抽汽背壓式汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)投運(yùn)方式對其運(yùn)行影響的研究

藺奕存，伍 剛，張明理，高景輝，閆文辰，付志龍，呂吉明，鄧順懷

(1.西安熱工研究院有限公司，西安 710054；2.華能秦煤瑞金發(fā)電有限責(zé)任公司，江西贛州 341000)

隨著燃煤機(jī)組裝機(jī)容量的提升，提高機(jī)組蒸汽參數(shù)是提升發(fā)電效率的最有效途徑，但是蒸汽參數(shù)提高后，給回?zé)嵯到y(tǒng)造成的不可逆損失也會提高[1-5]。在此背景下，關(guān)于雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的研究越來越多。與單機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)相比，雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)不僅可以減少汽輪機(jī)通流部分抽汽數(shù)、提高效率，而且可以降低抽汽的過熱度，提高能級利用率[6]。在雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)中，采用抽汽背壓式汽輪機(jī)(BEST)作為主設(shè)備，其承擔(dān)驅(qū)動給水泵及給回?zé)嵯到y(tǒng)提供抽汽這兩大功能[7]。在實際工程應(yīng)用中，通過增設(shè)電機(jī)組平衡BEST驅(qū)動給水泵的過剩功率，并且將這部分功率輸送至廠用電，降低了廠用電率，可以有效降低機(jī)組熱耗，使熱經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最佳[8-9]。

雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)使機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)變得復(fù)雜，但是BEST回?zé)嵯到y(tǒng)的優(yōu)化，會對機(jī)組運(yùn)行的可靠性及經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生顯著的影響[10]。回?zé)嵯到y(tǒng)利用汽輪機(jī)抽汽加熱鍋爐給水和凝結(jié)水，可提高電廠熱效率，節(jié)省燃料，并有助于機(jī)組安全運(yùn)行[11]。在機(jī)組實際運(yùn)行中，BEST回?zé)嵯到y(tǒng)的投運(yùn)方式會對BEST回?zé)嵯到y(tǒng)的正常運(yùn)行及機(jī)組經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生較大的影響。

因此，筆者主要針對2種BEST回?zé)嵯到y(tǒng)投運(yùn)方式進(jìn)行對比分析，探討B(tài)EST回?zé)嵯到y(tǒng)投運(yùn)方式對機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行的影響，并且提出相應(yīng)的建議，為類似機(jī)組BEST回?zé)嵯到y(tǒng)的投運(yùn)提供參考。

1 系統(tǒng)概況

某電廠主汽輪機(jī)型號為N1000-31/605/622/620，采用超超臨界、二次中間再熱、五缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)?；?zé)嵯到y(tǒng)為主汽輪機(jī)與BEST共同構(gòu)成的雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)，共有12級非調(diào)整抽汽。BEST型號為B57-12.26/0.8/448.9，采用單缸、單流、反動式、全周進(jìn)汽、背壓式汽輪機(jī)，其運(yùn)行方式為變參數(shù)、變功率、變轉(zhuǎn)速。BEST有5級抽汽(對應(yīng)機(jī)組的2～6級抽汽)，分別供給2號、3號、4號、5號高壓加熱器(簡稱高加)和除氧器。BEST的排汽可供至7號低壓加熱器(簡稱低加)、溢流至8號低加或排至凝汽器。高加疏水逐級自流至除氧器，7號低加疏水自流至8號低加。機(jī)組正常運(yùn)行時，BEST進(jìn)汽來自一次低溫再熱蒸汽。BEST回?zé)嵯到y(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 BEST及其回?zé)嵯到y(tǒng)示意圖

BEST轉(zhuǎn)速可在給水泵汽輪機(jī)數(shù)字式電液控制系統(tǒng)(MEH)主控或變流器主控2種模式下進(jìn)行控制，并且2種主控模式可以進(jìn)行切換。MEH主控是通過調(diào)節(jié)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；變流器主控是通過改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩從而對軸系轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。變流器主控方式下，BEST進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥全開，避免了節(jié)流損失，提高了經(jīng)濟(jì)性[9]。

通過控制背壓從而對BEST的功率進(jìn)行控制，當(dāng)電機(jī)組功率超限時，BEST的主控方式將由變流器主控切換為MEH主控。BEST背壓在額定背壓(0.8 MPa)時，BEST剩余功率及電機(jī)組最大功率曲線見圖2。

圖2 BEST剩余功率及電機(jī)組最大功率曲線

2 BEST回?zé)嵯到y(tǒng)投運(yùn)方式

2.1 加熱器隨機(jī)投運(yùn)

常規(guī)汽輪發(fā)電機(jī)組通常在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、定速及并網(wǎng)過程中，根據(jù)鍋爐給水溫度要求，率先投運(yùn)與主汽輪機(jī)本體抽汽無關(guān)的加熱器，然后根據(jù)抽汽參數(shù)隨機(jī)投運(yùn)與主汽輪機(jī)抽汽相連接的高加及低加。

在該機(jī)組整套啟動過程中，隨著鍋爐點火及升溫升壓，先投運(yùn)1號高加提高鍋爐給水溫度，此時由輔助蒸汽加熱除氧器給水。隨著BEST進(jìn)汽汽源切換至一次低溫再熱蒸汽，投運(yùn)7號低加暖管并逐漸關(guān)閉排汽旁路。機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷后，隨機(jī)投運(yùn)2號至5號高加、8號至10號低加及除氧器，各級疏水在投運(yùn)初期先排至凝汽器，加熱器全部投運(yùn)后根據(jù)壓差將疏水管路逐漸切換至正常疏水。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷達(dá)到300 MW時，高加和低加全部投運(yùn)正常運(yùn)行，各級疏水均已切換至正常疏水。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷達(dá)到360 MW時，電機(jī)組功率達(dá)到14.8 MW(當(dāng)前工況下額定負(fù)荷為14.7 MW)超限，BEST控制模式由變流器主控切換至MEH主控。為了控制BEST功率，進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度減小。不同負(fù)荷下BEST各級抽汽的壓力和溫度見表1(一冷為一次再熱蒸汽冷段管道抽汽，2～8抽為2～8級抽汽)，BEST回?zé)嵯到y(tǒng)相關(guān)參數(shù)見表2。

表1 加熱器隨機(jī)投運(yùn)時不同負(fù)荷下BEST各級抽汽的壓力和溫度

表2 加熱器隨機(jī)投運(yùn)時BEST回?zé)嵯到y(tǒng)相關(guān)參數(shù)

2.2 先投運(yùn)低加后投運(yùn)高加

在某次啟動過程中對BEST回?zé)嵯到y(tǒng)投運(yùn)方式進(jìn)行了調(diào)整。首先投運(yùn)與BEST相連的低加，然后按照抽汽壓力等級由低到高投運(yùn)高加。與加熱器隨機(jī)投運(yùn)相同的是，在鍋爐升溫升壓的過程中投運(yùn)1號高加，除氧器的給水加熱由輔助蒸汽供給。主汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)定速后，將BEST進(jìn)汽汽源切換至一次低溫再熱蒸汽，并且及時按次序投運(yùn)8號、7號低加暖管。等到8號低加水側(cè)溫度升高后，逐漸投運(yùn)8號低加。等到7號低加水側(cè)溫度升高后，逐漸關(guān)閉BEST排汽旁路，投運(yùn)7號低加，并投運(yùn)6級抽汽至除氧器暖管。7號低加壓力建立后，及時將疏水切換至正常疏水至8號低加，以避免危急疏水影響B(tài)EST背壓的建立。機(jī)組并網(wǎng)后，隨著機(jī)組負(fù)荷的上升，逐漸將除氧器的給水加熱由輔助蒸汽切換至6級抽汽，再依次投運(yùn)5號、4號、3號高加，以及2號高加暖管。暖管結(jié)束后按照壓力等級由低到高投運(yùn)高加，并且根據(jù)各加熱器之間的壓差，將加熱器疏水切換至正常疏水。投運(yùn)加熱器的原則是加熱器水側(cè)溫度升高后，逐漸開大抽汽電動閥，直至抽汽電動閥完全打開，抽汽電動閥的開啟以BEST背壓穩(wěn)定為前提。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷為400 MW時，BEST回?zé)嵯到y(tǒng)全部投運(yùn)，各級疏水逐級自流。與加熱器隨機(jī)投運(yùn)方式相比，在先投運(yùn)低加后投運(yùn)高加的過程中，BEST進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥始終保持全開，變流器未出現(xiàn)過負(fù)荷保護(hù)動作，但是該方式需要更長的時間。先投運(yùn)低加后投運(yùn)高加時，不同負(fù)荷下BEST各級抽汽的壓力及溫度見表3，BEST回?zé)嵯到y(tǒng)相關(guān)參數(shù)見表4。

表3 先投運(yùn)低加后投運(yùn)高加時不同負(fù)荷下BEST各級抽汽的壓力及溫度

表4 先投運(yùn)低加后投運(yùn)高加時BEST回?zé)嵯到y(tǒng)相關(guān)參數(shù)

3 對比與分析

針對2種投運(yùn)方式對BEST回?zé)嵯到y(tǒng)及電機(jī)組產(chǎn)生的影響進(jìn)行綜合對比分析。

3.1 BEST背壓

BEST回?zé)嵯到y(tǒng)投運(yùn)過程中，不同負(fù)荷下進(jìn)汽壓力與背壓的變化見圖3。BEST進(jìn)汽壓力在各負(fù)荷段均與設(shè)計進(jìn)汽壓力基本保持一致，并且在2種投運(yùn)方式下，BEST進(jìn)汽壓力參數(shù)幾乎相同，但BEST背壓卻與設(shè)計背壓有較大的偏差。

圖3 2種投運(yùn)方式下BEST進(jìn)汽壓力與背壓的變化

根據(jù)投運(yùn)過程中機(jī)組運(yùn)行工況的變化可知：采取加熱器隨機(jī)投運(yùn)方式時，機(jī)組負(fù)荷為360 MW情況下，BEST由于電機(jī)組過負(fù)荷保護(hù)導(dǎo)致BEST運(yùn)行控制模式切換為MEH主控模式，進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥對BEST轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)造成節(jié)流損失；隨著機(jī)組負(fù)荷的升高，進(jìn)而導(dǎo)致BEST實際背壓與設(shè)計背壓有較大的差距。機(jī)組負(fù)荷為300 MW時BEST背壓為0.08 MPa，此時BEST回?zé)嵯到y(tǒng)已完全投運(yùn)。在機(jī)組負(fù)荷為500～700 MW的升負(fù)荷過程中，BEST背壓由0.17 MPa增加至0.45 MPa，增加了0.28 MPa。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷達(dá)到1 000 MW時，背壓最終達(dá)到0.59 MPa，但是仍與設(shè)計背壓相差0.21 MPa。

采用先投運(yùn)低加后投運(yùn)高加方式，在機(jī)組負(fù)荷為400 MW時，BEST回?zé)嵯到y(tǒng)完全投運(yùn)，此時BEST背壓為0.38 MPa。在機(jī)組負(fù)荷增加至500 MW的過程中，BEST背壓由0.38 MPa增加至0.66 MPa，增加了0.28 MPa。當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷時，BEST背壓達(dá)到了0.85 MPa。

由于BEST排汽與回?zé)嵯到y(tǒng)中的7號低加相連，與常規(guī)背壓式汽輪機(jī)相比，BEST背壓不穩(wěn)定因素較多，運(yùn)行中背壓波動范圍比常規(guī)背壓式汽輪機(jī)要大，并且受凝結(jié)水量、凝結(jié)水溫度的影響更頻繁[7，12]。BEST背壓的變化會引起功率的變化[13]。當(dāng)進(jìn)汽參數(shù)相同時，排汽參數(shù)越低，BEST背壓越低，功率越大，導(dǎo)致驅(qū)動給水泵后的剩余功率增大，造成電機(jī)組功率超限。

采取加熱器隨機(jī)投運(yùn)時，電機(jī)組功率超限說明BEST在驅(qū)動給水泵后的剩余功率大于設(shè)計功率。對于BEST而言，其功率與熱用戶的熱負(fù)荷密切相關(guān)，BEST的背壓則直接反映了熱負(fù)荷的大小。BEST背壓越高，說明熱用戶的熱負(fù)荷較低，BEST功率降低。在BEST回?zé)嵯到y(tǒng)中，與其相關(guān)的加熱器為2號至5號高加、除氧器、7號至8號低加。BEST回?zé)嵯到y(tǒng)中各加熱器熱負(fù)荷的變化直接影響了BEST的功率。BEST回?zé)嵯到y(tǒng)工況的變化對機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性存在較大的影響[14-19]。因此，進(jìn)一步對2種投運(yùn)方式下機(jī)組運(yùn)行過程中BEST回?zé)嵯到y(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行對比分析。

3.2 BEST回?zé)嵯到y(tǒng)參數(shù)

加熱器隨機(jī)投運(yùn)時及加熱器的出口水溫及抽汽壓力見圖4。

圖4 加熱器隨機(jī)投運(yùn)時加熱器的出口水溫及抽汽壓力

由圖4(a)可得：加熱器隨機(jī)投運(yùn)時，在各負(fù)荷段，各加熱器出口水溫均與設(shè)計溫度有一定的差距。機(jī)組負(fù)荷為300 MW時，BEST在變流器主控下進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥全開。負(fù)荷一定時，BEST進(jìn)汽壓力不變，總進(jìn)汽量不變。此時，給水溫度較低，各級高加所需熱量增加，大量抽汽用于加熱各高加給水。

由圖4(b)可得：加熱器隨機(jī)投運(yùn)導(dǎo)致各級抽汽壓力均與設(shè)計壓力有較大差距，進(jìn)而造成BEST背壓降低。此外，由于7號低加進(jìn)口水溫較低，BEST排汽大量用于加熱凝結(jié)水，進(jìn)一步導(dǎo)致背壓降低。

在機(jī)組負(fù)荷的提升過程中，凝結(jié)水及給水流量增加，為維持加熱器的溫升，各加熱器的抽汽量增加，造成BEST無法正常建立背壓；同時，BEST功率也逐漸增大。當(dāng)剩余功率超過當(dāng)前工況電機(jī)組額定功率時，造成電機(jī)組功率超限，BEST控制方式由變流器主控方式切換至MEH主控，通過進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥控制BEST轉(zhuǎn)速。機(jī)組負(fù)荷為360 MW時，由于電機(jī)組功率超限，BEST控制方式切為MEH主控。進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥節(jié)流使各級抽汽壓力及背壓進(jìn)一步降低，造成加熱器無法正常加熱給水和凝結(jié)水。該現(xiàn)象導(dǎo)致了BEST回?zé)嵯到y(tǒng)出現(xiàn)惡性循環(huán)，當(dāng)機(jī)組達(dá)到滿負(fù)荷時，各加熱器抽汽壓力和出口水溫仍與設(shè)計值有明顯的差距。

此外，機(jī)組在高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時，通過關(guān)小BEST排汽至7號低加的抽汽電動閥，雖然BEST背壓得到一定程度的提升，同時電機(jī)組功率受到抑制，但7號低加凝結(jié)水側(cè)溫升出現(xiàn)了相應(yīng)的下降。無論怎樣對BEST回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，都無法使BEST背壓、凝結(jié)水溫度及給水溫度等參數(shù)接近設(shè)計值。

先投運(yùn)低加后投運(yùn)高加時加熱器的出口水溫及抽汽壓力見圖5。

圖5 先投運(yùn)低加后投運(yùn)高加時加熱器的出口水溫及抽汽壓力

機(jī)組負(fù)荷為300 MW時，8號低加在主汽輪機(jī)定速后立即投運(yùn)，8號低加出口凝結(jié)水溫度與設(shè)計溫度基本一致(見圖5(a))。因此，在投運(yùn)7號低加時，7號低加出口實際凝結(jié)水溫度與設(shè)計溫度的偏差較小，進(jìn)入除氧器的給水溫度明顯提升。此時，至除氧器的6級抽汽的閥門已全開。因此，除氧器水溫也有明顯的提升，給水初溫提升。但是，此時機(jī)組負(fù)荷偏低，主蒸汽參數(shù)偏低，導(dǎo)致7號低加出口水溫和除氧器水溫與設(shè)計溫度相比，仍有較大的差距。機(jī)組負(fù)荷為300 MW時，2號至5號高加尚未投運(yùn)，因此各加熱器出口水溫與設(shè)計溫度具有較大的偏差。7號低加進(jìn)口水溫的提升，使BEST建立起一定的排汽背壓。

隨著機(jī)組負(fù)荷的提升，BEST進(jìn)汽參數(shù)提升，除氧器水溫及7號低加出口凝結(jié)水溫度隨之升高。按照壓力等級由低到高的方式投運(yùn)5號至2號高加，5號至2號高加出口水溫顯著提升。凝結(jié)水溫度及給水初溫的提升，使得BEST背壓提高。當(dāng)BEST回?zé)嵯到y(tǒng)投運(yùn)正常后，隨著負(fù)荷的提升，各加熱器抽汽壓力及出口水溫逐漸接近設(shè)計值。尤其是加熱器出口水溫在機(jī)組滿負(fù)荷時達(dá)到設(shè)計值。同時，在機(jī)組升負(fù)荷過程中，BEST轉(zhuǎn)速均由變流器主控，未出現(xiàn)電機(jī)組功率超限的情況。

4 經(jīng)濟(jì)效益

BEST回?zé)嵯到y(tǒng)是整個電廠熱力系統(tǒng)中至關(guān)緊要的環(huán)節(jié)，高加是其中的重要組成部分，它對鍋爐、汽輪機(jī)的效率有著非常大的影響，充分利用高加加熱給水是提高熱效率和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。在機(jī)組負(fù)荷為1 000 MW時，加熱器隨機(jī)投運(yùn)方式下給水溫度為310.76 ℃，先投運(yùn)低加后投運(yùn)高加方式下給水溫度為325.37 ℃。采用先投運(yùn)低加后投運(yùn)高加方式，給水溫度更接近設(shè)計溫度。

給水溫度增加1 K，機(jī)組供電煤耗率大約降低0.071 g/(kW·h)[20]。在2種投運(yùn)方式下，機(jī)組負(fù)荷為1 000 MW時，與加熱器隨機(jī)投運(yùn)方式相比，采用先投運(yùn)低加后投運(yùn)高加方式，供電煤耗率可降低1.036 6 g/(kW·h)。

5 結(jié)語

通過對比目前2種BEST回?zé)嵯到y(tǒng)投運(yùn)方式，得出采用先投運(yùn)低加后投運(yùn)高加的方式，可以有效提高凝結(jié)水溫度和BEST背壓，避免了電機(jī)組功率超限的發(fā)生，保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

此外，針對BEST回?zé)嵯到y(tǒng)的投運(yùn)提出以下建議：(1)在機(jī)組低負(fù)荷階段，盡可能提高主蒸汽參數(shù)，不僅有利于BEST回?zé)嵯到y(tǒng)中低加的投運(yùn)，并且盡早提高凝結(jié)水溫度及給水初溫，還有利于機(jī)組冷態(tài)啟動時BEST的暖機(jī)；(2)在投運(yùn)抽汽壓力等級較高的高加時，以該級高加水側(cè)溫度緩慢上升且BEST背壓不大幅波動為原則，緩慢投運(yùn)高加。