汽輪機滑壓曲線優(yōu)化方案比較與分析

鄭衛(wèi)東，李曉燕，熊志成

（華能國際電力股份有限公司玉環(huán)電廠，浙江　臺州　317604）

0　引言

隨著新能源發(fā)電及特高壓交直流輸電技術(shù)的發(fā)展，火電機組的深度調(diào)峰勢在必行，火電機組部分負荷運行的經(jīng)濟性問題越來越突出。目前國內(nèi)的火力發(fā)電機組，汽輪機調(diào)門都存在不同程度的節(jié)流現(xiàn)象，即保留有一定的蓄熱能力以應(yīng)付電網(wǎng)的調(diào)頻和調(diào)峰。汽輪機調(diào)門節(jié)流的大小與調(diào)門開度及機組壓力設(shè)定密切相關(guān)，選擇不同工況下的閥點及合適的滑壓曲線，是可調(diào)性、經(jīng)濟性的關(guān)鍵。如何使汽輪機既能滿足AGC（自動發(fā)電系統(tǒng)）響應(yīng)的需求，又能實現(xiàn)最大程度節(jié)能的雙重控制目標，是減小節(jié)流損失及提高部分負荷經(jīng)濟性的關(guān)鍵性難點問題，其實質(zhì)就是如何確定汽輪機閥點工作位置。

汽輪機閥點的工作位置，與汽輪機滑壓曲線密切相關(guān)，滑壓曲線的設(shè)定通常依據(jù)廠家的初始設(shè)計，是一條理論工況下的理想曲線。理論的滑壓曲線，難以滿足因機組運行工況偏離設(shè)計的需要，實際運行中往往難以達到應(yīng)有的節(jié)能功效，極端情況可能引起安全問題。確保汽輪機調(diào)門工作在最佳閥點位置，是滑壓曲線優(yōu)化的核心目標。

1　滑壓曲線優(yōu)化與最佳閥位關(guān)系分析

熱力系統(tǒng)運行參數(shù)不變的情況下，汽輪機的負荷、主蒸汽流量、汽輪機高壓調(diào)閥開度之間的關(guān)系可表達為

式中：Ne為機組負荷；P0為主蒸汽壓力；Cv為線性化的高壓調(diào)門開度?？梢姡摵梢欢〞r主蒸汽壓力越小，高壓調(diào)閥開度越大。

汽輪機降壓運行雖然降低整體熱循環(huán)效率，但是是否增加能耗，要對比循環(huán)效率降低值與節(jié)流損失減少值兩者之間的大小關(guān)系，對大多數(shù)機組而言，降低效率損失小于節(jié)流產(chǎn)生的能耗，所以完全從節(jié)能的角度看，如果降低汽輪機滑壓運行設(shè)定值，使調(diào)門全開節(jié)能效果最佳。但調(diào)門全開將使機組無法對負荷進行精確控制，不能滿足AGC和一次調(diào)頻的需求。

如果滑壓運行曲線設(shè)定壓力過高，將導致閥門工作位置偏離設(shè)計的經(jīng)濟閥位。高壓調(diào)閥開度越小，主蒸汽壓力P0越高，循環(huán)熱效率提高，對經(jīng)濟性有利，但高壓調(diào)門開度越小節(jié)流損失越大，還會引起高壓缸效率下降及給水泵功耗的上升。

因此，滑壓曲線優(yōu)化的實質(zhì)是根據(jù)P0與Cv的最佳匹配關(guān)系，確定最佳的滑壓曲線。怎么樣得到最優(yōu)運行結(jié)果，有2種觀點，從這2種觀點出發(fā)有多種做法：

（1）以主蒸汽壓力為標準，負荷一定時，最佳壓力對應(yīng)最佳汽耗率。

（2）以閥點為目標，在閥點運行時必定能獲得最佳的經(jīng)濟性，最佳閥點選擇在調(diào)門的拐點附近，并保留適當?shù)脑Ａ俊?/p>

單閥運行閥點1個，順序閥閥點多個，如果機組為4只高壓調(diào)門配置，其閥點目標值與負荷如圖1所示。

2　最佳滑壓曲線獲得方法

圖1　閥點目標值與負荷關(guān)系

汽輪機設(shè)計滑壓曲線依據(jù)汽輪機運行在設(shè)計工況時的進汽量與機前壓力正好匹配而定，最佳滑壓優(yōu)化曲線的獲取方法有多種，例如試驗法、變工況計算法、閥點分析法、重點因素分析法等。

以試驗法為例，在機組各特定負荷下，通過高精度試驗以確定機組不同負荷下采用不同滑壓曲線的發(fā)電熱耗率。依據(jù)試驗數(shù)據(jù)得出機組熱力特性，通過綜合計算和比較，得出最優(yōu)的壓力曲線值。該方法在機組運行中比較容易進行，設(shè)定機組的邊界條件。鍋爐燃燒指令手動調(diào)整，選取不同負荷段，記錄各典型負荷點的實際主蒸汽壓力，手動修改壓力設(shè)定值（也可以設(shè)計滑壓曲線偏置操作端），記錄壓力設(shè)定值與調(diào)門開度的關(guān)系。當最經(jīng)濟的閥位確定后，最佳壓力曲線即可獲得。在特定的條件下，試驗比較法比較準確，簡單易行，在火電廠得到了較多運用。

從節(jié)能的角度看，無論哪種方法獲得的最佳滑壓曲線，其適用范圍都比較小，難以兼顧機組運行方式和參數(shù)的影響。例如，運行機組受季節(jié)的影響帶負荷能力變化較大，試驗在夏季進行和在冬季運行差異明顯。運行中如何確保機組始終維持在最佳滑壓曲線上或者調(diào)門維持在某一閥點上，這需要對基本的滑壓曲線進行動態(tài)優(yōu)化補償。

3　幾種滑壓曲線的運行修正方案

運行機組受主蒸汽溫度、凝汽器真空、抽汽量變化、再熱減溫水流量、供熱機組供熱量變化等因素影響，相同的電功率時汽耗存在差異，使運行機組難以始終維持在最佳滑壓曲線上。因此需要對滑壓曲線進行動態(tài)修正，利用給定壓力的變化，力求汽輪機調(diào)門始終工作在最佳經(jīng)濟閥位。

機組的汽耗率是確定最佳滑壓曲線的關(guān)鍵因素，理論上可以根據(jù)機組的實際汽耗率與設(shè)計汽耗率的差異，得到滑壓曲線的修正量。因?qū)嶋H汽耗率在線計算困難，可以用影響汽耗率的主要因素，即背壓和抽汽量來修正。

3.1　基于背壓補償?shù)幕瑝呵€動態(tài)修正方案

在機組實際運行中，隨著夏季、冬季環(huán)境溫度的變化循環(huán)水溫度發(fā)生改變，對凝汽器壓力影響較大，引起機組帶負荷能力的變化，進而影響汽輪機閥門開度。非供熱機組受抽汽變化影響較小，所以可以利用凝汽器壓力對滑壓曲線進行修正。實際應(yīng)用中，可依據(jù)公式（2），用機組背壓對滑壓曲線進行修正：

式中：P為背壓修正后負荷；PG為機組實際負荷；Pb為排汽溫度對應(yīng)的飽和壓力。

背壓采用絕壓變送器時可直接運用，采用真空變送器時，用排汽溫度折算其對應(yīng)的飽和壓力，獲得的凝汽器壓力具有足夠的精度，完全可以滿足機組滑壓運行控制過程中計算“凝汽器壓力修正因子”的需要。具體修正滑壓曲線邏輯見圖2。

圖2　背壓修正邏輯示意

3.2　基于主蒸汽流量補償?shù)幕瑝呵€動態(tài)修正方案

供熱汽輪機的熱效率與調(diào)門最佳閥位的對應(yīng)關(guān)系受影響因素更多，不僅需要考慮背壓影響，還需要考慮抽汽量變化的影響。

有研究表明，以主蒸汽流量為變量的汽輪機滑壓曲線優(yōu)化方法，可以兼顧背壓及抽汽量變化的影響，基于主蒸汽流量補償?shù)幕瑝呵€可以通過試驗的方法獲得。其試驗步驟如下：

（1）按蒸汽流量大小順序，選取4個及以上主蒸汽流量， 分別進行步驟（2）—（4）。

（2）在選取的主蒸汽流量下，維持背壓及抽汽量不變，選取4個及以上不同主蒸汽壓力值。

（3）每個壓力點，在主蒸汽流量不變情況下核算熱耗值。

（4）把以上幾個主蒸汽壓力和對應(yīng)的熱耗率進行曲線擬合（最小二乘法法則），得出該主蒸汽流量下1條主蒸汽壓力與熱耗率關(guān)系曲線，根據(jù)最佳熱耗率值，從而確定該主蒸汽流量下最佳壓力值，如圖3所示。

圖3　熱耗率與主蒸汽壓力擬合曲線

（5）把試驗得到的最佳主蒸汽壓力數(shù)據(jù)進行處理，擬合出最佳滑壓曲線，如圖4所示。

圖4　滑壓曲線示意

3.3　基于閥點給定的定閥點滑壓曲線修正方案

定閥點滑壓即以汽輪機調(diào)門閥位為目標的滑壓優(yōu)化。理論上講，根據(jù)相關(guān)運行參數(shù)，對定閥點滑壓試驗確定的基本滑壓曲線進行修正，可以確保汽輪機調(diào)閥工作在設(shè)定閥位，實際運行中存在不可測干擾因素和修正誤差。此問題可以用閥位給定作為修正因子來解決，設(shè)計一個閥點給定的閉環(huán)修正回路。即根據(jù)設(shè)定閥位、實際閥位偏差，閉環(huán)修正設(shè)計壓力的設(shè)定值，有效解決壓力設(shè)定曲線偏離實際運行工況補償，具體見圖5。

圖5　定閥點滑壓閥位給定閉環(huán)修正原理示意

其原理為：試驗得出最佳的閥位給定值（例如設(shè)置為45%），與實際閥位進行比較，當閥門位置小于給定值時，壓力修正減小壓力設(shè)定值，壓力降低導致負荷降低，為滿足負荷需要，調(diào)門開大，直到達到閥位給定值為止，反之亦然。實現(xiàn)了汽輪機調(diào)門定閥點給定的閉環(huán)修正，在機組運行中，既能控制負荷，又能修正調(diào)門開度。

3.4　基于閥點動態(tài)優(yōu)化的滑壓曲線修正方案

比較在線測量得到的容易影響機組汽耗率的2個明顯因素，即凝汽器的真空值和機組的抽汽量（供熱機組），可以用來修正滑壓曲線。將真空和抽汽量對應(yīng)壓力的修正量作為前饋來粗調(diào)，如圖6所示，最佳閥位為控制目標的閉環(huán)回路為細調(diào)，這樣結(jié)合了關(guān)鍵參數(shù)修正方案和閥點給定的定閥點滑壓優(yōu)化方案的優(yōu)點。采用一個閉環(huán)的PID控制回路，以最佳滑壓閥點作為控制目標，實時修正壓力設(shè)定值（調(diào)整偏置量），實現(xiàn)最佳滑壓曲線動態(tài)修正。為防止調(diào)節(jié)回路反復(fù)動作、需要注意以下情況：

（1）要設(shè)置閥位控制偏差死區(qū)。

（2）壓力控制對閥位控制回路的閉鎖（壓力偏差小時參與調(diào)節(jié)）。

（3）前饋信號的處理。

（4）設(shè)置負荷變化對該回路的閉鎖（負荷穩(wěn)定時閥位回路參與調(diào)節(jié)）。

（5）考慮動態(tài)限幅，防止積分飽和。

4　幾種修正方案的比較

圖6　定閥點滑壓最佳閥位控制原理

（1）基于背壓補償?shù)幕瑝呵€動態(tài)修正方案依據(jù)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化，可行性較好，可以補償季節(jié)的影響，對于抽汽量變化較大的供熱機組不適用，該方案在浙江省某大型機組有實際運用。運用中，要注意背壓測量的準確性及試驗的邊界條件。

（2）基于主蒸汽流量補償?shù)幕瑝呵€動態(tài)修正方案對試驗準確性的要求較高，對試驗數(shù)據(jù)處理的要求也較高。該方案兼顧了背壓、抽汽量兩個關(guān)鍵參數(shù)的影響，適用于各類型火電機組，該方案在北方某發(fā)電廠有實際運用，優(yōu)化中要注意試驗和數(shù)據(jù)處理的準確性。

（3）基于閥點給定的定閥點滑壓曲線修正方案比較實用，利用較簡單的閉環(huán)回路達到了定閥點滑壓的目的。該方案需要試驗確定最佳閥點，運行中可以手動設(shè)定閥位，比較靈活，節(jié)能效果較好，在浙江省某大型機組有實際運用。運用中，要處理好壓力修正的速度和幅度，防止調(diào)門反復(fù)調(diào)節(jié)。

（4）基于閥點動態(tài)優(yōu)化的滑壓曲線修正方案結(jié)合了參數(shù)修正和定閥點給定修正的思想，節(jié)能效果好，在廣東省某大型機組有實際運用。運用中，要處理好關(guān)鍵參數(shù)粗調(diào)與最佳閥位閉環(huán)調(diào)節(jié)的配合，防止調(diào)門來回動作。

5　結(jié)語

滑壓曲線優(yōu)化是提高機組經(jīng)濟性的有效手段，優(yōu)化中要兼顧AGC性能的影響?；瑝呵€優(yōu)化的方法有多種，關(guān)鍵參數(shù)的動態(tài)修正方法可以實現(xiàn)不同工況、不同季節(jié)的需求。閥點給定的定閥點滑壓曲線優(yōu)化，是一種以最佳閥位確定滑壓曲線的手段，思路較好。閥點動態(tài)優(yōu)化是一種比較精確的方案，對機組節(jié)能有較好的預(yù)期。

以上介紹的不同優(yōu)化方案在國內(nèi)火電機組均有成功運用，可為火電廠汽輪機滑壓曲線優(yōu)化提供借鑒。