深度調(diào)峰工況下汽輪機(jī)配汽方式優(yōu)化研究

付 濤，范誠(chéng)豪

（1.安徽蕪湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 300171；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240）

0 引言

隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，風(fēng)電、太陽(yáng)能等可再生能源在電力裝機(jī)中的比例不斷升高，截止2017 年底，火電裝機(jī)比例已經(jīng)降至65%[1]，三北（東北、華北、西北）地區(qū)又出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光等問(wèn)題，區(qū)域用電、用熱的矛盾日益突出，對(duì)電網(wǎng)調(diào)節(jié)提出了更高的要求。 同時(shí)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入低速的新常態(tài)，電力需求增速明顯回落，而發(fā)電裝機(jī)容量仍快速增長(zhǎng)，導(dǎo)致電力產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題日益凸顯，加之受煤價(jià)上漲、發(fā)用電計(jì)劃放開、宏觀經(jīng)濟(jì)等多種因素影響，電力行業(yè)特別是火電企業(yè)經(jīng)營(yíng)壓力不斷增大。 為緩解火電企業(yè)面臨的困境，提高電網(wǎng)調(diào)節(jié)的靈活性，國(guó)家有關(guān)部委出臺(tái)了一系列通知文件要求完善和深化電力輔助服務(wù)補(bǔ)償（市場(chǎng)）機(jī)制，以提高火電機(jī)組的調(diào)峰能力，建立有償輔助服務(wù)機(jī)制。

火電機(jī)組主設(shè)備并非為針對(duì)調(diào)峰工況而設(shè)計(jì)，因此，火電機(jī)組在調(diào)峰工況下，不僅面臨部分主要設(shè)備無(wú)法滿足工況要求，同時(shí)機(jī)組能耗大幅上升。 Simon Hogg 等人[2]研究了美國(guó)某亞臨界汽輪機(jī)通流改造，方案中對(duì)比計(jì)算分析了全周進(jìn)汽與部分進(jìn)汽對(duì)機(jī)組熱耗的影響，研究結(jié)果表明亞臨界機(jī)組只有負(fù)荷率90%以上、全周進(jìn)汽時(shí)的熱耗優(yōu)于部分配汽，并給出了熱耗曲線。 汽輪機(jī)的配汽方式直接影響機(jī)組在不同負(fù)荷下的熱耗，對(duì)配汽方式的研究始終是汽輪機(jī)從業(yè)者關(guān)注的焦點(diǎn)。 祝建飛[3]介紹了超超臨界汽輪機(jī)不同配汽方式對(duì)熱耗影響，分析順序閥方式與組合閥方式對(duì)機(jī)組性能的影響，順序閥方式中對(duì)比了2 種配汽方式：一種是GV1，GV2，GV3 同時(shí)開啟，GV4順序開啟；另一種是GV1 和GV2 同時(shí)開啟，GV3 和GV4 順序開啟，該組合閥方式中研究了GV1，GV2，GV3 及GV4 在50%負(fù)荷以前同時(shí)開啟，50%負(fù)荷以后GV1 逐漸關(guān)閉，并在90%負(fù)荷以后再次開啟。 祝建飛[7-9]對(duì)比了全周進(jìn)汽節(jié)流調(diào)節(jié)與部分進(jìn)汽順序閥調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，研究了不同配汽下的優(yōu)化策略，結(jié)果表明優(yōu)化后汽輪機(jī)效率可以提高0.2%～1%。 張寶等人[4-5]介紹了超臨界汽輪機(jī)不同噴嘴數(shù)量的調(diào)節(jié)級(jí)順序閥策略對(duì)機(jī)組熱耗的影響，同時(shí)根據(jù)汽輪機(jī)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化了出廠滑壓曲線。 胥建群等人[6]提出了采用試驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)合的方法，研究了不同配汽方式下對(duì)汽輪機(jī)汽流激振的影響，通過(guò)優(yōu)化后的配汽方式，解決了汽輪機(jī)配汽切換時(shí)的汽流激振問(wèn)題。 張榮欣等人[10]針對(duì)600 MW 等級(jí)超超臨界機(jī)組，研究?jī)?yōu)化復(fù)合配汽方式轉(zhuǎn)換至順序閥方式后，不僅優(yōu)化了機(jī)組熱耗，而且大大改善了機(jī)組振動(dòng)情況。

有關(guān)汽輪機(jī)配汽方式優(yōu)化方面的研究主要集中在試驗(yàn)條件下的參數(shù)優(yōu)化，通過(guò)調(diào)節(jié)級(jí)模型來(lái)計(jì)算不同工況下機(jī)組的性能，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定的流量系數(shù)與壓力特性曲線來(lái)優(yōu)化運(yùn)行并未有相關(guān)的報(bào)道。 本文主要針對(duì)火電機(jī)組深度調(diào)峰下，通過(guò)建立的調(diào)節(jié)級(jí)汽輪機(jī)模型，計(jì)算不同的配汽方式對(duì)機(jī)組性能的影響，確定最佳的配汽方式，提高汽輪機(jī)組在深度調(diào)峰工況下的經(jīng)濟(jì)性。

1 傳統(tǒng)汽輪機(jī)滑壓曲線及配汽優(yōu)化的局限性

1.1 傳統(tǒng)滑壓曲線的局限性

通常汽輪機(jī)制造廠家給出負(fù)荷與壓力關(guān)系曲線來(lái)指導(dǎo)汽輪機(jī)運(yùn)行，發(fā)電廠也會(huì)通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)尋找出合適的滑壓曲線。 圖1 為某超超臨界汽輪機(jī)出廠推薦的滑壓曲線，曲線存在以下主要問(wèn)題：

圖1 某超超臨界汽輪機(jī)滑壓曲線

（1）汽輪發(fā)電機(jī)組通過(guò)調(diào)門的改變實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的調(diào)整。 對(duì)于噴嘴配汽輪機(jī)，預(yù)期負(fù)荷目標(biāo)可通過(guò)多種調(diào)門組合方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。 同一負(fù)荷下，不同的調(diào)門組合方式對(duì)應(yīng)的主蒸汽壓力可能不同，也可能相同，即負(fù)荷、主蒸汽壓力、調(diào)門組合方式之間的關(guān)系非一一對(duì)應(yīng)，因此可以采用多種調(diào)門組合方式來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力-負(fù)荷曲線，而不同的調(diào)門組合下，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性存在較大的差別[11]，若僅滿足圖1 中壓力-負(fù)荷曲線運(yùn)行，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性并非最佳，由此可見(jiàn)按傳統(tǒng)的滑壓曲線運(yùn)行，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性并不理想。

（2）該優(yōu)化曲線是以負(fù)荷為橫坐標(biāo)，汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷受環(huán)境影響較大，夏季和冬季由于環(huán)境溫度的變化，將造成排汽壓力的變化和機(jī)組有效焓降的變化。 因此，在不同季節(jié)，即使對(duì)于同一負(fù)荷，汽輪機(jī)進(jìn)汽量也不同，進(jìn)汽量的改變影響了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。 若在某一季節(jié)下，按圖1中的曲線運(yùn)行是最佳，則季節(jié)改變后，原有方式已不是最佳，因此，該方式存在局限性。

（3）圖1 中的滑壓曲線在某一負(fù)荷以上可能是最佳的，但在某一負(fù)荷以下并非最佳，故該曲線不能保證機(jī)組全負(fù)荷范圍的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

汽輪機(jī)排汽壓力的變化會(huì)使機(jī)組的有效焓降發(fā)生變化，因此排汽壓力對(duì)機(jī)組性能，尤其是對(duì)機(jī)組出力影響十分顯著。 對(duì)于同一負(fù)荷而言，當(dāng)排汽壓力升高時(shí)，汽輪機(jī)所需的進(jìn)汽量與較低的排汽壓力相比會(huì)明顯升高，調(diào)門配置方式發(fā)生改變，引起機(jī)組性能的改變，因此在實(shí)際運(yùn)行中以負(fù)荷為基準(zhǔn)尋找最優(yōu)調(diào)門配置方式較為困難，需要考慮排汽壓力的變化，實(shí)際操作非常困難。 實(shí)際上，汽輪機(jī)的進(jìn)汽流量?jī)H受調(diào)門的配置方式及初參數(shù)的影響，因此應(yīng)該以汽輪機(jī)的進(jìn)汽流量為基準(zhǔn)對(duì)應(yīng)主蒸汽壓力的匹配曲線。

1.2 傳統(tǒng)配汽優(yōu)化的局限性

傳統(tǒng)的配汽優(yōu)化通常是通過(guò)汽輪機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在不同的負(fù)荷點(diǎn)，調(diào)整不同的閥組方式，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，確定汽輪機(jī)熱耗[12-13]。 相同的負(fù)荷下，不同閥組組合方式，不同的主汽壓力，汽輪機(jī)的熱耗并不相同。 這種傳統(tǒng)的方式，不僅現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作量巨大，現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化配汽試驗(yàn)時(shí)，通常在某個(gè)閥組組合下，通過(guò)關(guān)小其中某一個(gè)閥門，來(lái)調(diào)節(jié)相同負(fù)荷下的不同主汽壓力，這種優(yōu)化后的壓力曲線，并不是全局的最佳壓力運(yùn)行曲線，同時(shí)，采用負(fù)荷與壓力特性曲線的局限性之前已經(jīng)討論過(guò)。 圖2 所示為傳統(tǒng)的配汽優(yōu)化后的運(yùn)行壓力曲線。

圖2 傳統(tǒng)配汽優(yōu)化后的運(yùn)行壓力特性曲線

配汽方式的優(yōu)化，應(yīng)該是基于流量系數(shù)與壓力，在特定的流量下，確定最佳的閥門組合方式，每個(gè)閥門對(duì)應(yīng)一個(gè)最大流量，不同的流量系數(shù)決定了可以開啟幾個(gè)閥門，不同流量系數(shù)下，可以選擇定壓還是滑壓。 采用建立調(diào)節(jié)級(jí)汽輪機(jī)模型后，可以計(jì)算汽輪機(jī)在不同流量下，不同閥組開啟方式的性能結(jié)果，通過(guò)對(duì)比不同流量系數(shù)之間的閥組運(yùn)行方式，確定各段流量系數(shù)之間的運(yùn)行方式及壓力。

2 調(diào)節(jié)級(jí)模型及仿真計(jì)算結(jié)果

圖3 調(diào)節(jié)級(jí)模型計(jì)算總框圖

圖4 調(diào)節(jié)級(jí)計(jì)算熱力過(guò)程線

蒸汽通過(guò)調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴組時(shí)，其理想比焓降可表示為[14-15]：

（1）噴嘴部分計(jì)算

通過(guò)彭臺(tái)門系數(shù)βn，計(jì)算流過(guò)噴嘴的流量Gn=βnGnc。

再根據(jù)上面獲得的參數(shù)進(jìn)一步計(jì)算出噴嘴的焓降Δhn1、噴嘴出口絕對(duì)速度C11、噴嘴損失δn1、噴嘴出口相對(duì)速度w11、噴嘴汽流出口角β11及撞擊損失δhβ1等。

（2）動(dòng)葉部分計(jì)算

式中：f 為動(dòng)靜葉面積比。

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，流經(jīng)動(dòng)葉的流量應(yīng)等于噴嘴流量減去動(dòng)葉葉頂漏量和軸封漏汽量，即：

求得動(dòng)葉的彭臺(tái)門系數(shù)βb=Gb/Gbc，再根據(jù)橢圓方程反推出動(dòng)葉壓比εb，即：

式中：εbc為動(dòng)葉臨界壓比。

再根據(jù)以上得到的參數(shù)計(jì)算出動(dòng)葉出口相對(duì)速度w2、動(dòng)葉損失δhb、動(dòng)葉出口絕對(duì)速度c2、調(diào)節(jié)級(jí)的各項(xiàng)損失、輪周效率ηu、級(jí)相對(duì)內(nèi)效率ηi等特性參數(shù)。

當(dāng)所給的噴嘴后壓力p1小于噴嘴后臨界壓力pc1時(shí)，則噴嘴流量Gn取臨界流量Gnc，即Gn=Gnc，仍按上述方法計(jì)算。 由于動(dòng)葉一般均處于亞臨界工況，算法不變。

為了便于使用，且把全開調(diào)節(jié)汽門后噴嘴與動(dòng)葉的計(jì)算結(jié)果用于部分開啟調(diào)節(jié)汽門后的噴嘴與動(dòng)葉上，還可引入幾個(gè)系數(shù)，將調(diào)門后噴嘴組的總流量表示為：

式中：h0為主蒸汽焓；ΔhsI為I 號(hào)高調(diào)門對(duì)應(yīng)部分調(diào)節(jié)級(jí)理想焓降；ΔhsII為II 號(hào)高調(diào)門對(duì)應(yīng)部分調(diào)節(jié)級(jí)理想焓降；GI為I 高調(diào)門進(jìn)汽流量；GII為II 高調(diào)門進(jìn)汽流量；h2I為I 號(hào)高調(diào)門對(duì)應(yīng)部分調(diào)節(jié)級(jí)出口焓；h2II為II 號(hào)高調(diào)門對(duì)應(yīng)部分調(diào)節(jié)級(jí)出口焓；h2為調(diào)節(jié)級(jí)后平均焓值。

根據(jù)某超超臨界汽輪機(jī)特性數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的調(diào)節(jié)級(jí)計(jì)算模型，4 個(gè)調(diào)門組合閥門特性如下：當(dāng)4 個(gè)閥門全開，流量系數(shù)為1，3 個(gè)閥門全面流量系數(shù)為0.8，2 個(gè)閥門全面流量系數(shù)為0.5。根據(jù)建立的調(diào)節(jié)級(jí)模型分別計(jì)算了順序閥方式、4VWO（閥門全開工況）滑壓方式、3VWO 滑壓方式和2VWO 滑壓方式，表1、圖5 所示為不同配汽方式下熱耗特性仿真計(jì)算結(jié)果。

圖5 不同配汽方式下熱耗特性仿真計(jì)算結(jié)果

表1 不同配汽方式下熱耗仿真計(jì)算結(jié)果

4 個(gè)閥門全開滑壓方式運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性最低，采用順序閥位方式下，在第4 個(gè)閥門關(guān)閉過(guò)程中，熱耗先升高后降低，第4 個(gè)閥門完全關(guān)閉后，可以發(fā)現(xiàn)：如果繼續(xù)采用順序閥方式運(yùn)行，在第3 個(gè)閥門關(guān)閉初期，順序閥方式的熱耗要高于采用3 個(gè)閥門全開滑壓方式，隨著流量繼續(xù)下降，順序閥方式熱耗開始低于3 個(gè)閥門全開滑壓方式，到第3 個(gè)閥門全部關(guān)閉后，采用2 個(gè)閥門全開滑壓方式初期熱耗是低于順序閥，但是后期隨著流量越來(lái)越低，2 個(gè)閥門全開滑壓方式要劣于順序閥。

3 配汽方式優(yōu)化策略

按照上述仿真計(jì)算的結(jié)果，研究相應(yīng)的優(yōu)化配汽方式策略，將4 個(gè)閥組在不同流量系數(shù)下分成5 個(gè)區(qū)間，確定在不同流量系數(shù)下，閥門組和方式、壓力和流量系數(shù)的組合方式策略，如圖6所示。

圖6 調(diào)門優(yōu)化組合下主蒸汽壓力與流量系數(shù)的關(guān)系特性

區(qū)間1：本階段通過(guò)關(guān)閉調(diào)門以減少進(jìn)汽量，從而降低負(fù)荷，逐漸關(guān)閉第4 個(gè)調(diào)門，保持額定參數(shù)運(yùn)行（主蒸汽壓力、溫度），直至第4 個(gè)調(diào)門關(guān)閉為止。

區(qū)間2：本階段保持第4 個(gè)調(diào)門關(guān)閉狀態(tài)，其余3 個(gè)調(diào)門保持全開，通過(guò)降低主蒸汽壓力以減少汽輪機(jī)進(jìn)汽流量，從而降低負(fù)荷，保持蒸汽溫度維持額定值。

區(qū)間3：逐漸關(guān)閉第3 個(gè)調(diào)門，直至第3 個(gè)調(diào)門完全關(guān)閉，已通過(guò)關(guān)閉第3 個(gè)調(diào)門來(lái)維持主蒸汽壓力恢復(fù)至額定值，通過(guò)關(guān)閉調(diào)門來(lái)減少機(jī)組進(jìn)汽流量，從而降低負(fù)荷，該階段需要維持主蒸汽壓力和溫度至額定狀態(tài)。

區(qū)間4：本階段保持第3 個(gè)調(diào)門完全關(guān)閉狀態(tài)，剩余2 個(gè)調(diào)門保持全開狀態(tài)，通過(guò)降低主蒸汽壓力以減少汽輪機(jī)的進(jìn)汽流量，從而降低負(fù)荷，保持蒸汽溫度維持額定狀態(tài)。

區(qū)間5：本階段剩余2 個(gè)調(diào)門同時(shí)開始逐漸關(guān)閉，通過(guò)關(guān)閉調(diào)門來(lái)減少機(jī)組進(jìn)汽流量，從而降低負(fù)荷，維持主蒸汽壓力在19 MPa，主蒸汽溫度可能在該區(qū)間內(nèi)無(wú)法維持額定狀態(tài)，盡可能維持較高的蒸汽溫度。

根據(jù)模型的計(jì)算結(jié)果，若采用上述調(diào)門優(yōu)化組合策略后，與常規(guī)的順序閥方式相比（4 個(gè)調(diào)門依次緩慢關(guān)閉，以減少汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，使機(jī)組負(fù)荷逐漸降低），機(jī)組的熱耗在低負(fù)荷下可以大幅降低，如圖7 所示，在流量系數(shù)0.5～0.8，熱耗降低的最大幅度約7 kJ/kWh，但是在流量系數(shù)0.5 以下，熱耗降低的最大幅度約63 kJ/kWh。 根據(jù)某超超臨界2 號(hào)機(jī)組年度運(yùn)行數(shù)據(jù)，如圖8 所示，將機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷折算到流量系數(shù)，同時(shí)將上述配汽優(yōu)化后的熱耗曲線進(jìn)行分段擬合，與流量系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)，以2 號(hào)機(jī)組為例，在全年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)下，采用上述配汽優(yōu)化方式后，機(jī)組全年平均熱耗可以降低約11 kJ/kWh。 某超超臨界1 號(hào)機(jī)組年度運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖9 所示，在全年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)下，采用上述配汽優(yōu)化方式后，機(jī)組全年平均熱耗可以降低約8.8 kJ/kWh。 如果機(jī)組負(fù)荷率越低，相應(yīng)的熱耗收益就越大，因此，噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的配汽優(yōu)化對(duì)于發(fā)電廠而言是不可忽視的節(jié)能途徑之一。

4 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)的汽輪機(jī)滑壓曲線無(wú)法真實(shí)反映汽輪機(jī)在不同季節(jié)、不同調(diào)門組合下最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式，采用壓力、流量系數(shù)運(yùn)行曲線和不同閥門組合可以真實(shí)反映汽輪機(jī)在不同工況下的性能水平。

圖7 調(diào)門優(yōu)化組合下機(jī)組熱耗特性

圖8 某2 號(hào)機(jī)組2016 全年機(jī)組流量系數(shù)與降低熱耗的關(guān)系

圖9 某1 號(hào)機(jī)組2016 全年機(jī)組流量系數(shù)與降低熱耗的關(guān)系

（2）傳統(tǒng)的順序閥方式在不同工況下并非是最優(yōu)的運(yùn)行策略，在不同的流量系數(shù)區(qū)間采用定與滑組合的方式，與傳統(tǒng)順序閥方式相比，可使汽輪機(jī)在深度調(diào)峰運(yùn)行下具有更高的經(jīng)濟(jì)性。

（3）采用本文建議的配汽優(yōu)化方式，結(jié)合某超超臨界汽輪機(jī)年度運(yùn)行數(shù)據(jù)，年度平均負(fù)荷率下汽輪機(jī)熱耗可以降低至少8.8 kJ/kWh，2 臺(tái)機(jī)組平均可以降低熱耗約10 kJ/kWh，當(dāng)汽輪機(jī)組深度參與調(diào)峰工況時(shí)，預(yù)計(jì)可以達(dá)到更大幅度的節(jié)能收益。