薛永鋒,楊尚文
(1.東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006;2.莊河發(fā)電有限責(zé)任公司,遼寧 大連 116431)
近年來隨著用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)的變化,電網(wǎng)負(fù)荷晝夜峰谷差越來越大。超臨界600 MW機(jī)組不僅承擔(dān)基本負(fù)荷,而且更多承擔(dān)中間負(fù)荷來參與電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行。如汽輪機(jī)長期偏離設(shè)計(jì)工況,將導(dǎo)致熱經(jīng)濟(jì)性大為降低。在調(diào)峰中采用哪種運(yùn)行方式更為安全、經(jīng)濟(jì)、合理是研究的重點(diǎn)問題。
一般情況下機(jī)組會(huì)采用汽輪機(jī)制造廠家提供的設(shè)計(jì)定、滑壓曲線運(yùn)行。而設(shè)計(jì)滑壓曲線是在所有特性都必須準(zhǔn)確、且熱力系統(tǒng)沒有變化、額定環(huán)境條件下得到。事實(shí)上大多數(shù)汽輪機(jī)組都不在設(shè)計(jì)的熱力系統(tǒng)、設(shè)計(jì)環(huán)境條件下運(yùn)行,滑壓曲線作為最佳效率曲線,設(shè)備、參數(shù)、系統(tǒng)、環(huán)境條件的任何偏差均會(huì)造成最佳效率點(diǎn)的偏離。一成不變地使用理論滑壓曲線將會(huì)給機(jī)組造成能耗損失,降低機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。熱力性能試驗(yàn)是尋求最佳運(yùn)行方式最直接且行之有效的辦法。本文以某國產(chǎn)超臨界600 MW機(jī)組為例通過試驗(yàn)方法確定機(jī)組的最佳滑壓運(yùn)行方式。
生產(chǎn)廠家:哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司
型號(hào):CLN600-24.2/566/566
型式:超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、凝汽式
額定功率:600 MW
最大功率:669.66 MW
額定主蒸汽流量:1 661.59 t/h
主蒸汽壓力/溫度:24.2 MPa/566℃
再熱蒸汽壓力/溫度:3.832 MPa/566℃
汽輪機(jī)背壓:4.6 kPa
鍋爐給水溫度:275.3℃
加熱器數(shù):3GJ+1CY+4DJ
額定負(fù)荷機(jī)組熱耗率:7 522.4 kJ/kW·h
各調(diào)節(jié)閥在額定的主蒸汽壓力下按給定的順序開啟或關(guān)閉,由于是主蒸汽保持額定參數(shù),循環(huán)熱效率不受負(fù)荷變化的影響;但部分負(fù)荷時(shí)調(diào)汽門節(jié)流損失較大。此外,定壓運(yùn)行機(jī)組在變工況下各級速比將偏離設(shè)計(jì)最佳值,從而影響高壓缸的相對內(nèi)效率。
所有高壓調(diào)節(jié)閥在整個(gè)負(fù)荷變化范圍內(nèi)保持全開,通過改變鍋爐壓力調(diào)整負(fù)荷。該運(yùn)行方式無任何節(jié)流損失,可以獲得最佳高壓缸效率。但負(fù)荷響應(yīng)慢,無法滿足電網(wǎng)快速調(diào)峰的要求。
部分調(diào)節(jié)閥全開滑壓運(yùn)行分為2閥全開和3閥全開2種 (2個(gè)或3個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥全部開啟,其余調(diào)節(jié)閥不開)。該運(yùn)行方式與純滑壓運(yùn)行方式相比,同樣是通過改變鍋爐壓力調(diào)整負(fù)荷,節(jié)流損失減少。但因高壓缸效率略低,同樣負(fù)荷下主蒸汽壓力更高,所以機(jī)組循環(huán)效率更高。
閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行分為2閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行和3閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行2種。由于調(diào)節(jié)閥重疊度的存在,將前一個(gè)調(diào)節(jié)閥開啟到一定程度,下一個(gè)調(diào)節(jié)閥即將開啟的閥位狀態(tài)稱為閥點(diǎn)。2閥點(diǎn)為1、2號(hào)調(diào)節(jié)閥部分開啟、3號(hào)調(diào)節(jié)閥即將開啟的狀態(tài);3閥點(diǎn)為1號(hào)、2號(hào)調(diào)節(jié)閥已完全開啟、3號(hào)調(diào)節(jié)閥部分開啟、4號(hào)調(diào)節(jié)閥即將開啟的狀態(tài)。
目前較為經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式為復(fù)合滑壓運(yùn)行。在高負(fù)荷區(qū)采用定壓運(yùn)行、在中間負(fù)荷區(qū)采用滑壓運(yùn)行、在低負(fù)荷區(qū)采用較低主蒸汽壓力水平下的定壓運(yùn)行方式。
理論上定、滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性可從熱耗率基本計(jì)算公式出發(fā),分析引起定、滑壓運(yùn)行熱耗率變化的因素。
a. 滑壓時(shí)由于初焓增加引起鍋爐給水吸熱量的增加,從而導(dǎo)致熱耗率的相對增加;
b. 滑壓時(shí)由于高壓缸排汽焓增加引起再熱蒸汽吸熱量減少,導(dǎo)致熱耗率的降低;
c. 滑壓時(shí)由于高壓缸初焓和排汽焓的變化引起高壓缸有效焓降和汽輪機(jī)功率的增減,導(dǎo)致熱耗率的相對變化;
d. 給水泵耗功的降低引起熱耗率的減少。
采用滑壓運(yùn)行與定壓運(yùn)行相比熱耗率增加或降低取決以上4項(xiàng)的代數(shù)和。
但除了上述4項(xiàng)影響因素外,對實(shí)際運(yùn)行的機(jī)組還要考慮滑壓運(yùn)行時(shí)參數(shù)的保持、給水泵組實(shí)際效率的變化及滑壓運(yùn)行時(shí)主蒸汽流量的實(shí)際變化。這些因素在理論計(jì)算上很難考慮,因此滑壓運(yùn)行時(shí)主蒸汽壓力的選擇、閥位確定和滑壓運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)來確定。
高壓缸效率試驗(yàn)結(jié)果見表1。
由表1可知,相同負(fù)荷下滑壓運(yùn)行的高壓缸效率高于定壓運(yùn)行;在同一種運(yùn)行方式下高壓缸效率隨著負(fù)荷降低而降低;在負(fù)荷大于500 MW時(shí)3閥全開滑壓運(yùn)行的高壓缸效率高于3閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行,在負(fù)荷低于500 MW時(shí)2閥全開滑壓運(yùn)行的高壓缸效率與設(shè)計(jì)順序閥滑壓運(yùn)行高壓缸效率相差不大;在負(fù)荷為500 MW和450 MW時(shí),3閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行的高壓缸效率高于2閥全開滑壓運(yùn)行。
在600 MW機(jī)組中給水泵耗功約占主機(jī)功率的2.8%。本機(jī)組配備2臺(tái)汽動(dòng)給水泵。在低于額定負(fù)荷滑壓時(shí),由于主蒸汽壓力的降低,給水泵所克服的阻力和給水泵的揚(yáng)程降低使給水泵的耗功比定壓時(shí)降低很多。表2為小汽機(jī)用汽量的試驗(yàn)結(jié)果。
小汽機(jī)的用汽量和主蒸汽壓力高低有關(guān),主蒸汽壓力越低,給水泵所克服的阻力越小,給水泵的揚(yáng)程越低,小汽機(jī)的用汽量越少。在450 MW負(fù)荷以上時(shí),3閥全開滑壓運(yùn)行方式下小汽機(jī)用汽量最少,3閥點(diǎn)滑壓和3閥全開滑壓小汽機(jī)用汽量相差不大;450 MW負(fù)荷以下時(shí)2閥全開滑壓比順序閥滑壓小汽機(jī)用汽量略多。
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,不同運(yùn)行方式下高壓缸排汽溫度比較見表3。
表1 不同運(yùn)行方式下不同負(fù)荷時(shí)高壓缸效率 %
表2 不同運(yùn)行方式下不同負(fù)荷時(shí)小汽機(jī)用汽量 t/h
表3 不同運(yùn)行方式下不同負(fù)荷時(shí)高壓缸排汽溫度 ℃
由表3可知,定壓運(yùn)行方式下在負(fù)荷降低時(shí),高壓缸排汽溫度也降低,滑壓運(yùn)行方式下在負(fù)荷降低時(shí)高壓缸排汽溫度升高。在550 MW、530 MW、500 MW和450 MW時(shí),采用3閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行的高壓缸排汽溫度較順序閥定壓運(yùn)行分別高9.27℃、24.49℃、29.73℃和30.85℃。而在500 MW和450 MW時(shí)3閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行時(shí)高壓缸排汽溫度較2閥全開滑壓運(yùn)行分別高27.48℃和21.49℃。
雖然滑壓運(yùn)行提高了高壓缸效率,減少了小汽機(jī)用汽量,但滑壓運(yùn)行時(shí)主蒸汽壓力降低,會(huì)大大降低汽輪機(jī)裝置的循環(huán)效率。滑壓運(yùn)行時(shí)主蒸汽壓力降低的幅度與滑壓運(yùn)行方式的選擇有關(guān),合理選擇主蒸汽壓力是滑壓運(yùn)行方式的關(guān)鍵。表4給出了不同運(yùn)行方式下不同負(fù)荷時(shí)主蒸汽壓力的比較。
機(jī)組在滑壓運(yùn)行時(shí)由于節(jié)流損失小,高壓缸相對內(nèi)效率比定壓運(yùn)行時(shí)高;滑壓運(yùn)行時(shí)高壓缸排汽溫度較定壓運(yùn)行時(shí)高,蒸汽在再熱器吸熱量減少;滑壓運(yùn)行時(shí)給水泵耗功降低,在部分負(fù)荷時(shí)滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于定壓運(yùn)行。
汽輪機(jī)熱耗率體現(xiàn)了各種因素的綜合影響,各個(gè)工況的熱耗率試驗(yàn)結(jié)果見表5,熱耗率與負(fù)荷的比較曲線見圖1。
通過熱耗率比較可知,當(dāng)負(fù)荷大于540 MW、順序閥定壓運(yùn)行時(shí)熱耗率最低,經(jīng)濟(jì)性最好;當(dāng)負(fù)荷為510~540 MW,3閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行時(shí)熱耗率最低,經(jīng)濟(jì)性最好;當(dāng)負(fù)荷為300~510 MW、2閥全開滑壓運(yùn)行時(shí)熱耗率最低,經(jīng)濟(jì)性最好。
通過對定壓運(yùn)行和滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性分析,采用復(fù)合滑壓運(yùn)行方式是機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行的最佳選擇方式。采用復(fù)合滑壓方式運(yùn)行可分為2個(gè)階段 (順序閥定壓階段和滑壓階段)。前面已經(jīng)比較過在負(fù)荷為540~600 MW時(shí)順序閥定壓運(yùn)行經(jīng)濟(jì),在505~540 MW時(shí)3閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行經(jīng)濟(jì),在負(fù)荷低于505 MW時(shí)2閥全開運(yùn)行經(jīng)濟(jì)。由于負(fù)荷在505~540 MW時(shí)3種運(yùn)行方式熱耗率相差不大,而負(fù)荷低于505 MW時(shí)2閥全開運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性十分明顯。為了保證機(jī)組調(diào)峰期間滑壓運(yùn)行的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性和方便操作,機(jī)組的復(fù)合滑壓方式分為順序閥定壓階段和2閥全開滑壓階段,見表6。
順序閥定壓階段。當(dāng)負(fù)荷在510~600 MW之間時(shí),保持主蒸汽壓力額定是通過主蒸汽流量的變化來調(diào)整負(fù)荷的需要。
表4 不同運(yùn)行方式下不同負(fù)荷時(shí)主蒸汽壓力 MPa
表5 不同運(yùn)行方式下不同負(fù)荷時(shí)的熱耗率 kJ/kW·h
圖1 熱耗率對比曲線
表6 復(fù)合滑壓運(yùn)行時(shí)閥位的選擇
2閥全開滑壓階段。當(dāng)負(fù)荷在300~510 MW之間時(shí),保持2閥全開運(yùn)行 (1號(hào)、2號(hào)高壓調(diào)節(jié)閥開度在100%,3號(hào)、4號(hào)開度為0),調(diào)整鍋爐壓力以適應(yīng)負(fù)荷的需要。
通過試驗(yàn)分析得出機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行方式為復(fù)合滑壓運(yùn)行。閥位控制方式:負(fù)荷為510~600 MW時(shí)采用順序閥定壓運(yùn)行方式,負(fù)荷為300~510 MW時(shí)采用2閥全開滑壓運(yùn)行,主蒸汽壓力由24.2 MPa滑壓至14.38 MPa。
機(jī)組采用復(fù)合滑壓運(yùn)行方式不但可提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性,而且滑壓運(yùn)行鍋爐和主蒸汽管道等部件工作壓力較低,汽輪機(jī)高壓缸各級溫度變化較小,減小了軸系和葉片的熱應(yīng)力,延長了機(jī)組的使用壽命。同時(shí)機(jī)組變負(fù)荷速率提高,可以更好地滿足電網(wǎng)調(diào)峰要求。
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