1000MW高效寬負(fù)荷超超臨界汽輪機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究

王晨瑜 張懷宇 葉菲

摘要：受電力消費(fèi)需求放緩、非化石能源發(fā)電量高速增長(zhǎng)等因素影響，提高大容量超超臨界機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的效率，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的寬負(fù)荷高效運(yùn)行是十分必要的。通過分析汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)及典型工況點(diǎn)的參數(shù)變化，研究1000MW高效寬負(fù)荷超超臨界汽輪機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，在保證額定負(fù)荷現(xiàn)有超超臨界機(jī)組效率的同時(shí)，提高部分負(fù)荷時(shí)段汽輪機(jī)的效率。

關(guān)鍵詞：高效寬負(fù)荷；汽輪機(jī)；系統(tǒng)優(yōu)化

1000MW wide high load of ultra supercritical steam turbine system optimization technology research

Wang Chenyu1 Zhang Huaiyu1 Fang Lian 2

（1 State Power Investment Corporation Research Institute，Beijing，102209，China；

2 Northeast Electric Power Design Institute Co.，Ltd of China Power Engineering Consulting Group，Changchun 130021，China）

Abstract：By the slowdown in demand for electricity consumption and influence factors of non fossil energy generating capacity growth，improve the efficiency of large capacity ultra supercritical unit in low load operation，to achieve the efficient operation of unit wide load is very necessary. Through the analysis of parameters of turbine structure and typical operating point，wide load of 1000MW ultra supercritical steam turbine system optimization technology，to ensure the rated load current efficiency of ultra supercritical units at the same time，improving the efficiency of steam turbine at partial load.

Key words：High load；steam turbine；system optimization

1 概述

受電力消費(fèi)需求放緩、非化石能源發(fā)電量高速增長(zhǎng)等因素影響，火電市場(chǎng)受到明顯擠壓。截止2016年底，全國(guó)全口徑統(tǒng)計(jì)火電裝機(jī)容量10.5億千瓦，全年火電利用小時(shí)4165小時(shí)，為1964年以來年度最低。同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，居民用電和商業(yè)用電的比重逐年增加，導(dǎo)致用電負(fù)荷峰谷差激增，使得按照帶基本負(fù)荷設(shè)計(jì)的大容量火電機(jī)組被迫參與調(diào)峰，且通常處于較低負(fù)荷運(yùn)行。

根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行實(shí)際情況，一般寬負(fù)荷高效運(yùn)行指50%～100%額定功率之間。研究汽輪機(jī)寬負(fù)荷高效運(yùn)行，就是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等各環(huán)節(jié)，在保證主機(jī)在額定工況下最高效率的同時(shí)，負(fù)荷降低后同樣處于較高效率，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。如何提高大容量超超臨界機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的效率和運(yùn)行靈活性，是整個(gè)火電行業(yè)繼續(xù)研究解決的問題。

2 1000MW高效超超臨界汽輪機(jī)寬負(fù)荷高效優(yōu)化的主要內(nèi)容

汽輪機(jī)寬負(fù)荷高效運(yùn)行，其優(yōu)化技術(shù)主要包括以下幾方面內(nèi)容，一是汽機(jī)本體優(yōu)化，提高汽機(jī)效率、減少損失，如缸體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、進(jìn)汽方式優(yōu)化、汽機(jī)葉片優(yōu)化、汽封優(yōu)化等。二是汽機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化，提高部分負(fù)荷的效率，如回?zé)峒?jí)數(shù)優(yōu)化、設(shè)置零號(hào)高加、設(shè)置外置蒸汽冷卻器、設(shè)置低加疏水泵等。三是與汽機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)相關(guān)優(yōu)化，如采用煙氣余熱梯級(jí)利用、回收熱量至回?zé)嵯到y(tǒng)、提高機(jī)組全負(fù)荷工況的熱效率，降低抽汽管道壓降，提高機(jī)組熱效率等。

汽輪機(jī)寬負(fù)荷高效優(yōu)化的原則為，在保證額定負(fù)荷高效的同時(shí)提高部分負(fù)荷的運(yùn)行效率。

3 高效超超臨界1000MW機(jī)組寬負(fù)荷高效優(yōu)化措施

3.1 汽輪機(jī)本體設(shè)備優(yōu)化

3.1.1 缸體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1000MW高效超超臨界機(jī)組采用四缸四排汽，圓筒形高壓缸，高壓缸和中壓缸可以整體發(fā)運(yùn)，減少安裝時(shí)間、提高安裝質(zhì)量。無高壓蒸汽聯(lián)通管道，閥門直接安裝在汽缸上。閥門與汽缸采用大型螺紋連接方式；閥門直接支撐在基礎(chǔ)上、對(duì)汽缸附加作用力??；布置在汽缸兩側(cè)；切向進(jìn)汽，損失小，壓損至少減少1%；起吊高度低。高壓第一級(jí)斜置靜葉級(jí)，流道簡(jiǎn)捷、無徑向漏汽損失；單流程、端損小，級(jí)效率91.7%，比其他高15%；無雙流180度大回轉(zhuǎn)，壓損1%。

單軸承支撐，軸承數(shù)量N+1，可使軸系緊湊、穩(wěn)定，與常規(guī)機(jī)組相比軸向尺寸縮短一個(gè)低壓缸長(zhǎng)度，約8～10m。單軸承比壓大，采用高粘度油，抗干擾穩(wěn)定性好。轉(zhuǎn)子支撐落地，不受背壓變化及汽缸變形影響，機(jī)組軸系穩(wěn)定。高壓轉(zhuǎn)子剛性大，抗汽隙激振的穩(wěn)定性好。

優(yōu)化膨脹系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通流部分動(dòng)靜差脹小，有利于機(jī)組快速啟動(dòng)；動(dòng)靜葉片軸向間隙設(shè)計(jì)小，減少損失；中壓外缸與低壓內(nèi)缸有推拉桿連接，連續(xù)滑動(dòng)；所有汽缸通過貓爪支撐在軸承座上；汽缸與軸承之間有耐磨、滑動(dòng)性能良好的金屬介質(zhì)。

3.1.2 汽輪機(jī)進(jìn)汽方式優(yōu)化

針對(duì)大型汽輪機(jī)寬負(fù)荷工況運(yùn)行的特點(diǎn)，將傳統(tǒng)的噴嘴調(diào)節(jié)方式改為全周進(jìn)汽+補(bǔ)汽調(diào)節(jié)的方式，避免了部分進(jìn)汽損失和葉高損失，額定工況下效率提高了12.9%，75%THA工況下效率提高了15.3%，且75%負(fù)荷時(shí)全周進(jìn)汽結(jié)構(gòu)的效率僅降低0.4%，遠(yuǎn)小于部分進(jìn)汽結(jié)構(gòu)的2.8%，變負(fù)荷運(yùn)行能力更高。

3.2 汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化

在一定的給水溫度條件下，回?zé)嵫h(huán)的效率是隨著回?zé)峒?jí)數(shù)的增多而提高，如圖3.2-1。但是隨著回?zé)峒?jí)數(shù)的增多，回?zé)嵫h(huán)效率的增量將逐漸減少，如圖3.2-1。因此采用過多的回?zé)峒?jí)數(shù)效率增加的益處將不明顯，且級(jí)數(shù)的增多使系統(tǒng)復(fù)雜、投資增加，所以合理的回?zé)峒?jí)數(shù)也應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來確定。

經(jīng)過對(duì)回?zé)嵯到y(tǒng)的優(yōu)化后，國(guó)內(nèi)某制造廠新型1000MW機(jī)組采用一次再熱、九級(jí)回?zé)嵯到y(tǒng)。相比原機(jī)組的八級(jí)回?zé)嵯到y(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益明顯，在THA工況及75%THA、50%THA工況，機(jī)組熱耗整體均降低約10kJ/kW·h。

3.3 設(shè)置零號(hào)高加

3.3.1 系統(tǒng)設(shè)置

對(duì)于一次再熱機(jī)組，在高壓缸補(bǔ)汽閥與高壓缸接口之間引出抽汽管道送至零號(hào)高加。在抽汽管道上設(shè)置快關(guān)調(diào)節(jié)閥、關(guān)斷閥、逆止閥，部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)補(bǔ)汽閥處于關(guān)閉狀態(tài)，從高壓缸補(bǔ)汽閥接口抽出的高壓蒸汽通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)抽汽量和抽汽參數(shù)，維持所需要的給水溫度。

3.3.2 增設(shè)零號(hào)高加后對(duì)對(duì)汽輪機(jī)部分負(fù)荷時(shí)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響

汽輪機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)投入零號(hào)高加，由于回?zé)嵯到y(tǒng)級(jí)數(shù)增加，提高了回?zé)嵯到y(tǒng)效率，提高了汽輪機(jī)給水溫度，汽輪機(jī)在部分負(fù)荷工況時(shí)汽輪機(jī)熱耗得以降低。

采用零號(hào)高加方案后，汽輪機(jī)在75%THA工況的熱耗降低約17kJ/kW·h；在50%THA工況的熱耗降低約29kJ/kW·h。

3.4 設(shè)置外置式蒸汽冷卻器

外置式蒸汽冷卻器是回?zé)嵯到y(tǒng)一個(gè)獨(dú)立的加熱器，當(dāng)前大多數(shù)的超超臨界機(jī)組都設(shè)置至少1級(jí)的串聯(lián)外置式蒸汽冷卻器。高效1000MW超超臨界機(jī)組采用一次中間再熱循環(huán)，再熱溫度為620℃，其第3級(jí)回?zé)岢槠O(shè)置在中壓缸第5級(jí)后。由于該級(jí)回?zé)岢槠窃贌岷笫状纬槠?，蒸汽的過熱度很大，100%負(fù)荷時(shí)可達(dá)～269℃。因此，可在3號(hào)高壓加熱器設(shè)置單級(jí)串聯(lián)外置式蒸汽冷卻器，以有效利用蒸汽的這一部分過熱度，提高機(jī)組的給水溫度。

機(jī)組在變負(fù)荷時(shí)通常采用滑壓運(yùn)行的方式。當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，蒸汽壓力降低，但是蒸汽溫度不變，隨著負(fù)荷的降低，抽汽過熱度迅速升高。因此，外置式蒸汽冷卻器系統(tǒng)在低負(fù)荷時(shí)改善過熱度的效果更加明顯。

3.5其他相關(guān)的優(yōu)化措施

3.5.1 壓降優(yōu)化研究

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)1000MW超超臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，如果將主蒸汽管道的壓降優(yōu)化在一個(gè)合理范圍（不高于額定工況下的約3%），則機(jī)組熱耗較低；將再熱系統(tǒng)的壓降控制在高壓缸排汽壓力的7%左右，機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性將明顯提高。

按通常設(shè)計(jì)，1段至3段抽汽管道的阻力損失一般為汽輪機(jī)抽汽口的3%，4段以后的各級(jí)抽汽管道阻力損失一般為抽汽口壓力的5%。通過STEAM PRO軟件分別計(jì)算當(dāng)1、2、3段抽汽壓力損失為2.5%，4、5、6段抽汽管道壓力損失為4%時(shí)的熱平衡，機(jī)組熱耗降低約9kJ/kW·h。

3.5.2 煙氣余熱的高能利用

煙氣余熱的高能級(jí)利用是指鍋爐排煙余熱同時(shí)加熱凝結(jié)水、冷風(fēng)與給水，將低溫?zé)煔饽芗?jí)提升，大幅度提高余熱利用效率。此項(xiàng)技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)成功應(yīng)用于Lagisza等多家電廠，運(yùn)行實(shí)踐表明，設(shè)備可靠性高，可提高全廠效率超過1個(gè)百分點(diǎn)。

高能級(jí)的煙氣余熱利用，就是在鍋爐尾部空預(yù)器設(shè)置煙氣旁路，因空預(yù)器入口煙氣較高，抽取的部分煙氣可用來加熱汽機(jī)高壓給水及進(jìn)入除氧器的凝結(jié)水，其回收的煙氣余熱排擠汽機(jī)高級(jí)抽汽，更進(jìn)一步降低機(jī)組的標(biāo)煤耗。這種系統(tǒng)在國(guó)外十年前就有類似的設(shè)計(jì)，并已經(jīng)安全運(yùn)行至今。例如德國(guó)的Niederaussem發(fā)電廠950MW鍋爐使用了此種系統(tǒng)設(shè)置，其系統(tǒng)示意如下圖所示：

如上圖所示，鍋爐空預(yù)器煙氣旁路可設(shè)置兩級(jí)高能級(jí)的低溫省煤器，一級(jí)加熱汽機(jī)給水泵出口高壓給水，將給水加熱至省煤器入口溫度；一級(jí)加熱凝結(jié)水將凝結(jié)水加熱至除氧器入口溫度。通過設(shè)置在除塵器前低低溫省煤器，煙氣溫度進(jìn)一步降低到90℃。

鍋爐排煙余熱高能級(jí)深度利用系統(tǒng)由如下幾部分組成：

1）通過設(shè)置在除塵器前低低溫省煤器，加熱進(jìn)入空預(yù)器的冷空氣。

2）空預(yù)器前主煙道上設(shè)置空預(yù)器的旁通煙道，在旁路上設(shè)置兩級(jí)低溫省煤器，分別為旁路一級(jí)高溫加熱器、旁路二級(jí)低溫加熱器。一級(jí)高溫加熱器加熱給水，二級(jí)低溫加熱器加熱凝結(jié)水。

煙氣余熱高能級(jí)利用方案的節(jié)能效果顯著，可使機(jī)組在全負(fù)荷運(yùn)行期間熱耗降低，機(jī)組在75%THA及50%THA工況的熱耗降低約30 kJ/kW·h。

4 設(shè)計(jì)工況點(diǎn)選擇

國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)的工況定義按《固定式發(fā)電用汽輪機(jī)規(guī)范》（GB/T 5578-2007）執(zhí)行（以下稱“國(guó)標(biāo)”），規(guī)定了汽輪機(jī)的TRL工況（即銘牌工況）、TMCR工況、THA工況和VWO工況。按國(guó)標(biāo)選擇汽輪機(jī)，通常汽輪機(jī)的最大通流能力（VWO工況）相比設(shè)計(jì)工況（THA工況）有10%的通流余量。

相比國(guó)內(nèi)選用“國(guó)標(biāo)”作為設(shè)備選型標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外通常采用IEC 60045-1（以下簡(jiǎn)稱“IEC標(biāo)準(zhǔn)”）作為設(shè)備選型標(biāo)準(zhǔn)。“IEC標(biāo)準(zhǔn)”僅規(guī)定了TMCR工況（即銘牌工況）和VWO工況，且兩工況除進(jìn)汽量外其他條件相同。按此種方式選型，則通流余量?jī)H為3～5%。

眾所周知，設(shè)計(jì)余量越大，機(jī)組通流則偏離最佳經(jīng)濟(jì)點(diǎn)越多。近年來隨著國(guó)內(nèi)總裝機(jī)容量不斷攀升，各個(gè)電廠年利用小時(shí)數(shù)一直在降低。按照設(shè)計(jì)年利用小時(shí)數(shù)6500小時(shí)計(jì)算，2016年全國(guó)火電機(jī)組平均為64%負(fù)荷運(yùn)行。因此通過改變工況定義的方式來縮小通流面積，對(duì)于提高寬負(fù)荷范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性都是巧妙且行之有效的。

現(xiàn)以國(guó)內(nèi)某制造廠新型1000MW機(jī)組為例，按照“國(guó)標(biāo)”和“IEC標(biāo)準(zhǔn)”的工況定義方式設(shè)計(jì)通流，以表4-1中參數(shù)為邊界條件進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。

從表4-2可以看出，“國(guó)標(biāo)”工況定義的VWO進(jìn)汽量為2955t/h，“IEC”工況定義的VWO進(jìn)汽量為2770t/h，最大通流能力減小6.3%，相應(yīng)的從THA至30%THA負(fù)荷的主汽壓力均提高約5.5%，提高了熱力循環(huán)的初參數(shù)。從圖5中可以看出，“IEC”工況定義下，30%～100%負(fù)荷區(qū)間內(nèi)熱耗均低于“國(guó)標(biāo)”工況定義，其中100%負(fù)荷低12.8 kJ/kW·h，75%負(fù)荷低16.4kJ/kW·h，50%負(fù)荷低19.3kJ/kW·h。隨著負(fù)荷越來越低，熱耗差值逐漸增大?？梢娡ㄟ^改變工況定義方式，改善寬負(fù)荷范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性，是既方便簡(jiǎn)單又效果明顯的手段。

5 結(jié)論

在目前的國(guó)內(nèi)機(jī)組運(yùn)行形勢(shì)下，提高機(jī)組在部分負(fù)荷的運(yùn)行效率是十分必要的。高效寬負(fù)荷汽輪機(jī)技術(shù)優(yōu)化，主要從汽機(jī)本體優(yōu)化、汽機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)及相關(guān)系統(tǒng)幾個(gè)方面進(jìn)行。通過以上優(yōu)化措施，在75%THA工況下，機(jī)組熱耗可以從7329 kJ/kW·h下降到7246.6kJ/kW·h，熱耗降低82.4kJ/kW·h，發(fā)電廠熱效率提高約0.52%；在50%THA工況下，機(jī)組熱耗可以從7584.6kJ/kW·h下降到7487.3kJ/kW·h，熱耗降低97.3kJ/kW·h，發(fā)電廠熱效率提高0.57%。

參考文獻(xiàn)

[1] 張懷宇，王晨瑜，謝雷，等. 大型汽輪機(jī)寬負(fù)荷運(yùn)行時(shí)進(jìn)汽部分性能對(duì)比分析[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2016（6）：459-460

基金項(xiàng)目：受“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“高效寬負(fù)荷超超臨界火電機(jī)組開發(fā)與應(yīng)用（項(xiàng)目編號(hào)：2015BAA03B00）資助”

作者簡(jiǎn)介：王晨瑜（1968-），男，學(xué)士，高級(jí)工程師，享受國(guó)務(wù)院政府津貼專家，主要研究方向?yàn)榘l(fā)電廠設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)。

通訊地址：北京市昌平區(qū)北七家未來科技城南區(qū)，國(guó)家電投集團(tuán)科研院

作者簡(jiǎn)介：葉菲，高級(jí)工程師，從事火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)。

（1作者單位：國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司；

2中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司）