)滑壓優(yōu)化試驗(yàn)必然得不到期望的效果。因此，在做汽輪機(jī)滑壓優(yōu)化前，應(yīng)先進(jìn)行汽輪機(jī)閥門特性試驗(yàn)，得到正確的高壓調(diào)門流量特性曲線和閥門重疊度曲線后，再進(jìn)行汽輪機(jī)滑壓優(yōu)化試驗(yàn)，才能得到最佳滑壓優(yōu)化曲線。

3.1 機(jī)組配汽方式和滑壓曲線的優(yōu)化思路及方案

針對原配汽方式下中低負(fù)荷段節(jié)流損失較大的特點(diǎn)，與廠家積極進(jìn)行溝通和交流，最終確定1#汽輪機(jī)配汽優(yōu)化和滑壓優(yōu)化的思路。首先在負(fù)荷一定的情況下，先進(jìn)行單個閥門的流量特性曲線測試試驗(yàn)，通過計(jì)算后，得到順序閥配汽曲線?；瑝簝?yōu)化的思路主要是在原復(fù)合配汽方式、再通過改變配汽方式（復(fù)合配汽改順序閥配汽）進(jìn)行一系列試驗(yàn)，并分別計(jì)算各試驗(yàn)工況下參數(shù)修正后的汽輪機(jī)熱耗，熱耗最低工況對應(yīng)的閥位為最佳閥位，對應(yīng)的主汽壓力為最優(yōu)主汽壓力。然后在不同的負(fù)荷下重復(fù)上述過程，即能得到汽機(jī)在部分負(fù)荷運(yùn)行時的最優(yōu)滑壓壓力。最后再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行DEH邏輯的優(yōu)化，設(shè)置增加單閥、順閥兩個模式，機(jī)組啟動過程中采用單閥模式，有利于機(jī)組啟動的安全，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷達(dá)50%以上時，選擇順閥控制模式（即優(yōu)化后的閥位控制），從而達(dá)到降低機(jī)組熱耗率的目的。

3.2 試驗(yàn)方法和步驟

系統(tǒng)嚴(yán)格按照相關(guān)方案進(jìn)行隔離。向系統(tǒng)補(bǔ)水，調(diào)整除氧器水箱水位、熱井水位至較高值，保持各加熱器水位正常、穩(wěn)定，停止補(bǔ)水。試驗(yàn)期間，除氧器水箱水位、熱井水位保持穩(wěn)定，避免出現(xiàn)劇烈波動。

根據(jù)每一試驗(yàn)工況的要求，由運(yùn)行人員調(diào)整機(jī)組運(yùn)行參數(shù)并保持穩(wěn)定，回?zé)嵯到y(tǒng)正常投入。

試驗(yàn)前，需將AGC、一次調(diào)頻，以及CCS（協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)CoordinationControlSystem）等切除，鍋爐側(cè)投入BF（鍋爐跟蹤BoilerFollow）模式，控制壓力穩(wěn)定，汽機(jī)側(cè)將4個調(diào)門切至手動運(yùn)行方式。

根據(jù)試驗(yàn)工況的要求，調(diào)整高壓調(diào)節(jié)閥閥位，且在試驗(yàn)過程中保持負(fù)荷不變。

穩(wěn)定一段時間后采集相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)組的主汽流量變化以及熱耗率等。

試運(yùn)中應(yīng)密切注意機(jī)組的運(yùn)行情況及被試驗(yàn)設(shè)備、系統(tǒng)各部分的工作情況，如有異常，立即停止試驗(yàn)并將機(jī)組轉(zhuǎn)換回單閥運(yùn)行，或由運(yùn)行人員采取辦法穩(wěn)定機(jī)組的運(yùn)行。

3.3 單個閥門的流量特性曲線測試

3.3.1 汽輪機(jī)閥門特性試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)壓力為額定壓力25MPa，退出AGC和一次調(diào)頻，投入BF模式，鍋爐側(cè)維持主汽參數(shù)穩(wěn)定。

將機(jī)組負(fù)荷調(diào)整師400MW左右，確保整個試驗(yàn)期間CV1和CV3全開。

按照0%、3%、6%、9%、13%、20%、25%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、70%、80%、90%、100%的試驗(yàn)順序分別對CV2和CV4閥門進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)期間維持機(jī)組在24.2MPa、566℃運(yùn)行。

單閥控制方式下閥門流量特性是通過流量試驗(yàn)獲取單個調(diào)節(jié)閥的流量特性，然后再通過計(jì)算得到調(diào)節(jié)閥組的流量特性。

3.3.2 汽輪機(jī)配汽函數(shù)優(yōu)化

CV2和CV4的實(shí)測閥門流量特性曲線如下圖3和圖4所示。

CV2、CV4在0%～6%內(nèi)基本沒有流量，在9%～50%內(nèi)流量變化較大，在50%以上閥位時基本達(dá)到全流量，此時曲線較陡，呈迅速開啟狀態(tài)。

CV2、CV4閥門流量特性函數(shù)基本上一致，但兩個閥門特性曲線略有差異。

參照試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，CV2、CV4高壓調(diào)節(jié)閥特性基本一致，同時考慮機(jī)組在運(yùn)行時CV1和CV3基本全開，就沒有再進(jìn)行CV1和CV3的流量特性試驗(yàn)。綜合各因素及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，CV1～CV4閥門特性曲線決定采用相同的閥門流量特性函數(shù)。在征得東方汽輪機(jī)有限公司的同意后，調(diào)門重疊度設(shè)置為10%。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化后的CV1～CV4高壓調(diào)節(jié)閥特性曲線見圖5。

3.4 機(jī)組滑壓曲線的優(yōu)化

3.4.1 350MW負(fù)荷試驗(yàn)

機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在350MW，通過閥位變換，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，及計(jì)算結(jié)果如表1所示（表中0為原閥位工況）。從表中可以看出，在350MW負(fù)荷，機(jī)組在主蒸汽壓力為17.5MPa時機(jī)組經(jīng)濟(jì)性最好。由表1中機(jī)組熱耗率可知，配汽優(yōu)化后機(jī)組熱耗率較優(yōu)化前改善了46kJ/kWh。

表1 350MW試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

3.4.2 410MW負(fù)荷試驗(yàn)

機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在410MW，通過閥位變換，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，及計(jì)算結(jié)果如表2所示（圖中：0為原閥位工況）。從表2中可以看出，在410MW負(fù)荷，機(jī)組在主蒸汽壓力為19.00MPa時機(jī)組經(jīng)濟(jì)性最好，配汽優(yōu)化后機(jī)組熱耗率較優(yōu)化前改善38kJ/kWh。

表2 410MW試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

3.4.3 460MW負(fù)荷試驗(yàn)

機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在460MW，通過閥位變換，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，及計(jì)算結(jié)果如表3所示（表中0為原閥位工況）。由表3中可知，在460MW負(fù)荷，機(jī)組在主蒸汽壓力為19.46MPa時機(jī)組經(jīng)濟(jì)性最好，配汽優(yōu)化后機(jī)組熱耗率較優(yōu)化前改善39kJ/kWh。

表3 460MW試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

3.4.4 530MW負(fù)荷試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中，機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在530MW，通過閥位變換，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，及計(jì)算結(jié)果如表4所示（表中0為原閥位工況）。由表4可知，在530MW負(fù)荷，機(jī)組在主蒸汽壓力為22.41MPa時機(jī)組經(jīng)濟(jì)性最好，配汽優(yōu)化后機(jī)組熱耗率較優(yōu)化前改善37kJ/kWh。

表4 530MW試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

3.4.5 590MW負(fù)荷試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中，機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在590MW，通過閥位變換，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，及計(jì)算結(jié)果如表5所示（表中0為原閥位工況）。由表5可知，在590MW負(fù)荷，機(jī)組在主蒸汽壓力為24.53MPa時機(jī)組經(jīng)濟(jì)性最好，配汽優(yōu)化后機(jī)組熱耗率較優(yōu)化前改善25kJ/kWh。

表5 590MW試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

3.4.6 660MW負(fù)荷試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中，機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在660MW，通過閥位變換，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，及計(jì)算結(jié)果如表6所示（表中0為原閥位工況）。由表6可知，在660MW負(fù)荷，原配汽方式與順序閥配汽方式經(jīng)濟(jì)性基本相當(dāng)。

4 優(yōu)化分析及總結(jié)

4.1 各負(fù)荷點(diǎn)經(jīng)濟(jì)性對比分析

表7所示為#1機(jī)各試驗(yàn)負(fù)荷配汽優(yōu)化前后經(jīng)濟(jì)性對比情況。

從表7可看出，不同負(fù)荷段機(jī)組熱耗有一定差別，負(fù)荷的越高，越接近額定負(fù)荷，機(jī)組優(yōu)化前后的熱耗越小，負(fù)荷越低，優(yōu)化后熱耗收益越大。

4.2 優(yōu)化機(jī)組滑壓運(yùn)行曲線

根據(jù)汽輪機(jī)在新閥序下各負(fù)荷最佳運(yùn)行點(diǎn)，繪制主汽壓最佳滑壓曲線，擬合得到優(yōu)化后的鍋爐定滑壓曲線（圖6）。

表6 660MW試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

4.3 機(jī)組振動影響

汽輪機(jī)配汽方式的改變，對軸系影響較大的部位是前端。通過查閱DCS（分散控制系統(tǒng)DistributedControlSystem）數(shù)據(jù)，觀察機(jī)組優(yōu)化前后軸承振動X向、Y向、瓦蓋振動情況，通過觀察得知，復(fù)合配汽方式切換到順序閥配汽方式后，1#、2#、3#軸振值均基本不變，并處于良好狀態(tài)。由此可知，順序閥配汽優(yōu)化對機(jī)組軸振影響較小。

4.4 軸承溫度影響

通過查閱DCS數(shù)據(jù)得知，1#、2#、3#、4#軸承金屬溫度值在兩種閥序下相比無明顯變化，由此可見配汽優(yōu)化對汽輪機(jī)前端軸承金屬溫度影響不大，改順序閥并不影響機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。

表7 各優(yōu)化前后經(jīng)濟(jì)性對比

5 優(yōu)化及改進(jìn)

5.1 DEH邏輯優(yōu)化

通過DEH邏輯優(yōu)化，增加界面單閥、順閥切換模塊，機(jī)組負(fù)荷在400MW左右時，將機(jī)組配汽方式由原閥位控制模式切換為順閥控制模式，切換過程為無擾切換，切為順閥控制模式后，機(jī)組配汽方式由原復(fù)合配汽模式切換為CV1、CV3-CV2-CV4順序閥運(yùn)行，機(jī)組在50%額定負(fù)荷以上波動時，只保持一只高壓調(diào)門在節(jié)流狀態(tài)。通過機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，評估機(jī)組配汽方式優(yōu)化后降低機(jī)組煤耗1g/kWh左右。

5.2 AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)改進(jìn)

通過遠(yuǎn)方調(diào)度對機(jī)組AGC速率測試結(jié)果，配汽方式優(yōu)化前后AGC調(diào)節(jié)速率由原1.6%增加到2.15%，機(jī)組調(diào)節(jié)品質(zhì)得到一定的提高，滿足了電網(wǎng)調(diào)度的考核要求。

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