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(duì)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(huì)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(guò)變負(fù)荷滑壓運(yùn)行試驗(yàn)，為確定汽輪機(jī)組在變負(fù)荷時(shí)最優(yōu)運(yùn)行主汽壓力提供依據(jù)，對(duì)原設(shè)計(jì)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(hào)機(jī)組鍋爐部分為上海鍋爐廠生產(chǎn)的引進(jìn)美國(guó)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(dòng)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(jì)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(yàn)過(guò)程

依據(jù)該廠機(jī)組實(shí)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(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行不同主汽壓力下機(jī)組運(yùn)行調(diào)整試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)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(yàn)開(kāi)始前，關(guān)閉凝汽器補(bǔ)水調(diào)整門(mén)、旁路電動(dòng)門(mén)。將機(jī)組負(fù)荷調(diào)整至設(shè)定試驗(yàn)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(shí)，系統(tǒng)隔離前要保證汽水系統(tǒng)儲(chǔ)水補(bǔ)足，并關(guān)閉機(jī)組所有非正常疏放水門(mén)、排汽門(mén)，切除廠用汽及對(duì)外供汽管路。汽輪機(jī)高壓缸調(diào)門(mén)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(yàn)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(yàn)結(jié)束后，恢復(fù)所有設(shè)備為試驗(yàn)前狀態(tài)。

3 數(shù)據(jù)處理及分析

試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)正確性檢查后，按照不同工況下的時(shí)間段算出各測(cè)量段的平均值。為保證試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)于同一參數(shù)多重測(cè)點(diǎn)開(kāi)展數(shù)據(jù)測(cè)量，取其算數(shù)平均值。對(duì)于牽涉到的壓力測(cè)量值，均根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行儀表零位、取樣點(diǎn)高差和大氣壓力修正，并計(jì)算得出測(cè)量點(diǎn)的絕對(duì)壓力。

汽輪機(jī)熱耗率計(jì)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(yàn)結(jié)果分析

在540 MW工況下，試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)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(jiàn)圖1。

表1 540 MW工況下試驗(yàn)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(shí)對(duì)應(yīng)的熱耗最低。

3.2 480 MW工況試驗(yàn)結(jié)果分析

在480 MW工況下，試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)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(jiàn)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(yàn)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(shí)對(duì)應(yīng)的熱耗率最低。

3.3 420 MW工況試驗(yàn)結(jié)果分析

在420 MW工況下，試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)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(jiàn)圖3。

表3 420 MW工況下試驗(yàn)數(shù)據(jù)

特別說(shuō)明，由于在試驗(yàn)過(guò)程中，難以測(cè)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(jì)值與遵循選點(diǎn)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(shí)對(duì)應(yīng)的熱耗最低。即便這不是真實(shí)最優(yōu)值，但是對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)來(lái)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(yàn)結(jié)果分析

在360 MW工況下，試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)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(jiàn)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(yàn)數(shù)據(jù)

參照420 MW工況下選點(diǎn)原則，結(jié)合試驗(yàn)測(cè)定述數(shù)據(jù)得知，在360 MW工況下，主汽壓力在15.69 MPa 時(shí)對(duì)應(yīng)的熱耗率最低。

3.5 滑壓運(yùn)行公式擬合

取上述試驗(yàn)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(jiàn)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(duì)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(duì)應(yīng)熱耗率

依據(jù)上述數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合汽輪機(jī)通流改造后原設(shè)計(jì)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(jì)算出滑壓運(yùn)行方式下負(fù)荷與主汽壓力插值對(duì)應(yīng)表，見(jiàn)表6。

表6 滑壓運(yùn)行方式下負(fù)荷與主汽壓力值對(duì)應(yīng)表

結(jié)合DCS原設(shè)計(jì)值、汽輪機(jī)通流改造后設(shè)計(jì)值、此次優(yōu)化設(shè)計(jì)值，以上三種滑壓運(yùn)行值對(duì)比見(jiàn)表7。

表7 三次改造后滑壓運(yùn)行值對(duì)比

3.6 節(jié)能量評(píng)估

540 MW工況下，DCS原設(shè)計(jì)主汽壓力滑壓值為24.2 MPa，對(duì)應(yīng)修正后熱耗率為7 917 kJ/(kW·h)(根據(jù)該試驗(yàn)數(shù)據(jù)插值得出，下同)。更改為23.23 MPa，對(duì)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(bào)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(jì)主汽壓力滑壓值為23.94 MPa，對(duì)應(yīng)修正后熱耗率為7 967 kJ/(kW·h)。更改為20.72 MPa，對(duì)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(jì)主汽壓力滑壓值為21.05 MPa，對(duì)應(yīng)修正后熱耗率為8 003 kJ/(kW·h)。更改為18.2 MPa，對(duì)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(jì)主汽壓力滑壓值為18.16 MPa，對(duì)應(yīng)修正后熱耗率為8 062 kJ/(kW·h)。更改為15.69 MPa，對(duì)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(yǔ)

以630 MW超臨界火電機(jī)組為例，通過(guò)540、480、420、360 MW負(fù)荷工況下不同主汽壓力下熱耗對(duì)比，尋找最經(jīng)濟(jì)主汽壓力，同時(shí)依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，修正負(fù)荷與主汽壓力滑壓值對(duì)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(shí)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(shí)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(duì)于機(jī)組負(fù)荷低于300 MW的工況比較少見(jiàn)，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(jí)蒸汽濕度過(guò)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(dòng)力特性，機(jī)前主汽壓力保持在10.2 MPa定壓運(yùn)行。

通過(guò)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(lèi)型超臨界機(jī)組滑壓優(yōu)化運(yùn)行提供參考案例。