火力發(fā)電廠滑壓優(yōu)化技術(shù)研究

朱 宇， 李千軍， 李德波， 馮永新， 廖宏楷， 胡 勇

(南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣州 510080)

隨著電網(wǎng)峰谷差的日益增大，越來(lái)越多的火電機(jī)組不得不參與調(diào)峰運(yùn)行，機(jī)組的深度調(diào)峰也成為常態(tài)[1-3]。為了提高機(jī)組在變工況下運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，電廠一般采用滑壓方式運(yùn)行[4-5]。

目前，國(guó)內(nèi)常用的滑壓曲線測(cè)試方法主要有以負(fù)荷為基準(zhǔn)、以閥位為基準(zhǔn)及聯(lián)合使用負(fù)荷和閥位為基準(zhǔn)的滑壓優(yōu)化測(cè)試方法。單純以負(fù)荷為基準(zhǔn)而不考慮閥位的極端情況有可能會(huì)因?yàn)檫x取的壓力間隔較大導(dǎo)致試驗(yàn)不能尋優(yōu)得到使熱耗率最小的最佳壓力[6-7]。單純以閥位為基準(zhǔn)，則忽略了熱耗率最小有可能出現(xiàn)在主蒸汽壓力適中的復(fù)合滑壓運(yùn)行方式中，導(dǎo)致試驗(yàn)也可能無(wú)法尋優(yōu)得到最佳結(jié)果[8-9]。聯(lián)合使用負(fù)荷和閥位為基準(zhǔn)的滑壓優(yōu)化測(cè)試方法，既包含了壓力適中的復(fù)合滑壓運(yùn)行方式，又考慮了閥位的極端情況，因此能夠通過(guò)試驗(yàn)綜合對(duì)比各負(fù)荷段熱耗率最小對(duì)應(yīng)的主蒸汽壓力，準(zhǔn)確找到機(jī)組最佳的滑壓運(yùn)行方式[10-11]。

筆者通過(guò)聯(lián)合使用負(fù)荷和閥位為基準(zhǔn)的滑壓優(yōu)化測(cè)試方法，確定了機(jī)組最佳的滑壓運(yùn)行方式。同時(shí)，考慮到凝汽器真空、回?zé)嵯到y(tǒng)運(yùn)行狀況和鍋爐燃燒變化等均會(huì)對(duì)滑壓曲線造成影響，提出通過(guò)采用基于調(diào)節(jié)級(jí)壓力的最佳滑壓運(yùn)行方式可以使機(jī)組始終保持在最佳滑壓運(yùn)行曲線上運(yùn)行，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)組變工況下長(zhǎng)期安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

1 汽輪機(jī)設(shè)備概況

某電廠機(jī)組1號(hào)汽輪機(jī)為CCLN600-25/600/600型超超臨界單軸、雙缸、雙排汽、一次中間再熱、凝汽式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)總通流級(jí)數(shù)為28級(jí)，高壓缸通流級(jí)數(shù)為11級(jí)，包含1個(gè)單列調(diào)節(jié)級(jí)和10個(gè)壓力級(jí)，中壓缸通流級(jí)數(shù)為7級(jí)，低壓缸通流級(jí)數(shù)為2×5級(jí)?；?zé)嵯到y(tǒng)由3臺(tái)高壓加熱器、1臺(tái)除氧器和4臺(tái)低壓加熱器組成。汽輪機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 汽輪機(jī)主要設(shè)計(jì)規(guī)范

該機(jī)組有4個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥，分別為GV1、GV2、GV3和GV4，目前在30%～100%額定負(fù)荷下采用廠家提供的滑壓運(yùn)行方式對(duì)主蒸汽壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于機(jī)組長(zhǎng)期參與調(diào)峰運(yùn)行，偏離設(shè)計(jì)工況，導(dǎo)致現(xiàn)有的滑壓運(yùn)行方式已經(jīng)無(wú)法匹配機(jī)組實(shí)際的變工況運(yùn)行特性，對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成不利影響。為了有效提高汽輪機(jī)在變工況下的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，對(duì)機(jī)組開(kāi)展滑壓運(yùn)行方式優(yōu)化測(cè)試試驗(yàn)，準(zhǔn)確找到匹配機(jī)組變工況運(yùn)行特性的最佳滑壓運(yùn)行方式，有利于降低機(jī)組能耗水平，實(shí)現(xiàn)機(jī)組變工況下的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2 最佳滑壓曲線測(cè)試方法

2.1 擬測(cè)試工況與工況定義

為了得到機(jī)組在50%～100%額定負(fù)荷內(nèi)的最佳滑壓運(yùn)行方式。選定600 MW、三閥位定壓下功率、550 MW、500 MW、465 MW、兩閥位定壓下功率、400 MW、350 MW和300 MW 9個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，整個(gè)滑壓優(yōu)化運(yùn)行試驗(yàn)采用ASME PTC6—2004 《汽輪機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)程》簡(jiǎn)化試驗(yàn)方法[12]共進(jìn)行23個(gè)工況的試驗(yàn)(見(jiàn)表2)。

表2 擬測(cè)試試驗(yàn)工況

在表2中根據(jù)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)啟情況和主蒸汽壓力對(duì)定、滑壓運(yùn)行的測(cè)試工況定義如下：

(1) 定壓工況：汽輪機(jī)側(cè)主蒸汽壓力維持額定壓力25 MPa，不考慮調(diào)速汽門(mén)的狀態(tài)。

(2) 復(fù)合滑壓1工況：調(diào)節(jié)閥未全開(kāi)、主蒸汽壓力非額定壓力，即僅確定負(fù)荷與主蒸汽壓力，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度由當(dāng)前集散控制系統(tǒng)(DCS)設(shè)定的滑壓曲線而定。

(3) 復(fù)合滑壓2工況：調(diào)節(jié)閥未全開(kāi)、主蒸汽壓力非額定壓力，即僅確定負(fù)荷，主蒸汽壓力比復(fù)合滑壓1工況對(duì)應(yīng)主蒸汽壓力低0.1 MPa左右，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度由當(dāng)前DCS設(shè)定的滑壓曲線而定。

(4) 三閥位滑壓工況：GV1和GV2全開(kāi)，GV3閥位控制在GV4即將開(kāi)啟時(shí)的開(kāi)度。

(5) 兩閥位滑壓工況：GV4全關(guān)，GV1和GV2閥位控制在GV3即將開(kāi)啟時(shí)的開(kāi)度。

(6) 三閥位定壓工況：負(fù)荷為三閥位滑壓工況與定壓工況的負(fù)荷重合點(diǎn)，汽輪機(jī)側(cè)主蒸汽壓力維持額定壓力25 MPa，GV1和GV2全開(kāi)，GV3閥位控制在GV4即將開(kāi)啟時(shí)的開(kāi)度。

(7) 兩閥位定壓工況：負(fù)荷為兩閥位滑壓工況與定壓工況的負(fù)荷重合點(diǎn)，汽輪機(jī)側(cè)主蒸汽壓力維持額定壓力25 MPa，GV4全關(guān)， GV1和 GV2閥位控制在GV3即將開(kāi)啟時(shí)的開(kāi)度。

2.2 測(cè)試方法

采用ASME PTC6—2004的簡(jiǎn)化試驗(yàn)方法，機(jī)組按原則性熱力系統(tǒng)的方式運(yùn)行，輔機(jī)按設(shè)計(jì)要求投運(yùn)。試驗(yàn)前對(duì)機(jī)組進(jìn)行隔離，確定試驗(yàn)負(fù)荷之后，由運(yùn)行工程師調(diào)整機(jī)組運(yùn)行方式。試驗(yàn)時(shí)退出機(jī)爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)(CCS)，鍋爐手動(dòng)給煤，且保持給煤速率不變，并根據(jù)試驗(yàn)工況要求給出指令控制GV1、GV2和GV3的開(kāi)度和汽輪機(jī)側(cè)主蒸汽壓力，完成定壓、兩閥位滑壓、三閥位滑壓和復(fù)合滑壓的試驗(yàn)工況。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果修正

為便于各負(fù)荷工況下不同運(yùn)行方式的比較，根據(jù)制造廠提供的修正曲線對(duì)試驗(yàn)熱耗率和電功率進(jìn)行修正：定壓運(yùn)行工況進(jìn)行主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度、再熱器減溫水流量、低壓缸排汽壓力5項(xiàng)修正，滑壓運(yùn)行工況進(jìn)行除主蒸汽壓力外的4項(xiàng)修正。

2.4 最佳滑壓曲線的確定

在各負(fù)荷工況下對(duì)比不同運(yùn)行方式的機(jī)組熱耗率，選取機(jī)組熱耗率最小的運(yùn)行方式對(duì)應(yīng)的主蒸汽壓力即為機(jī)組在該負(fù)荷下的最經(jīng)濟(jì)主蒸汽壓力，各工況的最經(jīng)濟(jì)主蒸汽壓力隨負(fù)荷變化的曲線即為機(jī)組基于負(fù)荷的最佳滑壓運(yùn)行曲線。將各工況對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)級(jí)壓力作為自變量，將最佳主蒸汽壓力作為因變量，其隨調(diào)節(jié)級(jí)壓力變化的曲線即為機(jī)組基于調(diào)節(jié)級(jí)壓力的最優(yōu)滑壓運(yùn)行曲線。

3 最佳滑壓運(yùn)行曲線測(cè)試結(jié)果分析與討論

3.1 各負(fù)荷點(diǎn)運(yùn)行方式經(jīng)濟(jì)性比較

該電廠1號(hào)機(jī)組當(dāng)前DCS設(shè)定的滑壓運(yùn)行曲線見(jiàn)圖1，在515 MW以上采用定壓運(yùn)行方式，在180～515 MW采用復(fù)合滑壓運(yùn)行方式，在180 MW以下采用定壓運(yùn)行方式。

圖1 DCS設(shè)計(jì)滑壓運(yùn)行曲線

2018年聯(lián)合使用負(fù)荷和閥位為基準(zhǔn)的滑壓優(yōu)化測(cè)試方法對(duì)1號(hào)機(jī)組開(kāi)展了最佳滑壓運(yùn)行曲線的測(cè)試工作，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各運(yùn)行工況熱耗率(修正后)對(duì)比

由表3可知：與現(xiàn)有DCS設(shè)定的滑壓運(yùn)行曲線相比，采用新的最佳滑壓運(yùn)行曲線在變工況運(yùn)行的時(shí)，熱耗率將降低0.2%～0.6%。

3.2 熱耗率和負(fù)荷的關(guān)系曲線

根據(jù)各運(yùn)行工況修正后的熱耗率按定壓、兩閥位滑壓、三閥位滑壓、復(fù)合滑壓繪制成曲線便可得到各種運(yùn)行方式經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的拐點(diǎn)。修正后熱耗率和負(fù)荷的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，在300～600 MW日常調(diào)峰負(fù)荷段，對(duì)于不同運(yùn)行方式，對(duì)提高汽輪發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性而言應(yīng)遵循以下2點(diǎn)：

圖2 各種運(yùn)行方式下熱耗率和負(fù)荷關(guān)系曲線

(1) 450～600 MW負(fù)荷按三閥位滑壓運(yùn)行時(shí)機(jī)組的熱耗率最低(主蒸汽壓力≤25 MPa)。

(2) 450 MW以下負(fù)荷按兩閥位滑壓方式運(yùn)行時(shí)機(jī)組的熱耗率最低。

3.3 主蒸汽壓力和調(diào)節(jié)級(jí)壓力與負(fù)荷的關(guān)系曲線

各種運(yùn)行方式下的主蒸汽壓力隨負(fù)荷的變化關(guān)系見(jiàn)圖3。在相同負(fù)荷工況下，定壓和兩閥位滑壓運(yùn)行方式的主蒸汽壓力最高，復(fù)合滑壓運(yùn)行方式的主蒸汽壓力次之，三閥位滑壓運(yùn)行方式的主蒸汽壓力最低。

圖3 各種運(yùn)行方式下主蒸汽壓力和負(fù)荷關(guān)系曲線

各種運(yùn)行方式下的調(diào)節(jié)級(jí)壓力隨負(fù)荷的變化關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 各種運(yùn)行方式下調(diào)節(jié)級(jí)壓力和負(fù)荷關(guān)系曲線

3.4 基于負(fù)荷的最佳滑壓運(yùn)行曲線

根據(jù)圖2中最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式，結(jié)合圖3得到基于負(fù)荷的最佳滑壓運(yùn)行曲線(見(jiàn)圖5)。從圖5可以看出：主蒸汽壓力在438～450 MW負(fù)荷段存在較大變化，高壓調(diào)節(jié)閥閥位也會(huì)在三閥全開(kāi)與兩閥全開(kāi)間切換，這樣會(huì)造成主蒸汽流量產(chǎn)生較大波動(dòng)。因此，在438～450 MW負(fù)荷段應(yīng)該優(yōu)先考慮機(jī)組運(yùn)行的安全性，即主蒸汽壓力和主蒸汽流量的運(yùn)行平穩(wěn)性，而不應(yīng)該優(yōu)先考慮運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。在438～450 MW升負(fù)荷過(guò)程中，應(yīng)該先緩慢控制GV3的開(kāi)啟速率，直至三閥全開(kāi)，然后根據(jù)火電廠自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)系統(tǒng)的負(fù)荷指令將主蒸汽壓力調(diào)整至最優(yōu)。在450～438 MW降負(fù)荷過(guò)程中，應(yīng)該先緩慢關(guān)小GV1、GV2和GV3，直至將閥位調(diào)整為兩閥全開(kāi)工況，然后根據(jù)AGC系統(tǒng)負(fù)荷指令將主蒸汽壓力調(diào)整至最優(yōu)。

圖5 基于負(fù)荷的最佳滑壓運(yùn)行曲線

3.5 基于調(diào)節(jié)級(jí)壓力的最佳滑壓運(yùn)行曲線

圖5中的滑壓運(yùn)行曲線是在試驗(yàn)狀態(tài)下將熱力系統(tǒng)隔離及參數(shù)修正后得到的。圖5中對(duì)應(yīng)某負(fù)荷的主蒸汽壓力會(huì)因凝汽器的真空情況、熱力系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀況(包括泄漏狀況)、鍋爐吹灰情況、鍋爐燃燒情況(再熱器減溫水量、汽溫偏差)、向外供輔助蒸汽情況等因素產(chǎn)生明顯偏差。當(dāng)偏差較大時(shí)，可采取對(duì)最佳滑壓運(yùn)行曲線進(jìn)行修正的方法，得到新的滑壓運(yùn)行曲線。但由于這些偏差很難定量計(jì)算，因此通過(guò)修正的方法計(jì)算得到的最優(yōu)主蒸汽壓力會(huì)存在較大的誤差[13-15]。

汽輪機(jī)系統(tǒng)和運(yùn)行參數(shù)的變化都將導(dǎo)致調(diào)節(jié)級(jí)壓力的變化，以調(diào)節(jié)級(jí)壓力作為自變量，得到基于調(diào)節(jié)級(jí)壓力的最優(yōu)滑壓運(yùn)行曲線(見(jiàn)圖6)，可以保證機(jī)組始終運(yùn)行在最經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)。

圖6 基于調(diào)節(jié)級(jí)壓力的最佳滑壓運(yùn)行曲線

由圖6可以看出：當(dāng)調(diào)節(jié)級(jí)壓力為13.01～17.36 MPa時(shí)，采用三閥位滑壓運(yùn)行方式；當(dāng)調(diào)節(jié)級(jí)壓力小于13.01 MPa時(shí)，采用兩閥位滑壓運(yùn)行方式。

考慮到電網(wǎng)調(diào)度以負(fù)荷指令為準(zhǔn)，電廠實(shí)際控制過(guò)程中可以先根據(jù)AGC系統(tǒng)負(fù)荷指令，采用基于負(fù)荷的最佳滑壓運(yùn)行曲線初步調(diào)整主蒸汽壓力和高壓調(diào)節(jié)閥閥位，然后再根據(jù)基于調(diào)節(jié)級(jí)壓力的最佳滑壓運(yùn)行曲線進(jìn)一步優(yōu)化主蒸汽壓力，從而保證機(jī)組始終運(yùn)行于最經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)該電廠低負(fù)荷能耗偏高的問(wèn)題，通過(guò)聯(lián)合使用負(fù)荷和閥位為基準(zhǔn)的滑壓優(yōu)化測(cè)試方法，確定了機(jī)組最佳的滑壓運(yùn)行方式。主要結(jié)論如下：

(1) 考慮到基于負(fù)荷的最佳滑壓運(yùn)行曲線會(huì)受到熱力參數(shù)偏差和熱力系統(tǒng)變化的影響，采用了基于調(diào)節(jié)級(jí)壓力的最佳滑壓運(yùn)行曲線，可以使機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行于最佳滑壓運(yùn)行曲線。

(2) 采用新的最佳滑壓運(yùn)行曲線與現(xiàn)有運(yùn)行方式相比，在變工況運(yùn)行時(shí)可以降低機(jī)組熱耗率0.2%～0.6%，有利于推動(dòng)該廠節(jié)能降耗工作的開(kāi)展。