660 MW超臨界機(jī)組滑壓運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)與分析

陳水林，張曉蕾，吳順

(1.江西贛能股份有限公司豐城二期發(fā)電廠，江西 豐城 331100；2.國(guó)電江西豐城電廠，江西 豐城 331100)

1 汽輪機(jī)設(shè)備概述

某發(fā)電廠2×660 MW汽輪發(fā)電機(jī)組主機(jī)設(shè)備為N660-24.2/566/566型(高中壓合缸)超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī),該機(jī)組于2007年1月投產(chǎn)發(fā)電[1]。

汽輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：額定功率，660 MW；汽閥全開(kāi)容量(VWO)，739 MW；高壓主蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥(以下簡(jiǎn)稱主汽閥)前蒸汽壓力，24.2 MPa；高壓主汽閥前蒸汽溫度，566 ℃；再熱蒸汽溫度，566 ℃；高壓缸通流級(jí)數(shù)，調(diào)節(jié)級(jí)+11壓力級(jí)；中壓缸通流級(jí)數(shù)，8壓力級(jí)；低壓缸通流級(jí)數(shù)，4×7壓力級(jí)；末級(jí)動(dòng)葉片長(zhǎng)度，1 050 mm；熱力系統(tǒng)，3臺(tái)高壓加熱器(以下簡(jiǎn)稱高加)+1臺(tái)除氧器+4臺(tái)低壓加熱器(以下簡(jiǎn)稱低加)；給水泵，2臺(tái)50%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)汽動(dòng)給水泵(以下簡(jiǎn)稱汽泵)+1臺(tái)30%BMCR電動(dòng)給水泵(以下簡(jiǎn)稱電泵)。

2 超臨界機(jī)組變壓運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的判別依據(jù)

相比定壓運(yùn)行，滑壓運(yùn)行可以減少調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失、提高高壓缸的相對(duì)內(nèi)效率，減少給水泵耗功；而且從水蒸汽的熱力性質(zhì)來(lái)說(shuō)，超臨界機(jī)組采用滑壓運(yùn)行方式提高機(jī)組效率的優(yōu)勢(shì)較為明顯。660 MW 超臨界機(jī)組，高壓調(diào)節(jié)閥有4個(gè)，對(duì)應(yīng)4組調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴，采用不同的噴嘴進(jìn)汽運(yùn)行方式，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性會(huì)受到較大影響。只有在綜合權(quán)衡理想循環(huán)熱效率、高壓缸相對(duì)內(nèi)效率、給水泵耗功以及再熱汽溫等因素的影響后，對(duì)應(yīng)實(shí)際循環(huán)熱效率最高的運(yùn)行方式才是最佳選擇[2-3]。此次試驗(yàn)依據(jù)該類型機(jī)組配汽機(jī)構(gòu)流量特性，著重比較部分負(fù)荷下兩閥全開(kāi)滑壓工況與高壓調(diào)節(jié)閥GV4略開(kāi)的三閥變壓工況的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)[4]，找到合理的滑壓運(yùn)行曲線，提高汽輪機(jī)組的運(yùn)行效益[3,5]。

表1 滑壓運(yùn)行計(jì)劃試驗(yàn)工況Tab.1 Testing condition of sliding-pressure operation

另外，當(dāng)660 MW超臨界機(jī)組在低負(fù)荷下滑壓運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)內(nèi)外部的溫度基本不會(huì)發(fā)生較大的變化，在一定程度上降低了汽輪機(jī)熱應(yīng)力，機(jī)組運(yùn)行的可靠性得以提高。同時(shí)，由于汽輪機(jī)鍋爐的受熱面與主汽管道大部分時(shí)間都處在低額定電壓的工作狀態(tài)，一定程度上提高了爐側(cè)設(shè)備的使用壽命。

3 試驗(yàn)工況及參數(shù)測(cè)量

試驗(yàn)條件：試驗(yàn)時(shí)機(jī)組為單元制運(yùn)行。一切與試驗(yàn)無(wú)關(guān)的汽水閥門(mén)均關(guān)閉嚴(yán)密，主汽及再熱蒸汽參數(shù)維持額定值且穩(wěn)定運(yùn)行，加熱器全部正常投入，疏水系統(tǒng)正常運(yùn)行，試驗(yàn)期間要求凝汽器停止補(bǔ)水，鍋爐停止定期排污及連續(xù)排污。

試驗(yàn)方法：機(jī)組采用噴嘴配汽形式，日常調(diào)峰工況下為順序閥運(yùn)行方式，即高壓調(diào)節(jié)閥GV2，GV3首先同時(shí)開(kāi)啟，在總閥位指令接近60%時(shí)兩閥基本全開(kāi)，之后高壓調(diào)節(jié)閥GV4，GV1按先、后順序依次打開(kāi)參與負(fù)荷調(diào)節(jié)[6-7]。此次試驗(yàn)依據(jù)#5機(jī)組配汽機(jī)構(gòu)的閥門(mén)流量特性，共完成12個(gè)典型工況的測(cè)試及對(duì)比。另外，總閥位指令在60%以下時(shí)，高壓調(diào)節(jié)閥GV2和高壓調(diào)節(jié)閥GV3將處于滑壓狀態(tài)，對(duì)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性略有不利。

滑壓運(yùn)行試驗(yàn)步驟：先確定機(jī)組滑壓起始負(fù)荷點(diǎn)及定壓運(yùn)行初壓[7-10]，其后再確定機(jī)組滑壓運(yùn)行曲線。試驗(yàn)過(guò)程及工況見(jiàn)表1：調(diào)整到試驗(yàn)負(fù)荷后，穩(wěn)定60 min，然后開(kāi)始進(jìn)行采集和記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間為60 min。

4 660 MW超臨界機(jī)組滑壓運(yùn)行試驗(yàn)過(guò)程

4.1 確定兩閥全開(kāi)及三閥全開(kāi)極限負(fù)荷點(diǎn)

通過(guò)試驗(yàn)得出機(jī)組兩閥全開(kāi)及三閥全開(kāi)極限負(fù)荷點(diǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 兩閥全開(kāi)及三閥全開(kāi)極限負(fù)荷點(diǎn)Tab.2 Load limitations with 2 fully opened valves and 3 fully opened valves

從表2可以看出，機(jī)組三閥全開(kāi)極限負(fù)荷647 MW，兩閥全開(kāi)極限負(fù)荷512 MW，由此確定了機(jī)組滑壓運(yùn)行起始滑壓負(fù)荷點(diǎn)。另外，此試驗(yàn)提供了在單一調(diào)節(jié)閥故障或單一側(cè)主汽閥故障時(shí)，控制機(jī)組負(fù)荷上限的重要依據(jù)。

4.2 機(jī)組定壓運(yùn)行初壓的確定

為驗(yàn)證機(jī)組高負(fù)荷時(shí)定壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行了3個(gè)負(fù)荷工況的試驗(yàn)，分別是660 MW負(fù)荷-主汽壓力24.25 MPa(工況1)、660 MW負(fù)荷-主汽壓力23.76 MPa(工況2)、660 MW負(fù)荷-主汽壓力23.10 MPa(工況3)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

試驗(yàn)負(fù)荷660 MW，主汽壓力24.25 MPa，對(duì)應(yīng)高壓調(diào)節(jié)閥GV1開(kāi)度為50.0%、其余3個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥全開(kāi)，計(jì)算高壓缸效率為85.43%，修正后熱耗率為7 698 kJ/(kW·h)。維持負(fù)荷，機(jī)組主汽壓力由額定24.25 MPa滑壓至23.76 MPa，高壓調(diào)節(jié)閥GV1開(kāi)度由50.0%上升到73.0%，高壓缸效率從85.43%上升至85.58%，修正后熱耗率為7 703 kJ/(kW·h)，因主汽壓力降低，機(jī)組熱耗率增加約5 kJ/(kW·h)。維持負(fù)荷，主汽壓力繼續(xù)降至23.10 MPa，對(duì)應(yīng)高壓調(diào)節(jié)閥GV1開(kāi)度為100.0%，計(jì)算高壓缸效率為86.08%，修正后熱耗率為7 706 kJ/(kW·h)，熱耗率增加約3 kJ/(kW·h)。

表4 定、滑壓工況機(jī)組熱耗對(duì)比Tab.4 Comparison of heat consumption under constant-pressure and sliding-pressure operation conditions

表3 660 MW負(fù)荷機(jī)組初壓試驗(yàn)工況Tab.3 Testing condition of a 660 MW unit under initial pressure

根據(jù)以上3個(gè)660 MW初始?jí)毫υ囼?yàn)工況，繪制負(fù)荷熱耗率隨主汽壓力變化曲線如圖1所示。對(duì)比機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，滑壓運(yùn)行時(shí)機(jī)組內(nèi)效率的增加量不足以抵消循環(huán)效率的下降量，機(jī)組熱耗率上升，定壓運(yùn)行要優(yōu)于滑壓運(yùn)行。

圖1 660 MW負(fù)荷熱耗率隨主汽壓力變化曲線Fig.1 Curve of the heat consumption rate of a 660 MW unit changes with main steam pressure

由以上分析可知，在660 MW負(fù)荷時(shí)，隨著主汽壓力的降低，熱耗率有緩慢增加的趨勢(shì)；整體來(lái)看，額定負(fù)荷運(yùn)行，主汽壓力降低1.10 MPa使熱耗率增加約8 kJ/(kW·h)，但機(jī)組長(zhǎng)期超壓運(yùn)行不利于設(shè)備安全運(yùn)行。綜合上述分析建議，定壓運(yùn)行初壓選取為額定初壓24.20 MPa。

4.3 兩閥點(diǎn)滑壓工況

根據(jù)機(jī)組特性及日常運(yùn)行工況，510 MW以上機(jī)組基本采用定壓運(yùn)行，維持主汽壓力24.20 MPa，由此確定6個(gè)不同負(fù)荷點(diǎn)300，350，400，450，500，550 MW進(jìn)行本次試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

從表4可以看出：機(jī)組在前5個(gè)負(fù)荷點(diǎn)下保持主汽壓力采用兩閥全開(kāi)、第三閥調(diào)節(jié)的滑壓運(yùn)行方式，即高壓調(diào)節(jié)閥GV4開(kāi)啟10.0%以上關(guān)閉至3.7%時(shí)(高壓調(diào)節(jié)閥GV4此時(shí)處于開(kāi)啟臨界點(diǎn))，主汽壓力升高1.00 MPa左右，高壓缸排汽溫度下降6.00～10.00 ℃，汽輪機(jī)中壓缸相對(duì)內(nèi)效率沒(méi)有大的變化，對(duì)高壓缸相對(duì)內(nèi)效率影響較大，下降均超過(guò)0.5個(gè)百分點(diǎn)，但由于高壓調(diào)節(jié)閥GV4在3.0%位置基本沒(méi)有汽流通過(guò)，機(jī)組節(jié)流損失減小，主汽壓力的高汽壓帶來(lái)循環(huán)熱效率上升較多?？梢?jiàn)，在510 MW負(fù)荷以下，機(jī)組熱耗率隨主汽壓力的降低逐步升高。

續(xù)表

4.4 試驗(yàn)得出的變壓運(yùn)行曲線

變壓優(yōu)化試驗(yàn)的目的是提高某主汽流量下的實(shí)際循環(huán)效率。根據(jù)機(jī)組設(shè)計(jì)原始變壓運(yùn)行曲線可得出機(jī)組負(fù)荷與機(jī)前主汽壓力的關(guān)系見(jiàn)表5[1]。

由于主汽流量與電負(fù)荷并非線性關(guān)系，特別是當(dāng)機(jī)組背壓發(fā)生變化后，機(jī)組負(fù)荷與主汽流量的關(guān)系會(huì)發(fā)生顯著的變化，以機(jī)組負(fù)荷變化進(jìn)行主汽壓力控制的變壓控制方式不能保證機(jī)組在試驗(yàn)工況以外的不同環(huán)境溫度下的經(jīng)濟(jì)性。因此，此次試驗(yàn)依據(jù)汽輪機(jī)原理，通過(guò)主汽流量的變化(即調(diào)節(jié)級(jí)壓力變化)來(lái)改變主汽壓力，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況[5]。本次試驗(yàn)給出了負(fù)荷與調(diào)節(jié)級(jí)壓力、機(jī)前主汽壓力的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)表6。

表5 機(jī)組負(fù)荷與機(jī)前主汽壓力的關(guān)系Tab.5 Relationship between load and main steam pressure in front of the engine

表6 負(fù)荷與機(jī)前主汽壓力的關(guān)系Tab.6 Relationship between load and main steam pressure in front of the engine

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)汽輪機(jī)處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)效益會(huì)受到較大的影響。但是，在影響汽輪機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行熱經(jīng)濟(jì)性的主要因素中，能夠進(jìn)行人為調(diào)節(jié)的只有機(jī)組的運(yùn)行方式。滑壓運(yùn)行方式是通過(guò)進(jìn)行變負(fù)荷滑壓運(yùn)行試驗(yàn)，進(jìn)一步明確機(jī)組在變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的特性，為確定汽輪機(jī)組在變負(fù)荷時(shí)最優(yōu)運(yùn)行壓力提供準(zhǔn)確依據(jù)，使機(jī)組保持最佳運(yùn)行方式，降低機(jī)組的供電損耗。

根據(jù)此次試驗(yàn)結(jié)果，推薦#5機(jī)組采用“定-滑-定”復(fù)合變壓運(yùn)行方式：510 MW負(fù)荷為變壓運(yùn)行拐點(diǎn)，在510～660 MW負(fù)荷區(qū)間采用定壓運(yùn)行方式，主汽閥額定壓力不變，進(jìn)一步增加負(fù)荷到100%額定負(fù)荷。510～300 MW 負(fù)荷區(qū)間采用兩閥全開(kāi)滑壓運(yùn)行方式，主汽閥從最低壓力滑變到額定壓力。

對(duì)于機(jī)組負(fù)荷低于300 MW的工況，正常運(yùn)行時(shí)不常有，若機(jī)組帶低于300 MW負(fù)荷，應(yīng)把機(jī)組的安全運(yùn)行放在首位，防止低壓級(jí)蒸汽濕度過(guò)低引起葉片嚴(yán)重水蝕。由上述參數(shù)可知，在接近300 MW時(shí)高壓調(diào)節(jié)閥GV4的節(jié)流損失量和循環(huán)熱效率提高量相當(dāng)，機(jī)組熱耗相差不大，特別是在機(jī)組機(jī)前主、再熱汽溫進(jìn)口偏差大于28 ℃時(shí)，應(yīng)開(kāi)啟高壓調(diào)節(jié)閥GV4降低汽壓運(yùn)行，提高再熱汽溫運(yùn)行保證機(jī)組的安全。另外，200 MW以下負(fù)荷區(qū)域依據(jù)運(yùn)行規(guī)程操作，為保持水動(dòng)力特性，應(yīng)保持10.20 MPa壓力運(yùn)行。