燃煤火電機(jī)組寬負(fù)荷節(jié)能技術(shù)的理論與應(yīng)用

蔣尋寒，田萬(wàn)軍，阮圣奇，吳 仲，陳開鋒

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 華東電力試驗(yàn)研究院，合肥 230001)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電網(wǎng)調(diào)峰需求越來(lái)越旺盛。這種需求可以分為兩類：一類是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成電網(wǎng)峰谷差逐步增加，一般地，這種峰谷差可以達(dá)到約50%。這種負(fù)荷變化可預(yù)測(cè)性較好，電網(wǎng)調(diào)度可以預(yù)測(cè)出第二天的負(fù)荷曲線并分配給每臺(tái)火電機(jī)組，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度高。另一類是由于新能源發(fā)電份額逐步增加造成的調(diào)峰壓力，這是目前火電機(jī)組深度調(diào)峰的主要需求來(lái)源，其特點(diǎn)是可預(yù)測(cè)性相對(duì)較差。

由于以上原因，火電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行成為常態(tài)，寬負(fù)荷節(jié)能成為目前重要的課題。文獻(xiàn)[1]對(duì)于汽輪機(jī)本體的寬負(fù)荷節(jié)能進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[2]討論了寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)的一些方法和示范工程，文獻(xiàn)[3]討論了汽輪機(jī)及熱力系統(tǒng)改造中的寬負(fù)荷設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[4]對(duì)火電機(jī)組寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)和運(yùn)行技術(shù)做了梳理和討論。在國(guó)內(nèi)，2010年以后火電機(jī)組節(jié)能設(shè)計(jì)才受到足夠的重視，而目前寬負(fù)荷節(jié)能課題的研究才剛剛起步，現(xiàn)有研究成果較少。大部分項(xiàng)目在設(shè)計(jì)中沒(méi)有區(qū)分傳統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)與寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)之間的差異，也沒(méi)有認(rèn)識(shí)到火電機(jī)組寬負(fù)荷節(jié)能與機(jī)組整體優(yōu)化設(shè)計(jì)密不可分。實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)中，不能僅僅針對(duì)某個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行局部的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而必須以機(jī)組的整體視角對(duì)節(jié)能量進(jìn)行客觀的判斷。但在該方面，目前業(yè)內(nèi)仍缺乏普遍適用的研究成果。國(guó)內(nèi)大量現(xiàn)役機(jī)組在基建設(shè)計(jì)時(shí)，沒(méi)有系統(tǒng)考慮寬負(fù)荷節(jié)能與機(jī)組整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，產(chǎn)生了一些問(wèn)題，主要包括：

1)機(jī)組局部按基荷機(jī)組要求進(jìn)行優(yōu)化，另外的一些局部按尖峰負(fù)荷要求優(yōu)化，缺乏技術(shù)理論支撐，思路不夠清晰、統(tǒng)一。

2)專業(yè)分隔，忽視設(shè)備、系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)；設(shè)計(jì)院、設(shè)備廠家、電廠之間溝通協(xié)作不夠。

3)電廠提出的設(shè)備性能考核要求僅針對(duì)額定負(fù)荷工況，寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)缺乏技術(shù)體系的保障。

本文將討論火電機(jī)組寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)，提出一般性的理論、方法，并給出在新建機(jī)組設(shè)計(jì)與現(xiàn)役機(jī)組改造中的應(yīng)用案例。

本文重點(diǎn)針對(duì)純凝機(jī)組的寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，至于供熱機(jī)組的寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)，可以采用相同的方法。

1 國(guó)內(nèi)火電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行現(xiàn)狀與寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)

1.1 國(guó)內(nèi)火電機(jī)組寬負(fù)荷運(yùn)行現(xiàn)狀

在中國(guó)，電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)幾乎全部由火電機(jī)組承擔(dān)，近年來(lái)，火電機(jī)組平均利用小時(shí)數(shù)持續(xù)降低，如圖1所示。隨著負(fù)荷降低，火電機(jī)組的能耗會(huì)逐漸增加，而且增加幅度越來(lái)越大，如圖2所示。但是，國(guó)內(nèi)大型火電機(jī)組在節(jié)能設(shè)計(jì)方面存在不少問(wèn)題，主要原因是絕大多數(shù)機(jī)組在建設(shè)時(shí)是按照基本負(fù)荷而非中間負(fù)荷(腰荷)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的，更沒(méi)有考慮深度調(diào)峰的需求。因而，在當(dāng)前形勢(shì)下實(shí)際運(yùn)行能耗必然增加。為此，在新建機(jī)組設(shè)計(jì)、現(xiàn)役機(jī)組改造和運(yùn)行中，需要系統(tǒng)梳理、解決調(diào)峰運(yùn)行時(shí)的寬負(fù)荷節(jié)能問(wèn)題。

圖1 近年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)電機(jī)組年利用小時(shí)

圖2 火電機(jī)組煤耗率與負(fù)荷率的關(guān)系

1.2 火電機(jī)組寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)的一般理論

完整的火電機(jī)組寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)，一方面需要覆蓋汽輪機(jī)、鍋爐、熱力系統(tǒng)和輔機(jī)，因?yàn)槊宽?xiàng)技術(shù)措施都將與周邊的設(shè)備相互關(guān)聯(lián)；另一方面，需要研究不同的節(jié)能措施在每個(gè)負(fù)荷段的節(jié)能效果。尤其需要重點(diǎn)研究的是，一些參數(shù)的配置僅對(duì)某些工況有較好的節(jié)能效果，而在另外一些工況下可能會(huì)增加能耗，因此，必須通過(guò)優(yōu)化，兼顧50%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)的節(jié)能，達(dá)到最優(yōu)的平均能耗。最后，為了保證實(shí)現(xiàn)寬負(fù)荷節(jié)能，性能考核方法需要有相應(yīng)的改變。以上內(nèi)容將是本文討論的重點(diǎn)。

寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)在技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的框架下實(shí)施。

寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)中，理論上需要對(duì)電量積分，并對(duì)加權(quán)平均煤耗進(jìn)行優(yōu)化：

(1)

但是，這種方法不具備可操作性，因此實(shí)踐中一般是進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。在一些工程中，針對(duì)以下的加權(quán)平均煤耗進(jìn)行優(yōu)化：

Bmin=b100*E100+b75*E75+b50*E50

(2)

式中：下標(biāo)代表負(fù)荷率，比如75代表 75%負(fù)荷對(duì)應(yīng)的數(shù)值，E100+E75+E50= 100%。

2 火電機(jī)組節(jié)能設(shè)計(jì)的分類

2.1 第1類情形

第1類寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)，是對(duì)所有工況都有節(jié)能效果的設(shè)計(jì)，而且不同負(fù)荷、工況下，節(jié)能量差別不大。比如提高主汽溫度和再熱汽溫、采用新型高效汽封等等，節(jié)能特性如圖3所示。國(guó)內(nèi)目前的節(jié)能設(shè)計(jì)以及相關(guān)研究主要針對(duì)這種情形。

圖3 傳統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的節(jié)能特性

2.2 第2類情形

第2類寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)，是指對(duì)于不同負(fù)荷，節(jié)能量明顯不同的設(shè)計(jì)，甚至只對(duì)一些工況有節(jié)能效果，參數(shù)優(yōu)選時(shí)必須有所取舍的設(shè)計(jì)。比如汽輪機(jī)排汽面積優(yōu)選。這類問(wèn)題，是寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)解決的。解決這類問(wèn)題時(shí)，預(yù)測(cè)的平均負(fù)荷率等邊界條件必須可靠。圖4給出了這類設(shè)計(jì)的4種情形。圖4(a)和4(b)中，兩條曲線在端部接近后可能重疊。

寬負(fù)荷節(jié)能還有一種特殊情形，如圖5所示，即中間負(fù)荷段節(jié)能，而在兩端增加能耗，或者反過(guò)來(lái)，兩端節(jié)能而中間段增加能耗，使得總體上具有節(jié)能效果。這種情形的設(shè)計(jì)優(yōu)化和節(jié)能量評(píng)估相對(duì)更復(fù)雜一些。

(a) 寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)的情形之一

(b) 寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)的情形之二

(c) 寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)的情形之三

(d) 寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)的情形之四

圖4 第2類寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)的各種情形

圖5 寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)的一種特殊情形

3 鍋爐與輔機(jī)的寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)

不同的鍋爐，熱效率-負(fù)荷特性有差異，缺乏一般性的規(guī)律。低負(fù)荷時(shí)，熱效率變化情況也不一致?？傮w上，在50%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)，鍋爐熱效率-負(fù)荷關(guān)系差異很小，熱效率與負(fù)荷關(guān)系不大。

鍋爐熱力設(shè)計(jì)，應(yīng)使主要參數(shù)在50%～100%工況下更容易調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)值附近。比如，鍋爐再熱汽溫需要在燃燒調(diào)整不極端的前提下，在70%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)值，同時(shí)保持減溫水流量較小。

鍋爐節(jié)能設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容，是主要輔機(jī)的參數(shù)配置。合理選擇風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和風(fēng)量，配置較小的電動(dòng)機(jī)容量裕度，可以有效地降低機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行時(shí)的廠用電率。

對(duì)于腰荷機(jī)組，可以考慮改變風(fēng)機(jī)的性能特性曲線，以犧牲局部負(fù)荷的效率，贏得更大負(fù)荷范圍內(nèi)的高效率。這是一個(gè)節(jié)能量相對(duì)較小，但仍有價(jià)值的研究方向。不同風(fēng)機(jī)效率的一種可能的情形如圖6所示。這實(shí)際就是圖5所示的特殊情況。

圖6 不同的風(fēng)機(jī)效率-風(fēng)量特性

對(duì)于出力變化較大的水泵和風(fēng)機(jī)，設(shè)置變頻器等調(diào)速裝置，是常見的寬負(fù)荷節(jié)能手段。

4 汽輪機(jī)本體的寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化(平均)負(fù)荷工況設(shè)置

與式(2)類似，對(duì)于汽輪機(jī)熱耗的考核計(jì)算式如下:

Hmin=H100*E100+H75*E75+H50*E50

(3)

式中：H為汽輪機(jī)熱耗率，kJ/(kW·h)，下標(biāo)數(shù)值含義同式(2)。

這是目前一些項(xiàng)目使用的方法，其中各負(fù)荷的發(fā)電權(quán)重由電廠提出，一般E75相對(duì)較大。這樣計(jì)算仍然太繁雜，各負(fù)荷下的發(fā)電量分配(權(quán)重)也缺乏依據(jù)。為了在保證優(yōu)化節(jié)能效果的前提下簡(jiǎn)化流程，對(duì)于絕大多數(shù)情形，合理的考核方式是直接針對(duì)平均負(fù)荷工況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能考核。

在當(dāng)前的電網(wǎng)環(huán)境條件下，寬負(fù)荷節(jié)能意味著機(jī)組應(yīng)按腰荷特性，針對(duì)平均負(fù)荷工況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。選擇平均負(fù)荷，需要考慮當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的需求，以及機(jī)組自身的級(jí)別。對(duì)于效率最高、熱力系統(tǒng)最復(fù)雜的超超臨界二次再熱機(jī)組，預(yù)設(shè)平均負(fù)荷應(yīng)高一些，比如80%；而參數(shù)較低的超臨界機(jī)組，可選70%。

4.2 經(jīng)濟(jì)負(fù)荷的設(shè)置

現(xiàn)代汽輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展很快，目前國(guó)內(nèi)主要廠家的新葉型都有良好的攻角特性，在工況變化較大時(shí)，新葉型通流效率變化相對(duì)老葉型要小得多，二者對(duì)比如圖7所示 。但是，為了追求最大的節(jié)能效果，汽輪機(jī)設(shè)計(jì)中仍需要考慮將平均負(fù)荷工況設(shè)置在圖7 曲線中的最高點(diǎn)附近，這樣就可以最大限度地兼顧50%～100%負(fù)荷范圍的節(jié)能，獲得最低的平均能耗。

圖7 哈爾濱汽輪機(jī)廠新舊靜葉攻角特性對(duì)比

4.3 汽輪機(jī)進(jìn)汽端設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)本體是火電機(jī)組寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。從通流效率的角度考慮，寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)進(jìn)汽和排汽端優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題[1]。

進(jìn)汽端設(shè)計(jì)，指的是調(diào)節(jié)級(jí)(或高壓缸首級(jí))的通流面積，以及調(diào)節(jié)級(jí)焓降、速比的優(yōu)選。一般情況下，依據(jù)現(xiàn)代汽輪機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平，可以通過(guò)縮小高壓缸通流面積，減少閥門全開(VWO)工況相對(duì)于熱耗率驗(yàn)收(THA)工況的主汽流量設(shè)計(jì)余量，提高低負(fù)荷下的主汽壓力，如圖3或圖4(a)所示情形。同時(shí)，適當(dāng)減少調(diào)節(jié)級(jí)焓降，如圖3所示情形。對(duì)于節(jié)流配汽汽輪機(jī)，設(shè)置補(bǔ)汽閥也可以提高低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的主汽壓力，如圖4(c)所示情形。這都是目前常見的寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)手段。這些技術(shù)的節(jié)能效益可達(dá) 1g/(kW·h)級(jí)別。

4.4 額定背壓的計(jì)算流程與偏差

設(shè)置額定背壓的目的，在于用它代替實(shí)際年平均背壓，為汽輪機(jī)設(shè)計(jì)、機(jī)組投產(chǎn)后的性能試驗(yàn)與能耗評(píng)價(jià)提供依據(jù)。在火電機(jī)組設(shè)計(jì)中，額定背壓計(jì)算有標(biāo)準(zhǔn)流程。以濕冷機(jī)組為例：在冷端設(shè)備參數(shù)確定以后，根據(jù)當(dāng)?shù)氐哪昶骄鶜庀髼l件(循環(huán)供水系統(tǒng))或年平均循環(huán)水溫(直流供水系統(tǒng))，計(jì)算機(jī)組額定負(fù)荷、循環(huán)水泵全開并高速運(yùn)行工況下的背壓，此外，保留一定的工程余量，形成額定背壓。保留工程余量，是考慮到凝汽器、冷卻塔等設(shè)備的性能老化，凝汽器一定的堵管率等實(shí)際因素。

考慮一種簡(jiǎn)單的情形：機(jī)組負(fù)荷不變，循環(huán)水調(diào)度方式不變，額定背壓的偏差如圖8所示。額定背壓計(jì)算結(jié)果為點(diǎn)B，對(duì)應(yīng)梯形面積ACDE。但實(shí)際上，循環(huán)水溫與背壓之間并非線性關(guān)系，實(shí)際的年平均背壓對(duì)應(yīng)面積A’C’DE，顯然更大。對(duì)于這種特性，額定背壓計(jì)算流程中沒(méi)有相應(yīng)的修正，因此計(jì)算得到的額定背壓一般低于實(shí)際年平均背壓。

圖8 額定背壓的偏差

顯然，在同一地區(qū)，對(duì)于不同的冷卻方式，冬、夏季背壓差距越大，額定背壓計(jì)算結(jié)果偏低越多。因此，額定背壓偏低程度的排序結(jié)果是：直接空冷機(jī)組>間接空冷機(jī)組>循環(huán)供水機(jī)組>直流供水機(jī)組。

額定背壓偏低，則各工況排汽容積流量計(jì)算結(jié)果偏大，可能影響汽輪機(jī)低壓缸選配，這是國(guó)內(nèi)大型汽輪機(jī)寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)中的常見問(wèn)題。為此，需要根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)額定背壓作出相應(yīng)的修正。

4.5 汽輪機(jī)排汽端設(shè)計(jì)

對(duì)于國(guó)內(nèi)的大型汽輪機(jī)，尤其是600 MW級(jí)別機(jī)組，冷端的節(jié)能設(shè)計(jì)是薄弱環(huán)節(jié)[5]。國(guó)內(nèi)大量的超(超)臨界600 MW或660 MW汽輪機(jī)，額定背壓選擇4.9 kPa或更高，卻配置了1 000 mm級(jí)別末級(jí)葉片，這是典型的基荷機(jī)組設(shè)計(jì)，投產(chǎn)后卻普遍按照腰荷運(yùn)行，因此造成大量隱蔽的損失，如圖4(c)中的虛線所示。一些早期的亞臨界600 MW汽輪機(jī)，盡管背壓為4.9 kPa左右，在進(jìn)行現(xiàn)代化改造時(shí)，還是將原有的852 mm或869 mm末級(jí)葉片改為1 000 mm葉片，這顯然是針對(duì)THA工況優(yōu)化的，同樣造成了不必要的損失。

對(duì)于實(shí)際運(yùn)行平均負(fù)荷率超過(guò)70%的機(jī)組，汽輪機(jī)額定背壓一般都低于實(shí)際平均背壓，空冷機(jī)型與采用循環(huán)供水系統(tǒng)的濕冷汽輪機(jī)，問(wèn)題尤為突出[5-6]，這可能造成汽輪機(jī)排汽面積選擇嚴(yán)重偏大，損失也相應(yīng)增加。對(duì)于循環(huán)供水系統(tǒng)，目前很多機(jī)組大量采用中水水源，冷卻塔和凝汽器的性能容易受到影響，額定背壓應(yīng)留有更大的余量。

國(guó)內(nèi)還有個(gè)別600 MW級(jí)別機(jī)組，在循環(huán)水溫很低、水量充沛的條件下，額定背壓較高，沒(méi)有充分利用環(huán)境條件，而且汽輪機(jī)采用2排汽、1 220 mm葉片設(shè)計(jì)，排汽面積太小，實(shí)際是按尖峰負(fù)荷配置，損失很大。這種條件下，采用4排汽設(shè)計(jì)，以背壓4 kPa搭配 1 000 mm葉片，甚至背壓3.3 kPa搭配1 220 mm 葉片，都是性能優(yōu)異的腰荷機(jī)組配置，節(jié)能效益巨大。

低壓缸排汽面積一旦選擇不妥，機(jī)組投運(yùn)后就不易通過(guò)技術(shù)改造加以解決，因?yàn)楦鼡Q低壓轉(zhuǎn)子和內(nèi)缸投入很大。如果是排汽數(shù)量選擇錯(cuò)誤，問(wèn)題就更加難以解決。因此，要解決冷端的寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)問(wèn)題，需要首先確定：

1)機(jī)組投產(chǎn)后預(yù)期的平均負(fù)荷率；

2)汽輪機(jī)實(shí)際年平均背壓，這是排汽面積設(shè)置的重要依據(jù)。一般說(shuō)來(lái)，這比額定背壓要高一些。因此，額定背壓需要在計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，根據(jù)大量的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和預(yù)期的平均負(fù)荷進(jìn)行必要的修正。

3)對(duì)于汽輪機(jī)的改造，如果確定循環(huán)水泵、冷卻塔、凝汽器等設(shè)備同時(shí)進(jìn)行改造，則應(yīng)考慮使背壓與汽輪機(jī)排汽面積之間達(dá)到更合理的匹配。

4)對(duì)于供熱機(jī)組，預(yù)期的平均供熱蒸汽量數(shù)據(jù)是節(jié)能設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，會(huì)直接影響平均排汽容積流量的估算結(jié)果，需要確保真實(shí)可靠。

在機(jī)組進(jìn)行汽輪機(jī)改造時(shí)，需要：

1)確定現(xiàn)有低壓缸工作狀態(tài)，如果效率較低，且無(wú)法通過(guò)檢修解決問(wèn)題，則需要改造低壓缸；

2)確定排汽面積配置是否合理，如果原排汽面積不合理，則需要在改造時(shí)利用這一極為難得的完善機(jī)會(huì)，根據(jù)預(yù)期的平均負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化配置。

我國(guó)的電網(wǎng)周波頻率為50 Hz，相對(duì)于60 Hz的環(huán)境，可以采用更長(zhǎng)的末級(jí)葉片。因此，需要充分利用環(huán)境條件，合理降低背壓。同時(shí)，針對(duì)平均排汽容積流量進(jìn)行冷端參數(shù)配置，包括優(yōu)選汽輪機(jī)排汽面積，這樣才能達(dá)到寬負(fù)荷節(jié)能的目的，節(jié)能效果往往可達(dá)2 g/(kW·h)以上。機(jī)組排汽損失曲線如圖9所示，在給定平均工況排汽容量的條件下選配排汽面積，應(yīng)使該工況排汽損失達(dá)到或接近最低。如果讓額定負(fù)荷工況排汽損失接近最低，就形成基荷機(jī)組設(shè)計(jì)；如果讓50%負(fù)荷工況排汽損失接近最低，則形成尖峰負(fù)荷機(jī)組設(shè)計(jì)，這2種設(shè)計(jì)都不符合目前國(guó)內(nèi)火電機(jī)組普遍帶腰荷的現(xiàn)狀，一般不應(yīng)采用。

圖9 排汽損失曲線

對(duì)于雙背壓汽輪機(jī)，國(guó)內(nèi)都采用2座低壓缸進(jìn)汽流量、末級(jí)葉片和排汽面積均相同的配置方案。由于排汽流量相同而背壓差異明顯，因此排汽容積流量與排汽損失不同，這樣，這2座低壓缸不可能在平均負(fù)荷工況下同時(shí)達(dá)到排汽損失最低，所以，該配置方案優(yōu)化不夠充分，有改進(jìn)空間。

在能耗特性方面，如果低壓缸配置不變，單純降低額定背壓，則50%負(fù)荷與100%工況能耗差異變小，即圖4(a)、4(c)、4(d)中相對(duì)平緩的曲線所代表的設(shè)計(jì)，某些條件下性價(jià)比可能并不好，極端條件下甚至?xí)黾悠骄芎?。如果使低壓缸排汽損失在平均負(fù)荷工況達(dá)到最低，則需在降低背壓的同時(shí)搭配較大的排汽面積，這就屬于圖3所示的第1類寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)。

汽輪機(jī)冷端的節(jié)能設(shè)計(jì)，依賴設(shè)計(jì)院、汽輪機(jī)廠家以及電廠、電科院等多方的協(xié)作[5]。首先需要針對(duì)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，以及循環(huán)水系統(tǒng)形式(開式或閉式系統(tǒng))，確定可能達(dá)到的背壓范圍，而不能人為縮小參數(shù)優(yōu)化范圍。另外，廠家的排汽面積設(shè)置如果增加一檔，則排汽面積增加20%～25%，對(duì)于新機(jī)組設(shè)計(jì)與現(xiàn)役機(jī)組改造，排汽面積經(jīng)常需要在2檔配置中優(yōu)選。

4.6 性能考核要求

為了保證排汽面積按腰荷特性的要求進(jìn)行優(yōu)化，需要對(duì)汽輪機(jī)性能考核要求進(jìn)行修改。理論上，考核試驗(yàn)可以根據(jù)式(3)考核平均熱耗(各負(fù)荷權(quán)重由電廠提出)，也可以在平均負(fù)荷/額定背壓工況下進(jìn)行。更好的方法是，考核試驗(yàn)在100%負(fù)荷進(jìn)行，而不是在平均負(fù)荷下進(jìn)行。但是，THA(考核)工況下背壓需要顯著提高，使得該工況的排汽容積流量與平均負(fù)荷(比如75%負(fù)荷)、額定背壓工況相當(dāng)，以保證低壓缸排汽面積按腰荷特性進(jìn)行優(yōu)化配置。這是非常簡(jiǎn)單而有效的寬負(fù)荷節(jié)能技術(shù)手段。

理論上，對(duì)于高、中壓缸通流效率的考核，可以在平均負(fù)荷與規(guī)定的調(diào)門閥位下進(jìn)行，目的同樣是保證按平均負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 熱力系統(tǒng)的寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)

5.1 提高給水溫度

如果給水溫度升高而不改變鍋爐設(shè)計(jì)，則鍋爐空氣預(yù)熱器進(jìn)口煙溫相應(yīng)升高，因此汽輪機(jī)節(jié)能而鍋爐效率略微降低，總體節(jié)能效果很小。如果僅僅通過(guò)增加空預(yù)器容量降低排煙溫度，則鍋爐效率升高。以上兩種設(shè)計(jì)都屬于寬負(fù)荷節(jié)能的第1類情形。

5.2 改變熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可以通過(guò)改變熱力系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)寬負(fù)荷節(jié)能，最典型的設(shè)計(jì)就是0號(hào)高加搭配低溫省煤器。0號(hào)高加單獨(dú)使用，節(jié)能效果受限，需要搭配鍋爐尾部余熱利用，才能獲得理想的節(jié)能效果[7]。相對(duì)于僅有低溫省煤器的原設(shè)計(jì)，新設(shè)計(jì)屬于圖4(a)所示情形，機(jī)組高負(fù)荷時(shí)無(wú)節(jié)能效果。

5.3 鍋爐余熱利用

在冬季低負(fù)荷時(shí)，由于排煙溫度太低，常規(guī)的低溫省煤器在運(yùn)行中必須切除。因此，針對(duì)機(jī)組額定工況計(jì)算的節(jié)能量缺乏指導(dǎo)意義。目前比較先進(jìn)的設(shè)計(jì)，是設(shè)置換熱器來(lái)加熱空預(yù)器進(jìn)風(fēng)，熱源是200 ℃左右的低壓抽汽或90 ℃左右的凝結(jié)水，而且可以調(diào)節(jié)，使空預(yù)器進(jìn)風(fēng)溫度穩(wěn)定在55～60 ℃，同時(shí)采用0號(hào)高加，使空預(yù)器進(jìn)口煙溫升高并基本穩(wěn)定。這樣不僅可有效防止空預(yù)器堵灰，而且在各種工況下，鍋爐余熱利用的節(jié)能量相對(duì)穩(wěn)定，改變的只是汽輪機(jī)側(cè)抽汽或凝結(jié)水放熱帶來(lái)的損失。用低能級(jí)的抽汽或凝結(jié)水置換出高能級(jí)的煙氣余熱并加以合理應(yīng)用，具有較好的節(jié)能效果[8]。同樣重要的是，空預(yù)器進(jìn)風(fēng)和進(jìn)口煙氣溫度的提高，不僅能夠提高余熱利用節(jié)能量，而且可以有效防止空預(yù)器堵灰，減少尾部煙道壓損，降低引風(fēng)機(jī)電耗，因此，這是重要的寬負(fù)荷節(jié)能技術(shù)。除了用抽汽或凝結(jié)水加熱空預(yù)器進(jìn)風(fēng)，更簡(jiǎn)單的方法是用空預(yù)器出口的少量熱二次風(fēng)或熱一次風(fēng)加熱空預(yù)器中進(jìn)風(fēng)最低的溫度艙室。這些改進(jìn)設(shè)計(jì)，屬于圖4(a)所示情形。

對(duì)于復(fù)雜余熱利用系統(tǒng)的節(jié)能效果計(jì)算，目前仍缺乏統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，其部分負(fù)荷的節(jié)能評(píng)估、技術(shù)路線優(yōu)選，也迫切需要研究。

5.4 抽汽背壓汽輪機(jī)方案(EC循環(huán)、雙機(jī)回?zé)?

5.5 寬負(fù)荷節(jié)能和整體優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于火電機(jī)組，寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)與機(jī)組整體優(yōu)化設(shè)計(jì)密不可分。絕大多數(shù)寬負(fù)荷節(jié)能問(wèn)題都是機(jī)組整體優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，反之亦然，如提高給水溫度需搭配鍋爐余熱利用技術(shù)，將低壓缸排汽面積優(yōu)選納入汽輪機(jī)冷端優(yōu)化設(shè)計(jì)流程等。這樣的改進(jìn)，屬于寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)的范圍，同時(shí)，涵蓋不同的熱力系統(tǒng)，也屬于整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的范疇。

5.6 火電機(jī)組容量

國(guó)內(nèi)火電機(jī)組缺乏800 MW容量。采用這個(gè)容量，鍋爐、發(fā)電機(jī)與主要輔機(jī)的設(shè)計(jì)制造并不增加困難，但汽輪機(jī)低壓缸配置優(yōu)勢(shì)明顯。基于國(guó)內(nèi)廠家900～1 220 mm的鋼制末級(jí)葉片庫(kù)，800 MW容量適用于廣泛的環(huán)境條件，可以用4排汽很好地應(yīng)對(duì)3.5～6 kPa的平均背壓，方便實(shí)現(xiàn)寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)。

對(duì)于低背壓(4 kPa及以內(nèi))1 000 MW汽輪機(jī)，需要用4排汽搭配昂貴的1 400 mm級(jí)別鈦合金葉片，或者復(fù)雜的6排汽設(shè)計(jì)。對(duì)于高背壓(6 kPa左右)660 MW汽輪機(jī)，需要采用技術(shù)陳舊、性能較弱的短葉片，或采用2排汽設(shè)計(jì)，但為布置凝汽器，廠房體積增加，建設(shè)費(fèi)用相應(yīng)增加，且無(wú)法采用雙背壓。這些情況下，800 MW容量?jī)?yōu)勢(shì)明顯。

對(duì)于二次再熱機(jī)組，660 MW容量偏小，性價(jià)比偏低；而1 000 MW容量下，汽輪機(jī)中壓缸尺寸受限[11]，二次再熱蒸汽壓力相應(yīng)升高，熱耗增加約10 kJ/(kW·h)，且給水溫度顯著升高，鍋爐效率受影響。相比之下，800 MW汽輪機(jī)比較均衡，在31 MPa的主汽壓力條件下，二次再熱汽壓接近最優(yōu)值，熱耗幾乎沒(méi)有損失，而且高壓缸可以采用單流設(shè)計(jì)，通流效率更高。因此，初、終參數(shù)相同的條件下，800 MW汽輪機(jī)熱耗可以到達(dá)或優(yōu)于1 000 MW汽輪機(jī)的水平。

因此，無(wú)論一、二次再熱機(jī)組，在800 MW容量下都便于實(shí)施高性價(jià)比的寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)，適合大量建設(shè)。應(yīng)當(dāng)盡快在相關(guān)技術(shù)規(guī)范中增加這一容量。

6 應(yīng) 用

中原地區(qū)超(超)臨界660 MW雙背壓汽輪機(jī)，采用循環(huán)供水系統(tǒng)，考慮其冷端配置，針對(duì)平均負(fù)荷率75%進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。各種設(shè)計(jì)方案的效果分析如下：

1)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)下，額定背壓為4.9 kPa，實(shí)際平均背壓更高，環(huán)境氣象條件利用不充分。如果汽輪機(jī)采用900 mm葉片，似乎符合寬負(fù)荷節(jié)能原則，但膨脹極限背壓較高，冬季運(yùn)行時(shí)，無(wú)法在凝汽器管束內(nèi)保持一定水速，同時(shí)背壓高于汽輪機(jī)膨脹極限。如果采用1 000 mm級(jí)別葉片，則形成基荷機(jī)組設(shè)計(jì)，在帶腰荷的條件下，會(huì)增加實(shí)際平均能耗。目前的現(xiàn)役機(jī)組均采用這2種設(shè)計(jì)，都有明顯不足。

2)如果采用很大的冷端設(shè)備容量，平均背壓選擇4 kPa，搭配1 000 mm級(jí)別葉片，則氣象條件利用充分，也符合寬負(fù)荷節(jié)能要求，節(jié)能量較大。但此時(shí)冷卻塔與凝汽器的投入增加太多，投資回收期過(guò)長(zhǎng)。而且，2座低壓缸平均背壓有差異，而排汽面積相同，優(yōu)化不充分，節(jié)能效果略有降低。

3)在額定背壓4.9 kPa的原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，為給水泵小汽輪機(jī)設(shè)置獨(dú)立的凝汽器，同時(shí)適當(dāng)增加主凝汽器與冷卻塔容量，使平均背壓降低到4.5 kPa。這意味著，2座低壓缸平均背壓分別為4 kPa與5 kPa，可以分別配置1 000 mm與900 mm級(jí)別末級(jí)葉片。這樣，在75%負(fù)荷工況下，2座低壓缸排汽損失可以同時(shí)達(dá)到或接近最低。計(jì)算結(jié)果顯示，這是性能優(yōu)越的寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)，優(yōu)化充分，與傳統(tǒng)的額定背壓4.9 kPa、900 mm或1 000 mm葉片方案相比，機(jī)組實(shí)際平均能耗降低3 g/(kW·h)左右，而且投資增加不多，性價(jià)比很高。

7 結(jié) 論

本文通過(guò)將火電機(jī)組不同的節(jié)能設(shè)計(jì)分類，重點(diǎn)分析了各種設(shè)計(jì)在不同負(fù)荷率下的節(jié)能效果，得到如下結(jié)論：

1)火電機(jī)組節(jié)能設(shè)計(jì)有2類情形與1類特殊情形。寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)中，需要重視不同負(fù)荷下節(jié)能量不同的第2類情形，對(duì)于其中僅在一部分工況下有利的情形，必須有所取舍、優(yōu)化。

2)對(duì)于第2類情形，可以針對(duì)平均負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能考核。對(duì)于特殊情形，則必須綜合考慮100%、75%、50%負(fù)荷工況，針對(duì)加權(quán)平均能耗進(jìn)行優(yōu)化與性能考核。

3)火電機(jī)組寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，在于汽輪機(jī)與熱力系統(tǒng)。800 MW容量非常適合國(guó)情，便于實(shí)施高性價(jià)比的寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)，適合大量建設(shè)，因此，應(yīng)在相關(guān)技術(shù)規(guī)范中盡快增加這一容量。

4)對(duì)于汽輪機(jī)本體，寬負(fù)荷設(shè)計(jì)有三個(gè)要點(diǎn)，一是高壓缸首級(jí)通流面積與調(diào)節(jié)級(jí)焓降的優(yōu)選，二是排汽面積優(yōu)選，三是通流部分優(yōu)化設(shè)計(jì)工況的選擇。

5)可以通過(guò)改變熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改善低負(fù)荷工況能耗，達(dá)到寬負(fù)荷節(jié)能的目的。

6)寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)需要準(zhǔn)確可靠的邊界條件。這是實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

7)火電機(jī)組寬負(fù)荷節(jié)能與整體優(yōu)化設(shè)計(jì)緊密相關(guān)。絕大多數(shù)寬負(fù)荷節(jié)能設(shè)計(jì)問(wèn)題都是整體優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，反之亦然。