大功率汽輪機低負荷運行適應性優(yōu)化改造策略研究

王銳

（大唐貴州發(fā)耳發(fā)電有限公司 貴州水城 553017）

大功率汽輪機低負荷運行適應性優(yōu)化改造策略研究

王銳

（大唐貴州發(fā)耳發(fā)電有限公司 貴州水城 553017）

目前，日趨增大的電網(wǎng)峰谷差使得越來越多的高參數(shù)大功率火電機組不得不參與調(diào)峰，機組長時間運行于額定工況之外。本文以600MW級別機組為例，闡述了基于噴嘴組改造的汽輪機在低負荷適應性的優(yōu)化策略，并結(jié)合配汽規(guī)律優(yōu)化解決了噴嘴組改造帶來的對調(diào)節(jié)品質(zhì)的影響。最終，通過軟硬件相結(jié)合的優(yōu)化方式，使得機組既能夠提高機組全年變工況運行經(jīng)濟性，又能夠改善機組運行的安全穩(wěn)定性，在實際中真正實現(xiàn)了安全節(jié)能的效果。這對我國大功率汽輪發(fā)電機組節(jié)能優(yōu)化的運行及改造經(jīng)驗具有很大的借鑒作用。

大功率；汽輪機；低負荷；經(jīng)濟性；優(yōu)化改造

1 引言

汽輪機每個高調(diào)門都對應一組噴嘴，通過控制回路輸出的流量信號驅(qū)使高調(diào)門開關實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速或功率調(diào)節(jié)。然而，隨著電網(wǎng)峰谷差的不斷增大，許多大功率火電機組勢必要進行深度變負荷運行，致使機組偏離額定設計工況太多而運行效率降低[1，2]。一般，為了提高機組的低負荷運行經(jīng)濟性，汽輪機在實際穩(wěn)定運行時都采用噴嘴調(diào)節(jié)方式。但是，當噴嘴調(diào)節(jié)方式的配汽規(guī)律設計不合理時會給機組的安全穩(wěn)定和運行經(jīng)濟性都帶來影響；因此，早期國內(nèi)針對汽輪機噴嘴配汽問題研究大都從軟件方面進行，包括通過優(yōu)化進汽順序解決機組軸系穩(wěn)定較差的問題[3，4]和優(yōu)化重疊度降低機組高調(diào)門的節(jié)流損失[5]。接著，一些研究者開始注重研究節(jié)流調(diào)節(jié)和噴嘴調(diào)節(jié)方式的無擾切換問題，即降低切換過程的負荷波動和汽壓波動[6]。然而，隨著近幾年新能源等隨機波動性電源的大規(guī)模接入，不僅電廠的負荷率被進一步壓低；而且，電網(wǎng)對電廠機組的調(diào)節(jié)品質(zhì)變得更加嚴格，一次調(diào)頻和AGC性能開始考核。所以，各電廠都在充分挖掘機組的節(jié)能潛力，采取各種方法和手段盡可能地降低發(fā)電煤耗，以節(jié)約發(fā)電成本，提高上網(wǎng)競爭中的優(yōu)勢。通過優(yōu)化不同噴嘴數(shù)的調(diào)門組合來提高機組低負荷運行經(jīng)濟性和保證機組流量特性曲線的線性度[7，8]。

目前，隨著高參數(shù)大容量機組的進一步發(fā)展和投產(chǎn)，機組低負荷運行適應性優(yōu)化改造就顯得非常必要，超臨界機組比亞臨界機組改造必要性更大，尤其是目前在電網(wǎng)占主流的600MW級別機組[9，10]。因此，600MW級別機組的低負荷運行適應性優(yōu)化改造經(jīng)驗具有非常寶貴的借鑒意義。本文以600MW級別機組為例，闡述了基于噴嘴組改造的汽輪機在低負荷適應性的優(yōu)化策略，并結(jié)合配汽規(guī)律優(yōu)化解決了噴嘴組改造帶來的對調(diào)節(jié)品質(zhì)的影響。最終，通過軟硬件相結(jié)合的優(yōu)化方式，使得機組既能夠提高機組全年變工況運行經(jīng)濟性，又能夠改善機組運行的安全穩(wěn)定性，在實際中真正實現(xiàn)了安全節(jié)能的效果。這對我國大功率汽輪發(fā)電機組節(jié)能優(yōu)化的運行及改造經(jīng)驗具有很大的借鑒作用。

2 機組運行概況及節(jié)能降耗分析

大唐貴州發(fā)耳發(fā)電有限公司（簡稱：發(fā)耳公司）裝機容量為4MW×600MW，4臺汽輪機均為上海汽輪機有限公司設計制造的N600-16.7/538/538型亞臨界、三缸四排汽、凝汽式汽輪機（產(chǎn)品編號158）。1～4號機組分別于：2008年06月21日；2008年11月26日；2009年11月10日；2010年06月10日投產(chǎn)。機組投產(chǎn)后，2號機組于2012年12月、1號機組于2013年9月進行過B級檢修。1號機組B修后性能試驗熱耗率為8142.2kJ/kW·h（設計值7859.0kJ/kW·h，進行二類參數(shù)修正后）。4號汽輪機組擬于2014年6月進行B級檢修，修前熱耗率為8305.2kJ/kW·h（設計值7859.0kJ/kW·h），距設計值相差 5.7%（446.2kJ/kW·h）。因此，發(fā)耳公司4臺機組的節(jié)能降耗空間較大。

3 噴嘴組優(yōu)化改造策略

并網(wǎng)運行的火力發(fā)電機組受電網(wǎng)負荷調(diào)度限制，機組不可能長周期滿負荷運行，而是頻繁的參與系統(tǒng)調(diào)峰，當機組負荷下降時（低于THA設計值），其運行的經(jīng)濟性是下降的。由于汽輪機的出力能力與汽輪機組經(jīng)濟性是相左的，經(jīng)濟性下降的程度差別與汽輪機調(diào)節(jié)級噴嘴組相關性較大，汽輪機設計制造的質(zhì)量，通流面積與實際通流需求的不匹配，隨負荷下降，經(jīng)濟性下降偏離額定工況越大，再加上原始主機廠設計的噴嘴組在設計、制造過程中存在不完善的狀況，造成在運行機組的調(diào)節(jié)級效率較差，通流面積過大成為一個普遍的問題。與此同時，現(xiàn)役運行機組平均負荷率普遍較低（約70%左右），突出矛盾是，汽輪機組普遍存在額定負荷試驗結(jié)果看似不錯，實際運行卻很差，特別是循環(huán)水平均水溫的設計背壓下，額定負荷和低負荷工況特別突出。發(fā)耳公司1號機組2013年B修后試驗結(jié)果為例，隨著機組功率下降，發(fā)電煤耗（熱耗率）相對THA設計值上升，80%負荷上升17.6g/kW·h（5.98%）；70%負荷上升22.4g/kW·h（7.61%）；60%負荷上升 31.3g/kW·h（10.64%）。

通過對類似電廠現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)對于汽輪機調(diào)節(jié)級噴嘴組的整體更換可以部分解決機組原先設計、制造方面的缺陷，對于機組節(jié)能降耗的作用較大。因此，為解決這一綜合性問題，而整體更換新的定制式設計的調(diào)節(jié)級噴嘴組。

4 噴嘴組改造的負面影響及調(diào)整措施

4.1 噴嘴組改造對機組調(diào)門特性曲線的影響

4.1.1 噴嘴組改造對機組調(diào)節(jié)特性的影響

圖1 發(fā)耳公司#4機組的噴嘴布置圖

#4機組為上海汽輪機廠生產(chǎn)的600MW級別機組，其閥門管理及噴嘴數(shù)目布置如圖1所示。汽輪機閥門管理是DEH系統(tǒng)的一個重要組成部分，對機組的安全高效運行具有非常重要的作用。然而，機組噴嘴組改造直接影響了機組的調(diào)節(jié)級實際流量特性，導致高調(diào)門特性曲線發(fā)生偏離。因此，噴嘴組改造對機組調(diào)節(jié)特性產(chǎn)生影響，#4機組閥門綜合流量特性曲線的線性度較差，這會導致閥門流量銜接分配不均，這對機組的AGC和一次調(diào)頻能力都會有很大的影響，間接影響機組的運行經(jīng)濟性，影響電廠的間接運行效益。

4.1.2 調(diào)門特性曲線存在的其他問題分析

進一步，從圖1中可以看出，#4機組順序閥進汽順序為#3+#4→#1→#2，屬于上缸進汽方式，當機組低負荷運行時，尤其是機組上半缸進汽，進汽不均引起上下缸溫差，導致，產(chǎn)生較大的漏汽量，影響機組運行經(jīng)濟性存在優(yōu)化空間；根據(jù)目前公開文獻資料顯示，影響煤耗0.5g/kW·h左右；#4機組上半缸進汽方式，尤其是機組兩閥運行時，配汽不平衡汽流力較大，不利于軸系運行環(huán)境；其中，#2瓦瓦溫最大值高達92℃，根據(jù)一般的實際工程經(jīng)驗，優(yōu)化后瓦溫能夠降低至82℃左右，軸振保持在80um以下；#4機組閥門流量特性曲線設計不合理，系統(tǒng)調(diào)節(jié)性較差；尤其是，對于#1高調(diào)門，正常參與調(diào)節(jié)時動作幅度過大，對油動機等閥門硬件系統(tǒng)的使用壽命影響較大，存在優(yōu)化潛力。

4.2 機組高調(diào)門配汽優(yōu)化及效果

4.2.1 噴嘴組改造前后的配汽規(guī)律特性對比

發(fā)耳電廠#4機組順序閥進汽順序原為#3+#4→#1→#2，即先開3、4號調(diào)門，再開1號調(diào)門，再開2號調(diào)門，詳細見圖2所示。由于機組在2014年8月進行噴嘴改造機組的閥門特性發(fā)生較大改變；通過修后啟機數(shù)據(jù)分析得到驗證，機組的計算流量與實際流量特性存在較大偏差，流量特性曲線線性度較差不利于機組的調(diào)節(jié)性能；尤其是當機組運行至流量特性最差部位，不僅影響機組的AGC和一次調(diào)頻能力；嚴重時還會伴隨機組的閥門擺動甚至是負荷調(diào)節(jié)振蕩。通過流量特性試驗，進行整體配汽綜合優(yōu)化方案為#2+#3→#1→#4。其中，機組綜合流量指令與閥桿升程曲線對應關系，如圖3所示。

圖2 原配汽規(guī)律（順序閥#3+#4→#1→#2）

圖3 順序閥優(yōu)化方案及DEH參數(shù)擬合效果

4.2.2 配汽規(guī)律優(yōu)化效果

通過本配汽綜合優(yōu)化技術，對大唐貴州發(fā)耳發(fā)電有限公司#4機組進行優(yōu)化改造，取得的效果如下：

（1）在機組運行的安全穩(wěn)定性方面：配汽優(yōu)化后，可以明顯改善機組閥門的綜合流量特性曲線的線性度，解決由于機組流量特性曲線較差引起的閥門異常調(diào)節(jié)問題；優(yōu)化機組配汽不平衡汽流力，使#4機組的瓦溫或者軸振得到一定程度的改善，使順序閥的軸振和瓦溫水平接近單閥運行狀態(tài)；

（2）在機組運行的直接經(jīng)濟性方面：對于#4機組閥門重組及開啟重疊度進行合理優(yōu)化設計，降低節(jié)流損失，減小低負荷上半缸進汽時的漏汽量；通過對#4機組配汽優(yōu)化改造，預期在230～350MW負荷段，可降低機組發(fā)電煤耗0.5g/kWh左右；

（3）在機組運行的間接經(jīng)濟性方面：優(yōu)化高調(diào)門的開啟規(guī)律，消除由于配汽規(guī)律線性度較差，引起的調(diào)門異常調(diào)節(jié)，減少原件磨損、延長使用壽命，間接提高機組運行的經(jīng)濟性；改善#4機組的高調(diào)門流量特性曲線線性度，提高機組的調(diào)節(jié)性能；如AGC和一次調(diào)頻，間接提高電廠的運行經(jīng)濟性，增加電廠運行效益。

5 結(jié)論及展望

600MW機組在我國電網(wǎng)機構(gòu)中起到絕對的主力作用，本文以600MW級別機組為例，闡述了大功率汽輪機低負荷運行適應性優(yōu)化改造的策略研究，得到了如下的結(jié)論：

（1）噴嘴組改造是汽輪機運行方式的一種低負荷適應性的優(yōu)化策略，其結(jié)合配汽規(guī)律優(yōu)化解決了噴嘴組改造帶來的負面影響。

（2）通過軟硬件相結(jié)合的優(yōu)化方式，使得機組既能夠提高機組全年變工況運行經(jīng)濟性，又能夠改善機組運行的安全穩(wěn)定性，在實際中真正實現(xiàn)了安全節(jié)能的效果。

（3）這對我國大功率汽輪發(fā)電機組節(jié)能優(yōu)化的運行及改造經(jīng)驗具有很大的借鑒作用。

[1]畢慶生，呂項羽，李德鑫，等.基于熱網(wǎng)及建筑物蓄熱特性的大型供熱機組深度調(diào)峰能力研究[J].汽輪機技術，2014，56（2）：141.

[2]萬杰，唐海峰，邢閣玉，等.高參數(shù)汽輪機高調(diào)門內(nèi)流動失穩(wěn)故障的一種經(jīng)濟性解決方法[J].節(jié)能技術，2015，33（2）：159～164.

[3]于達仁，劉占生，李 強，等.汽輪機配汽設計的優(yōu)化[J].動力工程，2007，27（1）：1～5.

[4]高林，戴義平，王志強，等.大功率汽輪機配汽方式對軸系穩(wěn)定性的影響[J].中國電機工程學報，2009，28（35）：84～89.

[5]田松峰，史志杰，閆麗濤.汽輪機控制系統(tǒng)中閥門重疊度的研究[J].汽輪機技術，2008，50（6）：448～450.

[6]江飛，孫建國，劉錦川，等.國產(chǎn)亞臨界600MW空冷機組單閥-順序閥切換試驗研究[J].節(jié)能技術，2011，29（5）：437～441.

[7]段巖峰，劉金福，于達仁.提高空冷機組效率的閥門管理[J].汽輪機技術，2010，52（5）：342～344.

[8]宋崇明，劉嬌，馬世喜，等.亞臨界330MW供熱機組汽輪機高調(diào)門大幅高頻擺動問題的分析及解決[J].節(jié)能技術，2012，30（6）：527～531.

[9]徐志強，宋英東，范軼，等.國產(chǎn)引進型600MW汽輪機順序閥投運情況調(diào)查及分析[J].汽輪機技術，2008，50（5）：374～377.

[10]關海平，焦曉亮，喬增熙，等.600MW汽輪發(fā)電機組運行狀況的調(diào)研分析[J].節(jié)能技術，2011，29（1）：57～60.

TM621

A

1004-7344（2016）01-0243-02

2015-12-25

王 銳（1983-），男，漢族，四川眉山人，助理工程師，本科，主要從事工作和研究方向為火電發(fā)電廠節(jié)能管理方面。