1 000 MW 二次再熱機(jī)組再熱汽溫優(yōu)化調(diào)整研究

周 福

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

0 引言

二次再熱是目前世界領(lǐng)先的燃煤發(fā)電技術(shù)，能夠有效提高火電機(jī)組熱效率，越來(lái)越多應(yīng)用于超超臨界660 MW、1 000 MW機(jī)組[1,2]。在同等機(jī)組容量下，機(jī)組熱效率較一次再熱機(jī)組提高2%左右[3]。二次再熱機(jī)組再熱汽溫主要有煙氣再循環(huán)、尾部煙氣擋板、燃燒器擺動(dòng)3種調(diào)節(jié)方式，各調(diào)溫方式相互耦合作用[4]。響應(yīng)面法能夠利用有限次試驗(yàn)，回歸擬合設(shè)計(jì)空間內(nèi)各因素與試驗(yàn)結(jié)果間的函數(shù)關(guān)系，考慮了各因素間的耦合關(guān)系，并計(jì)算得出各因素的最優(yōu)水平與預(yù)測(cè)最優(yōu)響應(yīng)值。響應(yīng)面分析法最初應(yīng)用于擬合分析物理試驗(yàn)，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)響應(yīng)面分析法進(jìn)行了大量研究，已逐漸發(fā)展為一種廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、環(huán)境、機(jī)械工程、化工、制藥等領(lǐng)域的優(yōu)化方法[5,6]。

本文以某1 000 MW超超臨界二次再熱π型鍋爐為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法研究各調(diào)溫方式對(duì)再熱汽溫的影響，并在此基礎(chǔ)上建立響應(yīng)面分析模型，研究各調(diào)溫方式的交互作用，以設(shè)計(jì)再熱汽溫為目標(biāo)，尋找最佳的再熱汽溫優(yōu)化調(diào)整方案。

1 設(shè)備概況

某發(fā)電廠鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司研制開(kāi)發(fā)的1 000 MW等級(jí)超超臨界二次再熱鍋爐。該鍋爐為二次中間再熱、超超臨界壓力變壓運(yùn)行帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)的直流、單爐膛雙切圓、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置的π型鍋爐。

鍋爐采用螺旋管圈水冷壁，兩級(jí)再熱器出口蒸汽溫度均為623℃，尾部采用雙煙道布置形式，采用新型低NOx燃燒器+高位SOFA風(fēng)布置反向雙切圓燃燒方式，過(guò)熱器系統(tǒng)為三級(jí)布置，分別為分隔屏、后屏、末級(jí)過(guò)熱器，均布置在爐膛上部，采用煤水比調(diào)節(jié)汽溫，高、低壓再熱器系統(tǒng)均采用兩級(jí)布置，水平煙道分別布置高壓末級(jí)再熱器和低壓末級(jí)再熱器，尾部前煙道布置高壓低溫再熱器，尾部后煙道布置低壓低溫再熱器。再熱器系統(tǒng)采用煙氣再循環(huán)+尾部煙氣擋板+燃燒器擺動(dòng)的組合式調(diào)溫方式，煙氣再循環(huán)為取自省煤器出口的熱煙氣再循環(huán)，不影響鍋爐效率及運(yùn)行，為保證全負(fù)荷脫硝，采用省煤器分級(jí)的布置方案，預(yù)熱器采用兩臺(tái)三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。

2 單因素試驗(yàn)分析

針對(duì)某國(guó)內(nèi)首臺(tái)1 000 MW超超臨界二次再熱π型鍋爐，展開(kāi)再熱汽溫調(diào)節(jié)手段影響的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用單因素法，分別研究了煙氣再循環(huán)率、煙氣調(diào)節(jié)擋板開(kāi)度、燃燒器擺角三個(gè)關(guān)鍵影響因素變化對(duì)主、再熱汽溫的影響，試驗(yàn)在1 000 MW、750 MW、500 MW三個(gè)典型負(fù)荷點(diǎn)工況下進(jìn)行。

2.1 煙氣再循環(huán)對(duì)蒸汽溫度的影響

根據(jù)試驗(yàn)要求，結(jié)合機(jī)組實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在1 000 MW、750 MW和500 MW三個(gè)典型負(fù)荷點(diǎn)，分別探究再循環(huán)風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下鍋爐蒸汽參數(shù)的變化，即不同煙氣再循環(huán)率對(duì)鍋爐蒸汽參數(shù)影響試驗(yàn)。試驗(yàn)中，在各典型負(fù)荷下，煤質(zhì)、氧量、配風(fēng)方式、燃燒器擺角、煙氣擋板等均保持穩(wěn)定，僅調(diào)節(jié)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。

通過(guò)控制鍋爐運(yùn)行參數(shù)，得到機(jī)組在100%、75%、50%額定負(fù)荷工況下不同煙氣再循環(huán)率對(duì)鍋爐蒸汽溫度等參數(shù)的影響。

由圖1～圖3可知，機(jī)組在不同負(fù)荷下，隨著煙氣再循環(huán)率的提高，鍋爐主蒸汽溫度不斷下降，一次再熱蒸汽溫度和二次再熱蒸汽溫度不斷上升。試驗(yàn)結(jié)果表明，在1 000 MW負(fù)荷下，煙氣再循環(huán)率每提高1%，主蒸汽溫度降低0.3℃，一次再熱蒸汽溫度升高4.9℃，二次再熱蒸汽溫度升高7.5℃；750 MW負(fù)荷下，煙氣再循環(huán)率每提高1%，主蒸汽溫度降低0.6℃，一次再熱蒸汽溫度升高2.3℃，二次再熱蒸汽溫度升高3.7℃；500 MW負(fù)荷下，煙氣再循環(huán)率每提高1%，主蒸汽溫度降低0.6℃，一次再熱蒸汽溫度升高2.3℃，二次再熱蒸汽溫度升高2.7℃。負(fù)荷越高，煙氣再循環(huán)對(duì)一、二次再熱蒸汽的汽溫的影響越顯著。

圖1 不同煙氣再循環(huán)率對(duì)主、再熱蒸汽溫度的影響（500 MW）

圖3 不同煙氣再循環(huán)率對(duì)主、再熱蒸汽溫度的影響（1 000 MW）

圖2 不同煙氣再循環(huán)率對(duì)主、再熱蒸汽溫度的影響（750 MW）

各負(fù)荷下，隨著煙氣再循環(huán)率的提高，主蒸汽溫度基本無(wú)變化。因?yàn)樵趯?shí)際運(yùn)行中，煙氣再循環(huán)率較低時(shí)，為避免過(guò)熱器超溫，通過(guò)增大水冷壁流量及過(guò)熱器減溫水流量，維持過(guò)熱器出口蒸汽溫度。

2.2 再熱煙氣擋板對(duì)蒸汽溫度的影響

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，要求一、二次再熱煙氣擋板開(kāi)度之和不低于120%，試驗(yàn)中保持一、二次再熱煙氣擋板開(kāi)度之和為120%，在1 000 MW、750 MW、500 MW三個(gè)典型負(fù)荷點(diǎn)，分別探究不同一次再熱煙氣擋板開(kāi)度下（20%～100%）鍋爐蒸汽參數(shù)的變化，試驗(yàn)中，在各典型負(fù)荷下，煤質(zhì)、氧量、配風(fēng)方式、燃燒器擺角、再循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等均保持穩(wěn)定，僅調(diào)節(jié)煙氣擋板開(kāi)度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4～圖6。

圖4 不同一次再熱煙氣擋板開(kāi)度對(duì)主、再熱蒸汽溫度的影響(500 MW）

圖5 不同一次再熱煙氣擋板開(kāi)度對(duì)主、再熱蒸汽溫度的影響（750 MW）

圖6 不同一次再熱煙氣擋板開(kāi)度對(duì)主、再熱蒸汽溫度的影響（1 000 MW）

在機(jī)組不同負(fù)荷下，隨著一次再熱煙氣擋板開(kāi)度的提高，鍋爐主蒸汽溫度基本不變，一次再熱蒸汽溫度不斷上升，二次再熱蒸汽溫度不斷下降。由于隨著一次再熱煙氣擋板開(kāi)度的提高，二次再熱煙氣擋板開(kāi)度相應(yīng)下降，流經(jīng)一次再熱煙氣量提高，二次再熱煙氣量減小，但總的煙氣量基本不變，主汽溫度基本不變，一次再熱吸熱比例提高，二次再熱吸熱比例下降。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在1 000 MW負(fù)荷下，一次再熱煙氣擋板開(kāi)度每提高10%，一次再熱蒸汽溫度升高2.5℃，二次再熱蒸汽溫度降低2.3℃；750 MW負(fù)荷下，一次再熱煙氣擋板開(kāi)度每提高10%，一次再熱蒸汽溫度升高0.9℃，二次再熱蒸汽溫度降低1.3℃；500 MW負(fù)荷下，一次再熱煙氣擋板開(kāi)度每提高10%，一次再熱蒸汽溫度升高1.9℃，二次再熱蒸汽溫度降低1.6℃。不同負(fù)荷下，一次再熱擋板變化對(duì)再熱汽溫的影響程度基本一致。

2.3 燃燒器擺角對(duì)蒸汽溫度的影響

鍋爐設(shè)計(jì)中，以水平位置為基準(zhǔn)，燃燒器擺動(dòng)角度范圍為-20°～20°，TRL及BMCR工況燃燒器置于水平位置，其他工況燃燒器上擺，負(fù)荷越低，燃燒器上擺角度越大。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，燃燒器上擺一定角度對(duì)主、再熱汽溫控制有利。在1 000 MW、750 MW、500 MW三個(gè)典型負(fù)荷點(diǎn)，分別探究不同燃燒器擺角下（0°～20°）鍋爐蒸汽參數(shù)的變化，試驗(yàn)中，在各典型負(fù)荷下，煤質(zhì)、氧量、配風(fēng)方式、煙氣擋板開(kāi)度、再循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等均保持穩(wěn)定，僅調(diào)節(jié)燃燒器擺角。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7～圖9。

圖8 不同燃燒器擺角對(duì)主、再熱蒸汽溫度的影響（750 MW）

圖9 不同燃燒器擺角對(duì)主、再熱蒸汽溫度的影響（1 000 MW）

試驗(yàn)結(jié)果表明，在1 000 MW負(fù)荷下，燃燒器擺角每上擺10°，一次再熱蒸汽溫度升高5.4℃，二次再熱蒸汽溫度升高2.2℃；750 MW負(fù)荷下，燃燒器擺角每上擺10°，一次再熱蒸汽溫度升高6.1℃，二次再熱蒸汽溫度升高3.5℃；500 MW負(fù)荷下，燃燒器擺角每上擺10°，一次再熱蒸汽溫度升高9.5℃，二次再熱蒸汽溫度升高10.6℃。低負(fù)荷下，燃燒器擺角對(duì)再熱器吸熱量的影響更加明顯，對(duì)再熱汽溫的調(diào)節(jié)性能更佳。

3 響應(yīng)面試驗(yàn)分析

3.1 多項(xiàng)式回歸模型建立

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，充分考慮各因素之間的相互作用，以一次（t1）、二次再熱出口汽溫（t2）為響應(yīng)值，煙氣再循環(huán)率（A）、一次再熱煙氣擋板開(kāi)度（B）、燃燒器擺角（C）為自變量對(duì)再熱汽溫調(diào)整過(guò)程進(jìn)行3因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn)分析，5次重復(fù)試驗(yàn)，進(jìn)行17組試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 響應(yīng)面變量因素水平表

表2 1 000 MW工況再熱汽溫響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

響應(yīng)面分析使用Design-Expert軟件進(jìn)行繪圖和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，通過(guò)對(duì)模型顯著性檢測(cè)、相關(guān)性檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到再熱汽溫與各單因素之間的響應(yīng)面二次多項(xiàng)式回歸模型為：

各因素相互間影響如圖10和圖11所示。圖中，固定某一因素不變，觀察再熱汽溫隨另一因素的變化情況。

由圖10可見(jiàn)，對(duì)一次再熱出口汽溫而言，煙氣再循環(huán)率對(duì)其影響最顯著，一次再熱煙氣擋板開(kāi)度影響次之，燃燒器擺角影響相對(duì)較小，這與回歸模型（1）各變量系數(shù)大小一致。因此，對(duì)一次再熱出口汽溫而言，顯著性排序：煙氣再循環(huán)率＞一次再熱煙氣擋板開(kāi)度＞燃燒器擺角＞煙氣再循環(huán)率×燃燒器擺角＞煙氣再循環(huán)率×一次再熱煙氣擋板開(kāi)度＞一次再熱煙氣擋板開(kāi)度×燃燒器擺角（其中“×”表示交互作用）。

圖10 各因素交互作用對(duì)一次再熱出口汽溫的影響

與此類似，從圖11可以得到，對(duì)二次再熱出口汽溫而言，顯著性排序：煙氣再循環(huán)率＞一次再熱煙氣擋板開(kāi)度＞燃燒器擺角＞煙氣再循環(huán)率×一次再熱煙氣擋板開(kāi)度＞煙氣再循環(huán)率×燃燒器擺角＞一次再熱煙氣擋板開(kāi)度×燃燒器擺角。

圖11 各因素交互作用對(duì)二次再熱出口汽溫的影響

采用類似的辦法，分別構(gòu)建750 MW及500 MW工況響應(yīng)面二次多項(xiàng)式回歸模型：

3.2 再熱汽溫調(diào)整尋優(yōu)

依據(jù)各負(fù)荷工況響應(yīng)面二次多項(xiàng)式回歸模型，以各工況一次、二次再熱汽溫設(shè)計(jì)值為優(yōu)化目標(biāo)，建立愿望函數(shù)（desirability function）優(yōu)化，得到再熱汽溫最優(yōu)調(diào)整方案并預(yù)測(cè)一次、二次再熱出口汽溫值。各負(fù)荷工況優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表3～表5，表中愿望值越接近1，方案越好，結(jié)果越可靠。

表3 1 000 MW負(fù)荷工況優(yōu)化結(jié)果

表5 500 MW負(fù)荷工況優(yōu)化結(jié)果

為驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性，在1 000 MW、750 MW、500 MW負(fù)荷下分別開(kāi)展平行工況驗(yàn)證試驗(yàn)。以1 000 MW負(fù)荷試驗(yàn)為例加以說(shuō)明，試驗(yàn)中開(kāi)展3次平行試驗(yàn)，煙氣再循環(huán)率10%，一次再熱煙氣擋板開(kāi)度50%，燃燒器擺角20°，3次試驗(yàn)結(jié)果一次再熱出口汽溫均值623.8℃，二次再熱出口汽溫均值621.5℃，誤差在1℃以內(nèi)。750 MW及500 MW負(fù)荷下再熱汽溫預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值偏差均在2℃以內(nèi)，表明各負(fù)荷工況響應(yīng)面二次多項(xiàng)式回歸模型能夠比較可靠地優(yōu)化再熱汽溫調(diào)整方案，并能夠有效預(yù)測(cè)達(dá)到的一次、二次再熱汽溫。

在機(jī)組隨AGC響應(yīng)的負(fù)荷段，建立響應(yīng)面試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)集，以設(shè)計(jì)一次、二次再熱出口汽溫為目標(biāo)值，應(yīng)用愿望函數(shù)優(yōu)化，提供可供選擇的再熱汽溫優(yōu)化調(diào)整方案指導(dǎo)運(yùn)行調(diào)整，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)安全性。

4 結(jié)論

從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的角度，采用單因素及響應(yīng)面分析方法，分析煙氣再循環(huán)、再熱煙氣擋板、燃燒器擺角等關(guān)鍵因素對(duì)一次、二次再熱汽溫的影響，得出以下結(jié)論：

1）隨著煙氣再循環(huán)率的提高，鍋爐主蒸汽溫度不斷下降，一次再熱蒸汽溫度和二次再熱蒸汽溫度不斷上升。負(fù)荷越高，煙氣再循環(huán)對(duì)一、二次再熱

汽溫的影響越顯著。

表4 750 MW負(fù)荷工況優(yōu)化結(jié)果

2）隨著一次再熱煙氣擋板開(kāi)度增大，主汽溫度基本不變，一次再熱出口汽溫提高，二次再熱出口汽溫下降。

3）隨著燃燒器擺角上擺，一次、二次再熱汽溫升高。在低負(fù)荷下，燃燒器擺角對(duì)再熱器吸熱量的影響更為明顯，對(duì)再熱汽溫的調(diào)節(jié)性能更佳。

4）利用Design expert軟件，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、分析，建立再熱汽溫響應(yīng)面二次多項(xiàng)式回歸模型，并以再熱汽溫設(shè)計(jì)值為優(yōu)化目標(biāo)，得到最優(yōu)再熱汽溫調(diào)整方案，指導(dǎo)運(yùn)行調(diào)整。