660MW超超臨界汽輪機(jī)配汽方式優(yōu)化的研究

張榮欣，曹麗華，朱雙軍，高全圣

(1.國電科學(xué)技術(shù)研究院 成都電力技術(shù)分院，四川 成都 610000；2.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

汽輪機(jī)閥門流量特性曲線即配汽函數(shù)在理論上是汽輪機(jī)流量特性的數(shù)值表征，當(dāng)DEH設(shè)定的閥門流量特性曲線與實(shí)際流量特性相一致時(shí)，汽輪機(jī)會(huì)表現(xiàn)出良好的控制性能；否則就會(huì)出現(xiàn)諸如調(diào)節(jié)閥晃動(dòng)、配汽方式切換時(shí)負(fù)荷波動(dòng)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[1].汽輪機(jī)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.

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).獲取汽輪機(jī)配汽曲線的途徑有兩種，一是理論計(jì)算[2～3]，二是進(jìn)行流量特性試驗(yàn)[4].理論計(jì)算較適合新建機(jī)組.對(duì)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；即使有機(jī)組的結(jié)構(gòu)參數(shù)，因?yàn)闄C(jī)組長(zhǎng)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[5].對(duì)運(yùn)行中的機(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[6].該方法只需要汽輪機(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.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(gè)主要方面[7].對(duì)此可通過流量試驗(yàn)獲取單個(gè)調(diào)節(jié)閥的流量特性，再通過計(jì)算得到調(diào)節(jié)閥組的流量特性[8].其優(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(shí)只需重新計(jì)算即可得到新閥序時(shí)的流量特性；而缺點(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.

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(shí)會(huì)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)組調(diào)速[9]、負(fù)荷變化的靈活性和安全性，增強(qiáng)調(diào)峰能力[10].

本文以某電廠N660-25/600/600型超超臨界、一次中間再熱、沖動(dòng)式﹑單軸三缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)為例，對(duì)該機(jī)組的配汽特性曲線以及滑壓曲線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終達(dá)到提高機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的目的.

1 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門的特性方程

由于調(diào)節(jié)汽門的通流面積在不同開啟位置時(shí)是變化的，而且調(diào)節(jié)汽門后的壓力也隨汽門的開度變化而變化.因此，通過調(diào)節(jié)汽門的流量是調(diào)節(jié)汽門前后壓比和調(diào)節(jié)汽門開度的函數(shù).調(diào)節(jié)汽門相對(duì)流量系數(shù)與調(diào)節(jié)汽門前后壓比和調(diào)節(jié)汽門開度之間的關(guān)系，稱為調(diào)節(jié)汽門的特性方程[3].當(dāng)調(diào)節(jié)汽門的喉部面積一定時(shí)，可以表示為

(1)

式中：χ為汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門的相對(duì)流量系數(shù)；Gc為通過調(diào)節(jié)汽門的理論臨界流量，kg/s；G為通過調(diào)節(jié)汽門的實(shí)際蒸汽流量，kg/s；p0為調(diào)節(jié)汽門前的蒸汽壓力，Pa；p2為調(diào)節(jié)汽門后的壓力，Pa；L為調(diào)節(jié)汽門的開度，m.

由于調(diào)節(jié)汽門相對(duì)流量系數(shù)與調(diào)節(jié)汽門前后壓比和調(diào)節(jié)汽門開度之間的關(guān)系比較復(fù)雜.因此，無法通過理論計(jì)算得到調(diào)節(jié)汽門的特性方程，只能通過試驗(yàn)得到特性曲線.

2 汽輪機(jī)配汽特性曲線的獲得

本文所研究的機(jī)組是運(yùn)行中的機(jī)組，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.這種方法的優(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(jí)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(duì)配汽函數(shù)作相應(yīng)調(diào)整.汽輪機(jī)流量特性試驗(yàn)測(cè)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(jí)構(gòu)成的配汽機(jī)構(gòu)整體的流量特性，因此通過試驗(yàn)方法確定更為合理.

3 調(diào)門重疊度的設(shè)定

汽輪機(jī)采用噴嘴調(diào)節(jié)時(shí)，多個(gè)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(gè)閥門的特性可以推斷出多個(gè)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(shí)，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(shí)，后一閥門便開始開啟為合適[2].

圖1 高調(diào)閥布置圖

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(duì)汽輪機(jī)重要參數(shù)的影響(如振動(dòng)、瓦溫等)，保證機(jī)組安全穩(wěn)定的運(yùn)行[11].

4 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，四個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥的位置如圖1所示，所對(duì)應(yīng)的噴嘴數(shù)目分別為58、34、34、58.

原有配汽方式運(yùn)行，如圖2所示.額定負(fù)荷時(shí)進(jìn)汽節(jié)流損失較小，但在部分負(fù)荷時(shí)，四只高調(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)組的熱耗率較高.近年來，國內(nèi)600 MW等級(jí)機(jī)組正常運(yùn)行負(fù)荷在60%～80%區(qū)間，而在此區(qū)域負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)，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(gè)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.

(注：ICV是指中調(diào)門，HPGV1、2、3、4是指1、2、3、4號(hào)高調(diào)門，Q為主蒸汽流量曲線)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(shí)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(huì)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(shí)將導(dǎo)致一次調(diào)頻和AGC品質(zhì)下降.此時(shí)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.

5 優(yōu)化思路

針對(duì)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，最終確定汽輪機(jī)配汽優(yōu)化和滑壓優(yōu)化的思路.具體試驗(yàn)過程如下：

第一步：在負(fù)荷一定的情況下，先進(jìn)行單個(gè)閥門的流量特性曲線測(cè)試試驗(yàn)，通過計(jì)算后，得到順序閥配汽曲線.

圖3 試驗(yàn)流程

第二步：在原復(fù)合配汽方式、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(duì)應(yīng)的閥位為最佳閥位，對(duì)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(shí)的最優(yōu)滑壓壓力.

第三步：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(gè)模式，機(jī)組啟動(dòng)過程中采用單閥模式，有利于機(jī)組啟動(dòng)的安全，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷達(dá)50%以上時(shí)，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.

試驗(yàn)流程，如圖3所示.

6 汽輪機(jī)配汽函數(shù)優(yōu)化

GV2和GV4的實(shí)測(cè)閥門流量特性曲線,如圖4和圖5所示.從圖中可以看出，GV2、GV4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(shí)基本達(dá)到全流量，此時(shí)曲線較陡，呈迅速開啟狀態(tài).GV2、GV4閥門流量特性函數(shù)基本上一致，但兩個(gè)閥門特性曲線略有差異.

圖4 GV2調(diào)門特性曲線 圖5 GV4調(diào)門特性曲線

參照試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，GV2、GV4高壓調(diào)節(jié)閥特性基本一致，同時(shí)考慮機(jī)組在運(yùn)行時(shí)GV1和GV3基本全開，所以沒有再進(jìn)行GV1和GV3的流量特性試驗(yàn).綜合各因素及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，GV1～GV4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GV1～GV4高壓調(diào)節(jié)閥特性曲線，如圖6所示.

圖6 優(yōu)化后順序閥流量曲線 圖7 優(yōu)化后的滑壓曲線

6.1 機(jī)組滑壓曲線的優(yōu)化

通過熱力試驗(yàn)，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)化后的鍋爐滑壓曲線如圖7所示.

7 配汽方式優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)性及安全性分析

7.1 各負(fù)荷點(diǎn)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

該機(jī)組配汽優(yōu)化前后各試驗(yàn)負(fù)荷下的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比情況，如表1所示.從表1可看出，優(yōu)化前后機(jī)組的熱耗率都是在高負(fù)荷時(shí)較小，低負(fù)荷時(shí)較大.優(yōu)化后，機(jī)組在不同負(fù)荷下的熱耗率都低于優(yōu)化前相應(yīng)的各負(fù)荷對(duì)應(yīng)的熱耗率，且負(fù)荷越低，優(yōu)化后熱耗收益越大.在410 MW(62%額定負(fù)荷)時(shí)熱耗下降38 kJ/(kW·h)，在530 MW(80%額定負(fù)荷)時(shí)熱耗下降37 kJ/(kW·h).因此優(yōu)化后的配汽方式在機(jī)組正常運(yùn)行的60%～80%負(fù)荷區(qū)間，有很好的經(jīng)濟(jì)性.

表1 優(yōu)化前后各負(fù)荷下的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

7.2 配汽方式改變對(duì)機(jī)組振動(dòng)影響

汽輪機(jī)配汽方式的改變，對(duì)軸系影響較大的部位是前端.通過查閱DCS數(shù)據(jù)，觀察機(jī)組優(yōu)化前后軸承振動(dòng)X向、Y向、瓦蓋振動(dòng)情況，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(duì)機(jī)組軸振影響較小.

7.3 配汽方式改變對(duì)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，配汽方式優(yōu)化對(duì)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.

8 結(jié) 論

通過對(duì)某電廠N660-25/600/600型超超臨界、一次中間再熱、沖動(dòng)式﹑單軸三缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)的配汽特性曲線以及定滑壓曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論：

(1)提出一種適用于660 MW機(jī)組的配汽優(yōu)化方法，將原復(fù)合配汽方式改成順序閥配汽方式.按既定的配汽方式進(jìn)行試驗(yàn)，直接得到由調(diào)節(jié)閥與相應(yīng)調(diào)節(jié)級(jí)構(gòu)成的配汽機(jī)構(gòu)整體的流量特性，結(jié)合閥門重疊度曲線，再進(jìn)行汽輪機(jī)滑壓優(yōu)化試驗(yàn)，最終確定最佳滑壓優(yōu)化曲線.

(2)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400 MW左右時(shí)，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(dòng)時(shí)，只保持一只高壓調(diào)門在節(jié)流狀態(tài).通過熱力試驗(yàn)可知，機(jī)組配汽方式優(yōu)化后，在60%～80%負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行，降低熱耗率37 kJ/kW·h左右.

(3)通過遠(yuǎn)方調(diào)度對(duì)機(jī)組AGC速率測(cè)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；且配汽方式優(yōu)化對(duì)汽輪機(jī)軸振和前端軸承金屬溫度影響很小.