660 MW超超臨界節(jié)流調(diào)節(jié)機組滑壓優(yōu)化試驗研究

鄭堅剛，張敬坤

（華能國際電力股份有限公司長興電廠，浙江　長興　313100）

0　引言

上汽—西門子660 MW超超臨界機組汽輪機采用全周進汽滑壓調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)有2只高壓調(diào)門（簡稱高調(diào)門），并配有過負荷運行的補汽閥，但補汽閥不適于日常運行機組負荷調(diào)節(jié)[1-3]。在當前大型機組普遍參與電網(wǎng)調(diào)峰運行的環(huán)境下，為滿足AGC（自動發(fā)電系統(tǒng)）和一次調(diào)頻響應(yīng)速率的要求，高調(diào)門通常留有較大的負荷調(diào)節(jié)余量，特別是在低負荷時，高調(diào)門開度較小，節(jié)流損失較大，對機組運行經(jīng)濟性造成不利影響[4-16]。

華能長興發(fā)電廠2號汽輪機為上海汽輪機廠生產(chǎn)制造的超超臨界、一次中間再熱、純凝汽式汽輪機，2016年7月1日至21日期間通過對高調(diào)門開度的連續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)高調(diào)門開度大多在36%以下，特別是當機組負荷低于600 MW時，高調(diào)門平均開度僅有30%左右，調(diào)門節(jié)流損失較大，機組運行經(jīng)濟性較低，如圖1所示。

圖1　華能長興發(fā)電廠2號汽輪機高調(diào)門開度分布

為解決上述問題，在各典型負荷點改變主汽壓力和閥門開度，進行滑壓尋優(yōu)試驗。通過對機組在同一負荷各運行工況下高壓缸效率、熱耗率等參數(shù)的對比和對機組運行安全性、一次調(diào)頻響應(yīng)速率的分析，兼顧機組運行經(jīng)濟性和實際可控性，確定各典型負荷點的最佳運行主汽壓力值，并以此為基礎(chǔ)優(yōu)化滑壓運行曲線。進一步，考慮到當季節(jié)變化引起環(huán)境溫度等氣象條件變化時將對機組運行參數(shù)產(chǎn)生較大影響，提出滑壓運行曲線的實際修正方法，提高了滑壓運行曲線的實用性，同時可為同型汽輪機運行方式優(yōu)化提供借鑒。

1　機組概況

華能長興發(fā)電廠2號汽輪機是上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機廠生產(chǎn)制造的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、純凝汽式汽輪機，型號為N660-28/600/620，其主要技術(shù)規(guī)范見表1。

汽輪機由1個單流圓筒型高壓缸，1個雙流中壓缸，2個雙流低壓缸組成，汽輪機配汽方式為全周進汽+補汽閥，變壓運行，由2個高壓調(diào)節(jié)汽閥和1個補汽閥組成，補汽閥在高于額定負荷660 MW時開啟。

汽封系統(tǒng)設(shè)計為：高壓缸軸封一段漏汽引至中壓缸排汽口，高壓缸軸封二段漏汽供低壓缸自密封用汽，高壓缸軸封三段漏汽引至軸封加熱器（簡稱軸加）；中壓缸軸封一段漏汽供低壓缸自密封用汽，中壓缸軸封二段漏汽引至軸加；低壓缸軸封用汽來自高/中壓缸軸封漏汽，末端軸封漏汽引至軸加。

表1　華能長興發(fā)電廠2號汽輪機主要技術(shù)規(guī)范

回熱系統(tǒng)布置有4臺低壓加熱器（簡稱低加），1臺除氧器和3臺高壓加熱器（簡稱高加），其中3號高加設(shè)置外置式蒸汽冷卻器，布置在1號高加給水出口后；高加疏水逐級回流至除氧器，5號低加疏水至6號低加，6號低加疏水通過疏水泵引至6號低加出口凝結(jié)水管道，7號、8號低加疏水流至疏水加熱器，疏水加熱器疏水至凝汽器。

給水泵配置為1×100%BMCR（鍋爐最大出力工況）容量的汽動給水泵，正常運行汽源為四段抽汽，補充汽源來自再熱器冷端（簡稱冷再）。鍋爐引風機為小汽輪機驅(qū)動，正常運行汽源為四段抽汽，小汽輪機排汽至自帶的凝汽器，凝結(jié)水回至主機凝汽器。7號低加出口的凝結(jié)水全部引至鍋爐側(cè)的低溫省煤器，低溫省煤器加熱后的凝結(jié)水返回至6號低加入口。

2　滑壓尋優(yōu)試驗

2.1　熱力系統(tǒng)測點布置

表2　測量儀器儀表主要技術(shù)規(guī)范及應(yīng)用范圍

依據(jù)ASME PTC6-2004《汽輪機性能試驗規(guī)程》中汽輪機性能試驗的要求[17]，對2號機組熱力系統(tǒng)布置測點，如圖2所示。系統(tǒng)共布置22個壓力測點、28個溫度測點、5個流量測點、3個水位測點、6個功率測點和2個閥位測點，測量儀器儀表的主要技術(shù)規(guī)范和應(yīng)用范圍見表2。

2.2　試驗方法和數(shù)據(jù)處理

滑壓尋優(yōu)試驗按照閥點和負荷基準進行，選取660 MW，550 MW，440 MW和330 MW 4個典型負荷點，根據(jù)實際情況每個負荷點進行3～4個工況試驗，各工況對機組主汽壓力和閥門開度進行調(diào)整改變，其他條件一致。試驗前，將凝汽器熱井補水至較高水位，以維持試驗進行中不向系統(tǒng)內(nèi)補水，并按試驗要求對熱力系統(tǒng)進行隔離操作。在試驗過程中，除影響機組安全的因素外，不得進行與試驗無關(guān)的操作，停止向系統(tǒng)外排污、排水、排汽等。當系統(tǒng)和設(shè)備正常運行且參數(shù)穩(wěn)定后，確認試驗工況滿足要求，統(tǒng)一開始采集數(shù)據(jù)，持續(xù)60 min，采集頻率均為20 s。

選取數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的每一工況相對穩(wěn)定的一段連續(xù)記錄數(shù)據(jù)求取平均值（按照試驗規(guī)程，對試驗結(jié)果主/再熱蒸汽溫度和低壓缸排汽壓力進行修正），參照ASME PTC6A-2000算例的方法，進行高壓加熱器熱平衡計算、除氧器熱平衡計算、主蒸汽流量計算、再熱蒸汽流量計算、試驗熱耗率和高、中壓缸效率計算（各段軸封漏汽流量和門桿漏汽流量根據(jù)設(shè)計曲線和試驗主蒸汽流量來計算）。根據(jù)計算結(jié)果，綜合比較機組運行的經(jīng)濟性和安全性等，分析確定各典型負荷下的最佳運行主汽壓力值，繪出優(yōu)化后的機組滑壓運行曲線。

3　試驗結(jié)果及分析

3.1　各典型負荷工況下試驗結(jié)果

3.1.1660 MW工況試驗結(jié)果

圖2　試驗熱力系統(tǒng)及測點布置

在660 MW負荷下進行了3個不同調(diào)門開度下的定滑壓工況試驗，主蒸汽壓力從28.04 MPa滑壓到26.67 MPa，變化范圍約為1.37 MPa，各工況試驗主要結(jié)果匯總見表3。由T01工況滑壓到T02工況后，主蒸汽壓降約0.82 MPa，高調(diào)門開度從39%開大到51%，高壓缸效率提高了1.26%；當進一步滑壓至T03況后，主蒸汽壓降約0.55 MPa，此時高調(diào)門已達到100%全開狀態(tài)，高壓缸效率達到88.15%，提高了0.79%。

表3　660 MW負荷工況滑壓試驗主要結(jié)果

機組熱耗率基本隨著高調(diào)門開度的逐步開大。（高壓缸效率的逐步提高）而逐漸降低的，如圖3與4所示。由T01工況滑壓到T03工況后，熱耗率降低約11.9 kJ/kWh，高壓缸效率提高約2.05%。

圖3　660 MW負荷下熱耗率及高壓缸效率與主汽壓關(guān)系

T03工況的主汽壓力值約為26.67 MPa，調(diào)門為100%全開，高壓缸效率最高，熱耗率也最低，但實際運行中考慮到機組對負荷升降速率的需求，高調(diào)門開度不能在全開狀態(tài)下運行，且此時高調(diào)門極易隨著主汽壓力的微小變化而大幅度波動。T01工況主汽壓力值為28.04 MPa時，調(diào)門開度平均值約為39%，高壓缸效率為86.1%，機組熱耗率為7 371.6 kJ/kWh，此時的高調(diào)門開度較為穩(wěn)定。綜合分析認為，在660 MW負荷下，機組的滑壓值為28.0 MPa（絕對壓力），高調(diào)門開度約為39%。

3.1.2550 MW工況試驗結(jié)果

在550 MW負荷下進行了4個不同調(diào)門開度下的滑壓工況試驗，主蒸汽壓力從24.83 MPa滑壓到21.97 MPa，變化范圍約為2.86 MPa，各工況試驗主要結(jié)果匯總見表4。由T11工況滑壓到T12工況后，主蒸汽壓降約1.60 MPa，高調(diào)門開度從29%開大到37%，高壓缸效率提高約2.62%；由T12工況滑壓到T13工況后，主蒸汽壓降約0.88 MPa，高調(diào)門開大至約為50%，高壓缸效率提高約1.66%；當進一步滑壓至T14況后，主蒸汽壓降約0.38 MPa，高調(diào)門已基本全開，高壓缸效率達到最高為88.17%，提高約0.8%。

表4　550 MW負荷工況滑壓試驗主要結(jié)果

機組熱耗率基本隨著高調(diào)門開度的逐步開大，高壓缸效率的逐步提高而逐漸降低的，如圖5與6所示。由T11工況滑壓到T14工況后，熱耗率降低約37.8 kJ/kWh，高壓缸效率提高約5.08%。

T14工況的主汽壓力值約為21.97 MPa，調(diào)門已基本全開，高壓缸效率最高，熱耗率也最低，但實際運行中考慮到機組對負荷升降速率的需求，高調(diào)門開度不能在全開狀態(tài)下運行，且此時高調(diào)門極易隨著主汽壓力的微小變化而波動。綜合分析認為，在550 MW負荷下，機組的滑壓值取為22.9 MPa（絕對壓力），高調(diào)門開度約為40%。

3.1.3440 MW工況試驗結(jié)果

圖5　550 MW負荷下熱耗率及高壓缸效率與主汽壓力關(guān)系

圖6　550 MW負荷下高調(diào)門開度及高壓缸效率與主汽壓力關(guān)系

圖7　440 MW負荷下熱耗率及高壓缸效率與主汽壓力關(guān)系

圖8　440 MW負荷下高調(diào)門開度及高壓缸效率與主汽壓力關(guān)系

在440 MW負荷下共計進行了3個滑壓工況的試驗，主蒸汽壓力從20.32 MPa滑壓到17.41 MPa，變化范圍約為2.91 MPa，各工況試驗主要結(jié)果匯總見表5。由T21工況滑壓到T22工況后，主蒸汽壓降約2.05 MPa，高調(diào)門開度從28%開大到39%，高壓缸效率提高約4.08%；當進一步滑壓至T23工況后，主蒸汽壓降約0.86 MPa，高調(diào)門已基本全開，高壓缸效率達到88.09%，提高了2.10%。

表5　440 MW負荷工況滑壓試驗主要結(jié)果

機組熱耗率基本隨著高調(diào)門開度的逐步開大，高壓缸效率的逐步提高而逐漸降低的，如圖7與8所示。由T21工況滑壓到T23工況后，熱耗率降低約36.7 kJ/kWh，高壓缸效率提高約6.18%。

T23工況的主汽壓力值約為17.41 MPa，調(diào)門開度平均值約為91%，高壓缸效率最高，熱耗率也最低，但實際運行中考慮到機組對負荷升降速率的需求，高調(diào)門開度不能在全開狀態(tài)下運行，且此時高調(diào)門極易隨著主汽壓力的微小變化而波動。T22工況主汽壓力值為18.27 MPa時，調(diào)門開度平均值約為39%，高壓缸效率為85.99%，熱耗率為7 540.3 kJ/kWh，此時的高調(diào)門開度相對較為穩(wěn)定。綜合分析認為，在440 MW負荷下，機組的滑壓值取為18.1 MPa（絕對壓力），高調(diào)門開度約為40%。

3.1.4330 MW工況試驗結(jié)果

330 MW負荷工況只完成了1個工況的試驗，工況主蒸汽壓力為正常運行設(shè)定壓力。在進行第2個工況時，主蒸汽壓力滑壓至12.50 MPa左右，高調(diào)門開度約39%，此時給水泵汽輪機轉(zhuǎn)速已降至約3 080 r/min（給水泵汽輪機轉(zhuǎn)速不能低于3 000 r/min），給水泵再循環(huán)調(diào)門已開至68%，出于安全運行考慮，此工況不再繼續(xù)進行。根據(jù)機組實際運行情況，綜合分析認為，在330 MW負荷下，機組的滑壓值取為13.0 MPa（絕對壓力），高調(diào)門開度約為36%。

3.2　高壓缸效率與高調(diào)門開度的分析

高調(diào)門GV1和GV2同時開啟和關(guān)閉且開度一致，補汽閥在額定負荷以下時處于關(guān)閉狀態(tài)。在日常運行工況下，在一定負荷時主汽壓力變化導致高調(diào)門開度變化，高壓缸效率隨之變化，如圖9所示。在部分負荷下運行時，機組在優(yōu)化前的高調(diào)門開度普遍運行在30%左右，高壓缸效率對應(yīng)約為83%；優(yōu)化后的高調(diào)門開度則運行在40%左右，高壓缸效率對應(yīng)約為86%，高壓缸效率平均提高約3%。

圖9　高壓缸效率與高壓調(diào)門開度的關(guān)系

3.3　滑壓運行曲線優(yōu)化

通過上述分析，對汽輪機在各負荷下的滑壓參數(shù)進行優(yōu)化，如表6所示。在各負荷工況時，目前設(shè)定的主蒸汽壓力滑壓值偏高在0～2.3 MPa之間，高壓缸效率較低；優(yōu)化后高調(diào)門的開度均保持在36%～40%之間，此時高壓缸效率保持在86%的高效運行區(qū)域，機組熱耗率降低，折合供電標準煤耗率可下降0.4～1.1 g/kWh，優(yōu)化后的滑壓運行曲線如圖10所示。優(yōu)化后的滑壓運行曲線函數(shù)為：

式中：y為主蒸汽壓力；x為機組負荷，330≤x≤660。

表6　機組在各負荷下的滑壓參數(shù)對比

圖10　優(yōu)化試驗得出的滑壓曲線

3.4　變季節(jié)下的滑壓曲線修正應(yīng)用

值得注意的是，機組進行滑壓優(yōu)化試驗期間的機組背壓約為5.0 kPa左右，優(yōu)化曲線代表了在試驗期間平均背壓下的機組最優(yōu)運行狀態(tài)，而當季節(jié)變化引起環(huán)境溫度等氣象條件變化時機組的運行背壓將發(fā)生變化，從而使得同負荷下的主蒸汽流量將發(fā)生變化，如果此時仍然按照試驗得出的滑壓曲線來運行主汽壓力，相應(yīng)機組的高調(diào)門開度會變化，將導致機組運行點偏離優(yōu)化試驗所得出的優(yōu)化點。因此，在實際運行中應(yīng)當對滑壓曲線進行修正。

在實際運行中，當機組背壓受外界影響而比試驗期間更高（如夏季）或更低（如冬季）時，可依據(jù)“高調(diào)門開度不變”的原則，通過設(shè)置壓力偏置，提高或降低主蒸汽壓力的實際運行值，使高調(diào)門開度仍然保持在40%左右。

4　結(jié)論

針對華能長興發(fā)電廠2號超超臨界汽輪機滑壓運行中高壓調(diào)門開度偏小的問題進行研究，理論分析和試驗研究結(jié)果如下：

（1）根據(jù)機組滑壓尋優(yōu)試驗結(jié)果，在各典型工況點最優(yōu)滑壓值的基礎(chǔ)上對滑壓運行曲線進行擬合分析，確定滑壓運行曲線最優(yōu)函數(shù)為y=0.045 273x-1.910 000（其中：y為主蒸汽壓力；x為機組負荷， 330≤x≤660）。

（2）優(yōu)化后高調(diào)門開度保持在36%～40%間，高壓缸效率保持在86%的高效運行區(qū)域，機組熱耗率降低，折合供電標準煤耗率可下降0.4～1.1 g/kWh，經(jīng)濟性進一步得到提高。

（3）在實際運行中，當機組背壓受外界影響比試驗期間更高（如夏季）或更低（如冬季）時，可依據(jù)“高調(diào)門開度不變”的原則，通過設(shè)置壓力偏置，提高或降低主蒸汽壓力的實際運行值，使高調(diào)門開度仍然保持在40%左右。