1 000 MW超超臨界機(jī)組工況定義條件優(yōu)化探討

周正道， 華志剛， 包偉偉， 張曉輝， 李繼宏

(1. 國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司， 北京 100033； 2. 國(guó)家電投集團(tuán)中央研究院， 北京 102209)

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)電力行業(yè)快速發(fā)展，裝機(jī)容量不斷創(chuàng)造歷史新高。近年來，隨著風(fēng)能、光伏等新能源發(fā)電裝機(jī)份額的提升以及我國(guó)經(jīng)濟(jì)增速的下降，電力行業(yè)出現(xiàn)了嚴(yán)重的產(chǎn)能過剩現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2017年底，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量為17.8億kW，同比增長(zhǎng)7.6%，火電設(shè)備全年平均利用時(shí)間為4 209 h[1]。我國(guó)依然處于發(fā)電產(chǎn)能過剩狀態(tài)，大型火電機(jī)組將長(zhǎng)期運(yùn)行在中低負(fù)荷。

目前，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)火電機(jī)組的基本要求仍是四大工況定義要求。四大工況即熱耗率考核工況(THA工況)、銘牌工況(TRL工況)、汽輪機(jī)最大連續(xù)運(yùn)行工況(TMCR工況)及閥門全開工況(VWO工況)。按此要求設(shè)計(jì)，在VWO工況下，機(jī)組進(jìn)汽質(zhì)量流量約是TRL工況進(jìn)汽質(zhì)量流量的1.05倍，約是THA工況進(jìn)汽質(zhì)量流量的1.13倍。該要求導(dǎo)致汽輪機(jī)通流設(shè)計(jì)面積增大，再考慮制造及安裝因素的影響，機(jī)組的實(shí)際通流面積嚴(yán)重偏大。根據(jù)實(shí)際情況，有的660 MW機(jī)組在三閥全開工況下功率可達(dá)到700 MW。在當(dāng)前火電機(jī)組負(fù)荷率不高的情況下，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的熱力循環(huán)參數(shù)嚴(yán)重偏離額定值，其中最主要的表現(xiàn)為主蒸汽壓力及給水溫度的偏離，導(dǎo)致循環(huán)熱效率降低，影響機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性[2-3]。

因此，應(yīng)該根據(jù)電力行業(yè)形勢(shì)變化及火電機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷不斷下降的現(xiàn)狀，對(duì)現(xiàn)行四大工況定義條件及時(shí)優(yōu)化，以適應(yīng)新形勢(shì)下機(jī)組高效運(yùn)行要求。筆者以某新型高效1 000 MW超超臨界濕冷機(jī)組為例，采用熱力系統(tǒng)的分析計(jì)算方法，對(duì)其不同工況定義參數(shù)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行計(jì)算，并論述對(duì)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 機(jī)組概況

該機(jī)組汽輪機(jī)為一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、濕冷、凝汽式汽輪機(jī)，其主要技術(shù)規(guī)范見表1。機(jī)組設(shè)置10級(jí)回?zé)岢槠?，共?個(gè)高壓加熱器(包括0號(hào)高壓加熱器)、1個(gè)除氧器、5個(gè)低壓加熱器，其中3號(hào)高壓加熱器增設(shè)外置蒸汽冷卻器。機(jī)組采用全周進(jìn)汽、節(jié)流調(diào)節(jié)運(yùn)行方式。通流部分采用多級(jí)反動(dòng)式設(shè)計(jì)，高壓部分設(shè)置15個(gè)壓力級(jí)，中壓部分設(shè)置2×12個(gè)壓力級(jí)，低壓部分設(shè)置2×2×5個(gè)壓力級(jí)。末級(jí)葉片采用1 220 mm葉片，排汽面積為11.30 m2。在THA工況下，高、中、低壓缸效率分別為90%、93%、90%。

表1 機(jī)組主要技術(shù)規(guī)范

2 四大工況定義條件

大型凝汽式汽輪機(jī)典型工況是指宏觀上能反映機(jī)組主要熱力性能或?qū)ζ漭o助配套設(shè)備提出相應(yīng)要求的特定工況。根據(jù)火電行業(yè)長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)情況和運(yùn)行效果，行業(yè)內(nèi)大多數(shù)制造廠家及設(shè)計(jì)院對(duì)機(jī)組設(shè)計(jì)基本工況的定義與描述趨于一致，并將其總結(jié)為4個(gè)典型工況，形成了DL/T 892—2004 《電站汽輪機(jī)技術(shù)條件》。

(1) THA工況：蒸汽參數(shù)為額定值，加熱器正常投運(yùn)，無廠用汽，機(jī)組在額定背壓下運(yùn)行，發(fā)出額定功率。

(2) TRL工況：蒸汽參數(shù)為額定值，加熱器正常投運(yùn)，無廠用汽，在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中夏季背壓取11.8 kPa、補(bǔ)水率取3%，機(jī)組發(fā)出額定功率。

(3) TMCR工況：進(jìn)汽量保持和TRL工況相等，運(yùn)行條件不變，背壓降至額定背壓，補(bǔ)水率降至0%。

(4) VWO工況：所有調(diào)節(jié)閥全開，其余條件與THA工況相同[4]。

現(xiàn)行四大工況定義條件是為了充分保證機(jī)組功率。通過將邊界條件放大，提高夏季背壓和補(bǔ)水率，防止機(jī)組設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試等過程中的缺陷影響機(jī)組額定功率，VWO工況進(jìn)汽余量則考慮機(jī)組老化和超發(fā)。

3 主要定義條件對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

3.1 夏季背壓

按現(xiàn)行四大工況定義條件設(shè)計(jì)的機(jī)組夏季背壓往往取值較大，對(duì)于濕冷機(jī)組，標(biāo)準(zhǔn)推薦是11.8 kPa。這是由于早期汽輪機(jī)組設(shè)計(jì)和制造受制于加工能力，往往存在較多缺陷：循環(huán)水泵的不穩(wěn)定性往往會(huì)導(dǎo)致凝汽器冷卻水流量不足或者中斷；水環(huán)真空泵的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致凝汽器真空度下降；凝汽器內(nèi)銅管表面臟污結(jié)垢將使得凝汽器傳熱端差增大、水側(cè)阻力增大，降低了冷卻效果；凝汽器真空系統(tǒng)往往存在漏入空氣，引起真空度異常下降；資料的勘查不足也常常會(huì)導(dǎo)致電廠建設(shè)后凝汽器冷卻水溫度相較設(shè)計(jì)值偏高，影響排汽溫度等[5]。以上情況將會(huì)導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行背壓偏高，特別是在夏季用電高峰時(shí)，如果實(shí)際運(yùn)行背壓高于設(shè)計(jì)背壓，將會(huì)造成機(jī)組不能滿發(fā)。因此，為保證機(jī)組達(dá)到銘牌負(fù)荷，將夏季背壓留有余量，以滿足機(jī)組運(yùn)行需求。

在同樣的機(jī)組功率情況下，夏季背壓的選擇會(huì)影響機(jī)組通流面積。夏季背壓越高，TRL工況時(shí)所需進(jìn)汽量越大，機(jī)組所需通流面積越大。表2為不同夏季背壓對(duì)機(jī)組THA工況下熱力參數(shù)的影響。

表2 不同夏季背壓下機(jī)組的熱力參數(shù)

由表2可知：夏季背壓越高，則對(duì)應(yīng)的THA工況的機(jī)組熱耗率越高。與夏季背壓為11.8 kPa相比，9.0 kPa時(shí)對(duì)應(yīng)的THA工況機(jī)組熱耗率降低了5.3 kJ/(kW·h)。這是由于工況定義條件中夏季背壓會(huì)影響機(jī)組通流面積，從而影響在額定負(fù)荷下的主蒸汽壓力。與11.8 kPa相比，9.0 kPa時(shí)對(duì)應(yīng)的主蒸汽壓力提高了約0.5 MPa。主蒸汽壓力升高，相當(dāng)于提高熱力循環(huán)初參數(shù)，熱效率隨之提高，機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性提高。

3.2 補(bǔ)水率

按現(xiàn)行四大工況定義條件設(shè)計(jì)的機(jī)組補(bǔ)水率取3%，甚至更高，這是因?yàn)殡姀S現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中經(jīng)常存在管理不佳或者閥門等配套設(shè)備有質(zhì)量問題等。汽輪機(jī)及鍋爐側(cè)外排管道及閥門往往不嚴(yán)密，存在較大的汽水損耗，為維持電廠正常運(yùn)行的汽水平衡，需要補(bǔ)充大量水[6]。目前，隨著汽輪機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的不斷進(jìn)步、配套閥門質(zhì)量的不斷提升、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理能力的不斷完善、智慧化電廠建設(shè)配套監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的普及應(yīng)用，使得當(dāng)前機(jī)組熱力系統(tǒng)的嚴(yán)密性明顯提升，較大程度上避免了非正常因素帶來的機(jī)組流量泄漏。

補(bǔ)水率越大，TRL工況所需進(jìn)汽量越大，機(jī)組所需通流面積越大。表3為不同補(bǔ)水率對(duì)機(jī)組THA工況下熱力參數(shù)的影響。

表3 不同補(bǔ)水率時(shí)機(jī)組的熱力參數(shù)

由表3可知：補(bǔ)水率越高，則對(duì)應(yīng)的THA工況的機(jī)組熱耗越高。與補(bǔ)水率為5%相比，1%時(shí)對(duì)應(yīng)的機(jī)組熱耗率降低了約3 kJ/(kW·h)。這是因?yàn)檠a(bǔ)水率會(huì)影響機(jī)組進(jìn)汽量，從而影響機(jī)組通流面積，進(jìn)而影響在額定負(fù)荷下的主蒸汽壓力。隨著補(bǔ)水率的降低，機(jī)組通流面積減小，THA工況下對(duì)應(yīng)的主汽蒸壓力提高，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性隨之提高。

3.3 VWO工況進(jìn)汽余量

按現(xiàn)行四大工況定義條件設(shè)計(jì)的機(jī)組VWO工況進(jìn)汽質(zhì)量流量比TRL工況大5%，該余量主要考慮機(jī)組老化、設(shè)計(jì)制造誤差等因素同時(shí)存在時(shí)的功率下降，余量越大意味著機(jī)組通流能力越大[7-8]。隨著機(jī)組制造工藝日趨完善，加工和安裝精度越來越高，電廠現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)的消缺能力不斷提升。大量的工程案例及實(shí)踐證明，VWO工況進(jìn)汽余量可以取得更小一些。

在VWO工況下閥門全開，主蒸汽壓力達(dá)到額定值，這意味著其進(jìn)汽余量越大，進(jìn)汽量越大，同樣會(huì)導(dǎo)致機(jī)組所需通流面積越大。表4為不同進(jìn)汽余量對(duì)機(jī)組熱力參數(shù)的影響。

表4 不同進(jìn)汽余量時(shí)機(jī)組的熱力參數(shù)

由表4可知：VWO工況進(jìn)汽余量越小，對(duì)應(yīng)的THA工況的機(jī)組熱耗率越低。與進(jìn)汽余量為5%相比，1%時(shí)對(duì)應(yīng)THA工況機(jī)組熱耗率降低了10.3 kJ/(kW·h)，主蒸汽壓力升高了0.888 MPa。這是由于進(jìn)汽余量減小，對(duì)應(yīng)的機(jī)組通流面積減小，THA工況下的主蒸汽壓力提高，循環(huán)熱效率隨之提高。

3.4 汽輪機(jī)最經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)

在汽輪機(jī)設(shè)計(jì)中，如何選擇最經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)十分重要，現(xiàn)行四大工況定義條件汽輪機(jī)最經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)往往選擇THA工況。對(duì)于新設(shè)計(jì)火電機(jī)組，在保證銘牌功率的條件下，不建議繼續(xù)選取THA工況作為汽輪機(jī)最經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)。

最經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)的選擇取決于機(jī)組末級(jí)葉片長(zhǎng)度。在設(shè)計(jì)上，根據(jù)所選取的最經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)，選取合適長(zhǎng)度的末級(jí)葉片，使該負(fù)荷下汽輪機(jī)的排汽余速損失達(dá)到相對(duì)最佳。機(jī)組最佳經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)在較高負(fù)荷時(shí)選取長(zhǎng)葉片較為合適，反之則選取較短葉片[8]。

該機(jī)組低壓缸排汽質(zhì)量流量為1 488.59 t/h，單邊排汽體積流量為2 746.53 m3/s。在該排汽體積流量等級(jí)汽輪機(jī)中，長(zhǎng)度合適的末級(jí)葉片主要有1 525 mm、1 220 mm和1 100 mm這3種末級(jí)葉片，對(duì)應(yīng)的最經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)分別為THA工況、90%THA工況和80%THA工況。表5為在不同負(fù)荷下3種末級(jí)葉片對(duì)應(yīng)的排汽余速損失和機(jī)組熱耗率。

表5 不同末級(jí)葉片熱力參數(shù)

由表5可知：在THA工況下，1 535 mm末級(jí)葉片的排汽余速損失最低，1 100 mm末級(jí)葉片最高，1 220 mm末級(jí)葉片居中。與1 100 mm末級(jí)葉片相比，在THA工況下，1 535 mm末級(jí)葉片排汽余速損失低了14.5 kJ/kg、熱耗率低了43.4 kJ/(kW·h)；在75% THA工況下，這3種末級(jí)葉片的排汽余速損失及機(jī)組熱耗率已非常接近，1 535 mm末級(jí)葉片已經(jīng)不具有優(yōu)勢(shì)；在50% THA工況下，1 535 mm末級(jí)葉片的排汽余速損失已經(jīng)遠(yuǎn)高于1 220 mm及1 100 mm末級(jí)葉片。

按照THA工況、75%THA工況、50%THA工況的熱耗率權(quán)重分別為10%、50%、40%計(jì)算得到：1 100 mm、1 220 mm、1 535 mm末級(jí)葉片的加權(quán)熱耗率分別為7 350.8 kJ/(kW·h)、7 354.4 kJ/(kW·h)、7 363.6 kJ/(kW·h)。采用1 100 mm末級(jí)葉片方案經(jīng)濟(jì)性最好。

目前，市場(chǎng)上常見的1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)一般選用1 200 mm左右的末級(jí)葉片，該長(zhǎng)度等級(jí)末級(jí)葉片對(duì)應(yīng)的汽輪機(jī)最經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)在90%THA工況附近，因此機(jī)組在75%～100%THA工況運(yùn)行有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。隨著火電機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷區(qū)間的逐步下移，50%～75%THA工況占比逐漸增大，繼續(xù)選用該長(zhǎng)度等級(jí)的末級(jí)葉片已不合理。綜上所述，在低負(fù)荷區(qū)間，選用1 100 mm末級(jí)葉片的經(jīng)濟(jì)性更好，更能使機(jī)組適應(yīng)在低負(fù)荷內(nèi)長(zhǎng)期運(yùn)行。

4 工況定義條件的優(yōu)化及分析

4.1 優(yōu)化措施

1 000 MW超超臨界濕冷機(jī)組普遍采用四大工況定義條件設(shè)計(jì)，其定義條件一般為：夏季背壓取11.8 kPa、補(bǔ)水率取3%、VWO工況進(jìn)汽余量取5%時(shí)，汽輪機(jī)最經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)為90%THA工況。由于現(xiàn)行定義條件已經(jīng)不能較好地適應(yīng)目前電力行業(yè)的形勢(shì)，有必要對(duì)現(xiàn)行定義條件中的夏季背壓、補(bǔ)水率、VWO工況進(jìn)汽余量等參數(shù)進(jìn)行修改優(yōu)化，以保證機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

具體優(yōu)化措施為：夏季背壓可優(yōu)化至9 kPa、補(bǔ)水率可優(yōu)化至1%、進(jìn)汽余量可優(yōu)化至1%，并將最汽輪機(jī)最經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)進(jìn)一步下調(diào)至80% THA工況，末級(jí)葉片可采用1 100 mm長(zhǎng)度等級(jí)的葉片[9-10]。

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

按照優(yōu)化后的工況定義條件，對(duì)1 000 MW超超臨界機(jī)組進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，圖1為采用優(yōu)化后工況定義條件與原設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。

圖1 工況定義條件優(yōu)化前后經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

由圖1可知：在THA工況，優(yōu)化后機(jī)組熱耗率較原設(shè)計(jì)高4.1 kJ/(kW·h)；在75% THA工況，優(yōu)化后機(jī)組熱耗率較原設(shè)計(jì)低19.6 kJ/(kW·h)；在50% THA工況，優(yōu)化后機(jī)組熱耗率較原設(shè)計(jì)低36.5 kJ/(kW·h)。經(jīng)過加權(quán)計(jì)算，優(yōu)化后機(jī)組熱耗率較原設(shè)計(jì)低24 kJ/(kW·h)。按照鍋爐效率為95%、管道效率為99%計(jì)算，發(fā)電煤耗降低了約0.87 g/(kW·h)，按照年利用時(shí)間為6 000 h、標(biāo)煤價(jià)格為800 元/t計(jì)算，每年約節(jié)約燃料成本418萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5 結(jié)語

筆者以某新型高效1 000 MW超超臨界濕冷機(jī)組的設(shè)計(jì)為例，對(duì)火電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中涉及到的夏季背壓、補(bǔ)水率、VWO工況進(jìn)汽余量等四大工況定義條件對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響全面地進(jìn)行了論述和分析。結(jié)果表明，通過合理優(yōu)化以上工況定義條件，可使機(jī)組在整個(gè)負(fù)荷區(qū)間段內(nèi)加權(quán)熱耗率下降24 kJ/(kW·h)，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性更

好。因此，現(xiàn)行汽輪機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)電力行業(yè)形勢(shì)的變化，及時(shí)修改更新，這對(duì)提高整個(gè)火電行業(yè)的能效水平具有重要意義。