超臨界火電機(jī)組滑壓運(yùn)行優(yōu)化與節(jié)能性分析

張伶俐，李紅燕，張兆生

(1.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134; 2.江蘇鎮(zhèn)江發(fā)電有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引 言

通常情況下，低負(fù)荷工況對汽輪發(fā)電機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)效益影響比較大。為盡可能減少汽輪機(jī)能耗，該種工況下集控運(yùn)行工程師會將機(jī)組的運(yùn)行方式切換為滑壓運(yùn)行模式[1]。以某火力發(fā)電廠630 MW超臨界火力發(fā)電機(jī)組為例，通過變負(fù)荷滑壓運(yùn)行試驗，為確定汽輪機(jī)組在變負(fù)荷時最優(yōu)運(yùn)行主汽壓力提供依據(jù)，對原設(shè)計壓力數(shù)值進(jìn)行修正，使機(jī)組匹配最優(yōu)運(yùn)行方式，可提升運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，降低供電煤耗。

1 機(jī)組概況

某火力發(fā)電廠5號機(jī)組鍋爐部分為上海鍋爐廠生產(chǎn)的引進(jìn)美國ALSTOM公司技術(shù)制造的超臨界變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)。汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N600-24.2/566/566型超臨界、一次中間再熱、單軸、反動式、凝汽式汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)由上海電機(jī)廠制造。

單元機(jī)組控制采用上海FOXBORO公司IA’S分散控制系統(tǒng)，設(shè)計包含DAS、BMS、MCS、SCS系統(tǒng)。汽機(jī)控制系統(tǒng)采用上海汽輪機(jī)有限公司DEH控制系統(tǒng)。

2 試驗過程

依據(jù)該廠機(jī)組實際參與電網(wǎng)調(diào)峰范圍和正常運(yùn)行規(guī)程，此次選取540 MW、480 MW、420 MW、360 MW 4個負(fù)荷節(jié)點進(jìn)行不同主汽壓力下機(jī)組運(yùn)行調(diào)整試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果分析機(jī)組熱耗率等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，找出最佳運(yùn)行值。

試驗開始前，關(guān)閉凝汽器補(bǔ)水調(diào)整門、旁路電動門。將機(jī)組負(fù)荷調(diào)整至設(shè)定試驗值，保持機(jī)組功率，主汽、再熱汽壓力和溫度等參數(shù)穩(wěn)定，隨后進(jìn)行系統(tǒng)隔離操作，使得機(jī)組成單元制運(yùn)行[2]。同時，系統(tǒng)隔離前要保證汽水系統(tǒng)儲水補(bǔ)足，并關(guān)閉機(jī)組所有非正常疏放水門、排汽門，切除廠用汽及對外供汽管路。汽輪機(jī)高壓缸調(diào)門采用順序閥模式，系統(tǒng)內(nèi)主、輔設(shè)備按照常規(guī)方式運(yùn)行[3]。

試驗期間，協(xié)調(diào)CCS控制系統(tǒng)投入，機(jī)組采用順序閥方式運(yùn)行。為保證負(fù)荷工況穩(wěn)定，AGC控制、一次調(diào)頻功能切除，爐膛停止吹灰，汽輪機(jī)停止補(bǔ)水。待機(jī)組負(fù)荷和參數(shù)穩(wěn)定后，維持該工況并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

試驗結(jié)束后，恢復(fù)所有設(shè)備為試驗前狀態(tài)。

3 數(shù)據(jù)處理及分析

試驗采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過正確性檢查后，按照不同工況下的時間段算出各測量段的平均值。為保證試驗采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對于同一參數(shù)多重測點開展數(shù)據(jù)測量，取其算數(shù)平均值。對于牽涉到的壓力測量值，均根據(jù)所測數(shù)據(jù)進(jìn)行儀表零位、取樣點高差和大氣壓力修正，并計算得出測量點的絕對壓力。

汽輪機(jī)熱耗率計算式如下[4]：

(1)

式中：Dm為主蒸汽流量，kg/h；Dr為再熱蒸汽流量kg/h；Dfw為給水流量，kg/h；Dcr為冷再熱蒸汽流量，kg/h；Drhs為再熱汽減溫水流量，kg/h；hm為主蒸汽焓,kJ/kg；hhr為熱再熱蒸汽焓,kJ/kg；hcr為冷再熱蒸汽焓,kJ/kg；hfw為給水焓,kJ/kg；hrhs為再熱器減溫水焓,kJ/kg；Pe為發(fā)電機(jī)功率,MW。

3.1 540 MW工況試驗結(jié)果分析

在540 MW工況下，試驗測得數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。依據(jù)表1，可以給出540 MW工況熱耗與主汽壓力關(guān)系曲線圖，見圖1。

表1 540 MW工況下試驗數(shù)據(jù)

圖1 540 MW工況熱耗率與主汽壓力關(guān)系曲線

由上述數(shù)據(jù)得知，在540 MW工況下，主汽壓力在23.08 MPa時對應(yīng)的熱耗最低。

3.2 480 MW工況試驗結(jié)果分析

在480 MW工況下，試驗測得數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。依據(jù)表2，同樣給出480 MW工況熱耗與主汽壓力關(guān)系曲線圖，見圖2。

圖2 480 MW工況熱耗率與主汽壓力關(guān)系曲線

表2 480 MW工況下試驗數(shù)據(jù)

由上述數(shù)據(jù)得知，在480 MW工況下，主汽壓力在21.06 MPa時對應(yīng)的熱耗率最低。

3.3 420 MW工況試驗結(jié)果分析

在420 MW工況下，試驗測得數(shù)據(jù)結(jié)果見表3。依據(jù)表3，可以給出420 MW工況熱耗與主汽壓力關(guān)系曲線圖，見圖3。

表3 420 MW工況下試驗數(shù)據(jù)

特別說明，由于在試驗過程中，難以測取所有主汽壓力值，因此，在參照汽輪機(jī)通流改造后設(shè)計值與遵循選點原則的前提下，依據(jù)圖3曲線，認(rèn)為在420 MW工況下，主汽壓力在18.07 MPa時對應(yīng)的熱耗最低。即便這不是真實最優(yōu)值，但是對于實際生產(chǎn)來講，這種選值優(yōu)化已經(jīng)具有了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 420 MW工況熱耗率與主汽壓力關(guān)系曲線

3.4 360 MW工況試驗結(jié)果分析

在360 MW工況下，試驗測得數(shù)據(jù)結(jié)果見表4。依據(jù)表4，可以給出360 MW工況熱耗率與主汽壓力關(guān)系曲線圖，見圖4。

圖4 360 MW工況熱耗率與主汽壓力關(guān)系曲線

表4 360 MW工況下試驗數(shù)據(jù)

參照420 MW工況下選點原則，結(jié)合試驗測定述數(shù)據(jù)得知，在360 MW工況下，主汽壓力在15.69 MPa 時對應(yīng)的熱耗率最低。

3.5 滑壓運(yùn)行公式擬合

取上述試驗結(jié)果最優(yōu)值，得到不同負(fù)荷工況下最佳主汽壓力值，見表5。

表5 各負(fù)荷工況下最優(yōu)參數(shù)值

依據(jù)表5，得到4種工況下最經(jīng)濟(jì)主汽壓力擬合曲線，如圖5所示。不同工況下負(fù)荷最經(jīng)濟(jì)主汽壓力對應(yīng)熱耗率如圖6所示。

圖5 不同工況下最經(jīng)濟(jì)主汽壓力擬合曲線

圖6 不同負(fù)荷最經(jīng)濟(jì)主汽壓力對應(yīng)熱耗率

依據(jù)上述數(shù)據(jù)，同時結(jié)合汽輪機(jī)通流改造后原設(shè)計值方案，給出不同負(fù)荷下機(jī)組定—滑壓運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)主汽壓力分段函數(shù)。

(2)

式中：pms為主汽壓力，MPa；Pe為發(fā)電機(jī)功率，MW。

采用分段函數(shù)，計算出滑壓運(yùn)行方式下負(fù)荷與主汽壓力插值對應(yīng)表，見表6。

表6 滑壓運(yùn)行方式下負(fù)荷與主汽壓力值對應(yīng)表

結(jié)合DCS原設(shè)計值、汽輪機(jī)通流改造后設(shè)計值、此次優(yōu)化設(shè)計值，以上三種滑壓運(yùn)行值對比見表7。

表7 三次改造后滑壓運(yùn)行值對比

3.6 節(jié)能量評估

540 MW工況下，DCS原設(shè)計主汽壓力滑壓值為24.2 MPa，對應(yīng)修正后熱耗率為7 917 kJ/(kW·h)(根據(jù)該試驗數(shù)據(jù)插值得出，下同)。更改為23.23 MPa，對應(yīng)修正后熱耗率為7 886 kJ/(kW·h)。熱耗率降低31 kJ/(kW·h)。廠用電率為4.02%，管道效率取99%，鍋爐效率取94.52%(根據(jù)該火電廠提供報告數(shù)據(jù)插值得出，下同)。據(jù)以上數(shù)據(jù)，得到540 MW工況滑壓優(yōu)化后，降低煤耗1.18 g/(kW·h)[5]。

480 MW工況下，DCS原設(shè)計主汽壓力滑壓值為23.94 MPa，對應(yīng)修正后熱耗率為7 967 kJ/(kW·h)。更改為20.72 MPa，對應(yīng)修正后熱耗率為7 956 kJ/(kW·h)。熱耗率降低11 kJ/(kW·h)。廠用電率為4.2%，管道效率取99%，鍋爐效率取94.55%。據(jù)以上數(shù)據(jù)，得到480 MW工況滑壓優(yōu)化后，降低煤耗0.42 g/(kW·h)。

420 MW工況下，DCS原設(shè)計主汽壓力滑壓值為21.05 MPa，對應(yīng)修正后熱耗率為8 003 kJ/(kW·h)。更改為18.2 MPa，對應(yīng)修正后熱耗率為7 982 kJ/(kW·h)。熱耗率降低21 kJ/(kW·h)。廠用電率為4.58%，管道效率取99%，鍋爐效率取94.5%。據(jù)以上數(shù)據(jù)，得到420 MW工況滑壓優(yōu)化后，降低煤耗0.8 g/(kW·h)。

360 MW工況下，DCS原設(shè)計主汽壓力滑壓值為18.16 MPa，對應(yīng)修正后熱耗率為8 062 kJ/(kW·h)。更改為15.69 MPa，對應(yīng)修正后熱耗率為8 046 kJ/(kW·h)。熱耗率降低16 kJ/(kW·h)。廠用電率為4.87%，管道效率取99%，鍋爐效率取94.42%。據(jù)以上數(shù)據(jù)，得到360 MW工況滑壓優(yōu)化后，降低煤耗0.61 g/(kW·h)。

4 結(jié) 語

以630 MW超臨界火電機(jī)組為例，通過540、480、420、360 MW負(fù)荷工況下不同主汽壓力下熱耗對比，尋找最經(jīng)濟(jì)主汽壓力，同時依據(jù)試驗結(jié)果，修正負(fù)荷與主汽壓力滑壓值對應(yīng)數(shù)值，更好地指導(dǎo)了機(jī)組的運(yùn)行，即機(jī)組功率Pe≥563.13 MW時采用原定壓運(yùn)行，機(jī)前主汽壓力維持在24.2 MPa；機(jī)組功率處于300～563.13 MW區(qū)間時采用滑壓運(yùn)行方式，依據(jù)修正后滑壓曲線控制機(jī)前壓力。對于機(jī)組負(fù)荷低于300 MW的工況比較少見，該種狀況下應(yīng)當(dāng)將機(jī)組設(shè)備安全放置于首要位置，防止低壓級蒸汽濕度過大引起汽輪機(jī)葉片水蝕，依據(jù)運(yùn)行規(guī)程保持機(jī)組水動力特性，機(jī)前主汽壓力保持在10.2 MPa定壓運(yùn)行。

通過此次滑壓運(yùn)行優(yōu)化后，機(jī)組平均供電煤耗降低0.75 g/(kW·h)，為同類型超臨界機(jī)組滑壓優(yōu)化運(yùn)行提供參考案例。