汽輪機(jī)組調(diào)峰技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究

孫海穎

（京能（赤峰）能源發(fā)展有限公司）

0 引言

近年來隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平日益提高，居民生活用電和商業(yè)用電占總用電量的占比顯著上升，引起了用電負(fù)荷峰谷效應(yīng)的進(jìn)一步加劇，這就使得通常參與基本負(fù)荷控制的發(fā)電機(jī)組必須參與電網(wǎng)的調(diào)峰控制中，并且一般情況下都處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)[1-2]。所以，十分有必要對(duì)汽輪機(jī)組的調(diào)峰技術(shù)展開深入研究，設(shè)計(jì)出高效的汽輪機(jī)組，參與到電網(wǎng)的調(diào)峰控制中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力行業(yè)技術(shù)水平的總體提升，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值[3]。

1 汽輪機(jī)組循環(huán)效率

一般情況下通過兩種方法能夠提高汽輪機(jī)組的循環(huán)效率，第一種方法是加大蒸汽初參數(shù)和終參數(shù)的差值，即提高初參數(shù)，并且降低終參數(shù)[4]；第二種方法是對(duì)熱循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行改造，從熱力學(xué)的角度進(jìn)行分析，熱循環(huán)系統(tǒng)入口參數(shù)值越高，出口參數(shù)值越低，就能夠?qū)崿F(xiàn)熱循環(huán)效率的提高[5]。進(jìn)口參數(shù)值與負(fù)荷為正向關(guān)聯(lián)關(guān)系，當(dāng)汽輪機(jī)組運(yùn)行在基本負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，其進(jìn)口參數(shù)值與設(shè)計(jì)參數(shù)是相匹配的，此時(shí)的循環(huán)效率較高，但是隨著負(fù)荷的逐步降低，進(jìn)口參數(shù)也會(huì)隨著降低，熱循環(huán)效率也就隨著下降[6-7]。對(duì)于普通的汽輪機(jī)組，熱耗率為：

通常情況下，汽輪機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷不足滿負(fù)荷的一半時(shí)，汽輪機(jī)組的循環(huán)效率相對(duì)于額定工況來說，降低程度為5%左右[8]。如果在非滿負(fù)荷工況下酌情降低汽輪機(jī)系統(tǒng)的通流面積，將汽輪機(jī)系統(tǒng)在此時(shí)工況下的進(jìn)口參數(shù)保持在較高的狀態(tài)，則能夠在一定程度上提高汽輪機(jī)系統(tǒng)的循環(huán)效率[9-10]。正是基于上述分析，再結(jié)合電網(wǎng)的峰谷特性效應(yīng)，本文提出了一種新型的調(diào)峰汽輪機(jī)組。

2 新型調(diào)峰汽輪機(jī)組結(jié)構(gòu)

根據(jù)燃煤型發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，調(diào)峰汽輪機(jī)組的工作負(fù)荷主要分布在兩個(gè)區(qū)間，分別是高負(fù)荷區(qū)間（75%～90%）和低負(fù)荷區(qū)間（40%～55%）[11-12]。在進(jìn)行調(diào)峰汽輪機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要以電網(wǎng)的峰谷特性效應(yīng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行工況點(diǎn)的設(shè)計(jì)。新型調(diào)峰汽輪機(jī)組主要包括兩個(gè)部分，即汽輪機(jī)系統(tǒng)和調(diào)峰汽缸，調(diào)峰汽輪機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖中的導(dǎo)向線和數(shù)字表示了流動(dòng)的方向和流動(dòng)的順序。

圖1 新型調(diào)峰汽輪機(jī)組結(jié)構(gòu)

汽輪機(jī)系統(tǒng)包含了五個(gè)部分，分別是編號(hào)為A的汽輪機(jī)高壓汽缸、編號(hào)為B 的汽輪機(jī)中壓汽缸、編號(hào)為C 的汽輪機(jī)低壓汽缸、編號(hào)為D 的汽輪機(jī)低壓汽缸、編號(hào)為G 的發(fā)電機(jī)；調(diào)峰汽缸包含了兩個(gè)部分，分別是編號(hào)為E 的高壓缸和編號(hào)為F 的中壓缸，閥門a 和閥門b 分別為汽輪機(jī)系統(tǒng)低壓缸的進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥門。主汽輪機(jī)系統(tǒng)還配置了抽汽單元，對(duì)進(jìn)入鍋爐的給水進(jìn)行預(yù)加熱，調(diào)峰汽缸將高壓汽缸和中壓汽缸集成在一起，沒有配置抽汽單元。汽輪機(jī)系統(tǒng)和調(diào)峰汽缸一起配置在同軸上，兩部分之間配置有同步離合器（S）。

調(diào)峰汽輪機(jī)組一共有三種工作模式：

（1）模式一

汽缸A、汽缸B、汽缸C 串接在一起，汽缸D、汽缸E、汽缸F 同樣串接在一起，控制汽缸A 的閥門保持在全開通狀態(tài)，調(diào)節(jié)汽缸E 的進(jìn)汽量。

（2）模式二

直接將汽缸E 和汽缸F 切除掉，將汽缸C 和汽缸D 并接在一起，再與汽缸B 串接在一起，即控制閥門a 處于全開通狀態(tài)，閥門b 處于全關(guān)閉狀態(tài)。

（3）模式三

汽缸A、汽缸B、汽缸C 串接在一起，汽缸D、汽缸E、汽缸F 同樣串接在一起，對(duì)汽缸A 和汽缸E進(jìn)行同步調(diào)節(jié)。

當(dāng)調(diào)峰汽輪機(jī)組以高負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，可以選擇模式一和模式三；當(dāng)調(diào)峰汽輪機(jī)組以低負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，可以選擇模式二。

調(diào)峰汽輪機(jī)組的全負(fù)荷工況可以歸納為兩種運(yùn)行模式：

（1）同步調(diào)節(jié)模式

汽缸A、汽缸B、汽缸C 串接在一起，汽缸D、汽缸E、汽缸F 同樣串接在一起，對(duì)汽缸A 和汽缸E進(jìn)行同步調(diào)節(jié)。

（2）分段調(diào)節(jié)模式

當(dāng)調(diào)峰汽輪機(jī)組以高負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，汽缸A、汽缸B、汽缸C 串接在一起，汽缸D、汽缸E、汽缸F 同樣串接在一起，控制汽缸A 的閥門保持在全開通狀態(tài)，調(diào)節(jié)汽缸E 的進(jìn)汽量；當(dāng)調(diào)峰汽輪機(jī)的符合低于一定閾值時(shí)，直接將汽缸E 和汽缸F 切除掉，將汽缸C 和汽缸D 并接在一起，再與汽缸B 串接在一起，即控制閥門a 處于全開通狀態(tài)，閥門b 處于全關(guān)閉狀態(tài)。

同步調(diào)節(jié)模式下，調(diào)峰汽輪機(jī)組與普通汽輪機(jī)組的運(yùn)行方式一致；分段調(diào)節(jié)模式下，低負(fù)荷工況下切除調(diào)峰氣缸后，通流截面積降低，進(jìn)口參數(shù)顯著提升。

3 新型調(diào)峰汽輪機(jī)組熱平衡分析

根據(jù)電網(wǎng)的峰谷特性效應(yīng)，再結(jié)合雙工況點(diǎn)的基本概念，對(duì)1000MW 等級(jí)的超超臨界機(jī)組進(jìn)行了設(shè)計(jì)，工況點(diǎn)X 狀態(tài)描述為汽輪機(jī)系統(tǒng)和調(diào)峰汽缸的進(jìn)汽閥門處于全開狀態(tài)，進(jìn)汽口參數(shù)與額定參數(shù)相匹配，此時(shí)調(diào)峰汽輪機(jī)組的輸出電功率為1000MW；工況點(diǎn)Y 狀態(tài)描述為調(diào)峰汽缸處于切除狀態(tài)，汽輪機(jī)系統(tǒng)的閥門處于全開狀態(tài)，進(jìn)汽口參數(shù)與額定參數(shù)相匹配，此時(shí)調(diào)峰汽輪機(jī)組的輸出電功率為650MW。下表給出了普通汽輪機(jī)組與調(diào)峰汽輪機(jī)組在額定工況點(diǎn)的輸出功率分配情況，從表中可以看出調(diào)峰汽輪機(jī)組在額定工況點(diǎn)，高壓汽缸和中壓汽缸的輸出功率相對(duì)于普通的汽輪機(jī)組降低了30% 以上，低壓汽缸的輸出功率基本保持不變。

表 額定工況點(diǎn)輸出功率分配

如圖2 所示，在滿負(fù)荷工況時(shí)，調(diào)峰汽輪機(jī)組兩種運(yùn)行模式下和普通汽輪機(jī)組的熱耗率分析。它們?cè)陬~定工況點(diǎn)（即1000MW）的熱耗率完全一致，隨著負(fù)荷的逐步降低，同步調(diào)節(jié)模式與普通汽輪機(jī)組的熱耗率變化情況完全一致（熱耗值絕對(duì)值的差異與調(diào)峰汽輪機(jī)組的實(shí)際設(shè)計(jì)情況相關(guān)聯(lián)，與曲線中的熱耗相比有一定程度的偏差）。分段調(diào)節(jié)模式下，在高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，調(diào)峰汽輪機(jī)組的熱耗率要比普通汽輪機(jī)組要高，這是由于在高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，要靠調(diào)峰汽缸獨(dú)立調(diào)節(jié)，而對(duì)于汽輪機(jī)汽缸而言，參數(shù)變化幅度放大，所以對(duì)性能的影響程度也隨之放大，影響尚在可控范圍可接受范圍內(nèi)。當(dāng)調(diào)峰汽輪機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷低于調(diào)峰汽輪機(jī)組的設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，將調(diào)峰汽缸切除，保證其處于熱備用狀態(tài)，其熱耗率開始明顯低于同步調(diào)節(jié)模式和普通汽輪機(jī)組；當(dāng)?shù)陀谝话愕念~定負(fù)荷時(shí)，分段調(diào)節(jié)模式下的熱耗率要比普通的汽輪機(jī)組要低3%左右，這個(gè)帶來的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

圖2 滿負(fù)荷時(shí)熱耗率變化曲線

如圖3 所示，在滿負(fù)荷工況時(shí)，調(diào)峰汽輪機(jī)組與普通汽輪機(jī)組的主蒸汽壓力相對(duì)于額定工況點(diǎn)的變化趨勢(shì)分析。當(dāng)調(diào)峰汽輪機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷要高于調(diào)峰汽輪機(jī)組的設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，主蒸汽壓力值通常都會(huì)與設(shè)計(jì)壓力值相匹配，通過調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的進(jìn)汽流來控制功率的輸出，造成了一定程度的節(jié)流損失；當(dāng)調(diào)峰汽輪機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷要低于調(diào)峰汽輪機(jī)組的設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，調(diào)峰汽缸被完全切除，保證其處于熱備用狀態(tài)，主蒸汽壓力值隨著負(fù)荷的變化而逐步降低。

圖3 調(diào)峰汽輪機(jī)組主蒸汽壓力變化對(duì)應(yīng)曲線

普通汽輪機(jī)組在低負(fù)荷工況時(shí)，由于主蒸汽壓力的降低，進(jìn)入鍋爐前的給水溫度也會(huì)降低，這就是造成低負(fù)荷工況時(shí)循環(huán)效率低的關(guān)鍵原因之一。當(dāng)前很多汽輪機(jī)組都是通過配置額外的加熱器來提高給水溫度，這就導(dǎo)致了采購(gòu)和運(yùn)營(yíng)成本的升高，同時(shí)也需要在汽輪機(jī)的高壓汽缸上配置抽汽單元，同樣也會(huì)對(duì)循環(huán)效率造成影響。調(diào)峰汽輪機(jī)組，在低負(fù)荷工況下的進(jìn)汽壓力要明顯高于普通汽輪機(jī)組，這樣就導(dǎo)致了給水溫度升高，這樣不需要額外配置加熱器也能夠使得給水保持較高的溫度。給水溫度與負(fù)荷變化情況的關(guān)系如圖4 所示，調(diào)峰汽輪機(jī)組與不帶加熱器的普通汽輪機(jī)組和帶加熱器的普通汽輪機(jī)組相比，回?zé)嵝阅芏几鼉?yōu)，這也就是造成分段調(diào)節(jié)模式下調(diào)峰汽輪機(jī)組的熱耗率要比普通的汽輪機(jī)組要低3%左右的其中一個(gè)原因。

圖4 給水溫度與負(fù)荷變化對(duì)應(yīng)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

調(diào)峰汽輪機(jī)組是與電網(wǎng)調(diào)峰需求相匹配的新型汽輪機(jī)組，在不同的負(fù)荷情況下采取不用的運(yùn)行模式，這樣就能夠降低汽輪機(jī)組在低負(fù)荷工況時(shí)主蒸汽參數(shù)降低、進(jìn)汽量減少等因素對(duì)于汽缸循環(huán)效率的影響。分析結(jié)果表明，在充分保證額定負(fù)荷工況熱耗率不升高的前提下，調(diào)峰汽輪機(jī)組的熱耗率能夠降低3%左右，熱耗收益顯著。