鄭 威，郝玉振，王學棟

（山東電力集團公司電力科學研究院，山東 濟南 250002）

0 引言

對于600 MW以上的大容量機組，汽輪機負荷調(diào)節(jié)方法從配汽方式上分為部分進汽噴嘴調(diào)節(jié)，全周進汽節(jié)流調(diào)節(jié)和旁通調(diào)節(jié)，從運行方式上分為定壓運行和滑壓運行。一般機組采用噴嘴調(diào)節(jié)定—滑—定方式運行，即80%THA負荷以上采用定壓噴嘴調(diào)節(jié)，30%～80%THA負荷為滑壓運行，30%THA 負荷以下采用定壓運行［1］。

目前由于電網(wǎng)負荷峰谷差越來越大，機組低負荷運行問題突出，為了提高機組低負荷運行的經(jīng)濟性，滿足電網(wǎng)調(diào)峰要求的同時達到節(jié)能降耗的目的，現(xiàn)代超臨界和超超臨界機組采用復合滑壓運行方式，即在高負荷時保持額定的蒸汽壓力，在低負荷時保持最低允許的進汽壓力，在中間負荷時采用復合滑壓運行［2-3］。這種復合滑壓運行方式可使機組在最高負荷運行時保持額定壓力，具有最佳的循環(huán)熱效率和良好的負荷調(diào)節(jié)功能；在中間負荷，采用復合滑壓運行，使汽輪機通流部分的容積流量基本不變，保持較高的內(nèi)效率，并使汽輪機高壓缸的蒸汽溫度保持穩(wěn)定，因而熱應力較小，具有快速變負荷的能力；在低負荷時定壓運行可防止壓力過低出現(xiàn)流動不穩(wěn)定問題，因而具有最佳的綜合性能。 總之，采用復合滑壓運行可使機組具有夜間停機、快速啟動以及頻繁啟停和變負荷的能力，并使機組在高負荷及低負荷時均保持高的效率，從而滿足中間負荷和調(diào)峰的要求。

1 不同調(diào)節(jié)閥運行方式試驗

機組運行方式和調(diào)節(jié)方式，體現(xiàn)在閥門特性上，就是順序閥或單閥運行方式。 某廠超臨界壓力660 MW機組是國產(chǎn)此種容量機組的第一臺，采用噴嘴調(diào)節(jié)、復合滑壓運行方式，投產(chǎn)后，為了掌握機組低負荷工況下，調(diào)門運行特性對機組經(jīng)濟性的影響，進行了不同調(diào)門組合方式和變負荷下的滑壓試驗，以現(xiàn)場給水流量作為計算基準，計算了機組的經(jīng)濟指標，試驗工況和機組經(jīng)濟指標如表1所示。

為了消除主汽壓力對機組經(jīng)濟指標的影響，相同負荷下，主汽壓力基本接近。由表1可以看出，低負荷下，機組采用復合滑壓運行方式，調(diào)門運行方式不同，調(diào)門節(jié)流損失也不同，導致機組經(jīng)濟指標不同。機組順序閥運行方式下的熱耗率和高壓缸效率優(yōu)于單閥運行，同時在一定負荷下，由于三閥單閥運行的調(diào)門開度大于四閥單閥運行的開度，調(diào)門節(jié)流損失小，高壓缸效率提高，從而循環(huán)熱效率增加，因此機組三閥單閥運行的熱耗率低于四閥單閥運行，尤其是400 MW、500 MW低負荷工況，經(jīng)濟指標差別較大。400 MW順序閥工況比四閥單閥運行工況，熱耗率低162 kJ/kWh，高壓缸效率高9.125%，三閥單閥工況比四閥單閥運行工況，熱耗率低91.91kJ/kWh，高壓缸效率高3.7%；500 MW順序閥工況比四閥單閥運行工況，熱耗率低93.89 kJ/kWh，高壓缸效率高 5.578%，三閥單閥工況比四閥單閥運行工況，熱耗率低36.37 kJ/kWh，高壓缸效率高3.715%。對于600 MW以上工況，機組三閥單閥運行基本能夠帶滿660 MW負荷，因此順序閥運行時，第三、四調(diào)門的節(jié)流損失較小，順序閥運行的經(jīng)濟指標跟三閥單閥運行的指標差別不大，三閥單閥運行的高壓缸效率大于順序閥運行，但順序閥和三閥單閥運行的熱耗率和高壓缸效率都優(yōu)于四閥單閥運行工況。就400～680 MW范圍內(nèi)的試驗負荷，順序閥運行方式，機組熱耗率低，考慮機組目前的平均負荷率，白天負荷為500～550 MW，晚上負荷為 350～400 MW，都處于調(diào)門單閥與順序閥運行經(jīng)濟指標差別比較大的區(qū)域，機組由單閥運行改為順序閥運行后，節(jié)能效果顯著。

表1 超臨界660 MW機組不同調(diào)節(jié)閥運行方式試驗結(jié)果

2 機組低負荷下滑壓運行方式試驗

對于機組滑壓運行方式，蒸汽初壓隨著主蒸汽流量的下降而降低，采用變速給水泵可用降低給水泵轉(zhuǎn)速來降低給水泵的出口壓力，可以節(jié)約給水泵耗功。這樣，在負荷較小時新汽壓力變低，給水泵的轉(zhuǎn)速同時變低，泵的耗功變少，滑壓運行時汽輪機給水泵所消耗的功率，要比定壓運行小得多，且主蒸汽流量越低，兩者的差距越大。因此不同壓力下的滑壓運行方式在各個負荷下的經(jīng)濟性如何，主要看循環(huán)效率降低與給水泵耗功減少誰占優(yōu)勢。

機組日常運行中，在低負荷情況下，按照制造廠給定的滑壓曲線采用順序閥滑壓運行方式。如表1所示，在600 MW工況下，汽輪機進汽壓力為22 MPa、500 MW和400 MW負荷，主汽壓力更低。為了了解低負荷下機組經(jīng)濟指標與主汽壓力的關(guān)系，得到機組最優(yōu)的滑壓運行曲線，并與制造廠的滑壓運行曲線進行比較，進行了機組低負荷下變主汽壓力試驗。由表1可知，機組在600 MW工況下，幾個工況的熱耗率差別不大，因此機組低負荷滑壓運行工況試驗由550 MW負荷降低到350 MW，分別為550MW、500MW、450MW、400MW、350MW，試驗的主汽壓力根據(jù)設(shè)計的定滑壓運行曲線和機組實際運行中閥門的開度情況確定，并以現(xiàn)場給水流量作為計算基準，計算了機組的經(jīng)濟指標，并與機組大修后500 MW、600 MW、660 MW工況定壓運行的試驗結(jié)果進行了比較。表2列出不同低負荷下，機組順序閥滑壓運行方式試驗工況及結(jié)果。

表2 超臨界660 MW機組低負荷滑壓運行試驗結(jié)果

2.1 低負荷下滑壓運行的經(jīng)濟性分析

比較表2所示試驗結(jié)果，分析機組在不同低負荷下滑壓運行的經(jīng)濟指標，得到不同試驗負荷下的主汽壓力與熱耗率和高壓缸效率的變化關(guān)系。在各負荷下，隨機組主汽壓力降低，調(diào)門開大，高壓缸效率增加，汽動給水泵耗功減小，這體現(xiàn)在小機進汽流量的降低上。但各負荷下，存在一個最優(yōu)運行的主汽壓力，這同制造廠定滑定的運行方式相吻合，但最優(yōu)主汽壓力并不一定同制造廠設(shè)計的定滑壓曲線相吻合。

由表2試驗結(jié)果得知，機組在360～550 MW負荷范圍內(nèi)滑壓運行，在負荷一定的情況下，隨著主汽壓力的降低，這一因素使循環(huán)熱效率降低，但由于調(diào)門節(jié)流損失減小，高壓缸效率提高，從而又使循環(huán)熱效率增加；同時在相同負荷下，小機進汽量明顯降低，耗功減小。就本機實際特性而言，在順序閥運行方式下，高壓調(diào)門節(jié)流損失減少、高壓缸排汽溫度上升和小汽機耗汽量減少對循環(huán)熱效率的正面影響和主汽壓力降低對循環(huán)熱效率的負面影響差別隨負荷變化有所不同，因此機組存在一個最優(yōu)運行的主汽壓力。機組在600 MW負荷以上定壓運行，在360～550MW負荷范圍內(nèi)，對應550MW、500 MW、450 MW、400 MW、360 MW 負荷，由試驗得到的最優(yōu)運行主汽壓力為24MPa、21MPa、21 MPa、20 MPa、17 MPa。 而根據(jù)制造廠設(shè)計的定滑壓曲線查得相應負荷下的最優(yōu)運行主汽壓力為24.2 MPa、24.2 MPa、22.5 MPa、20 MPa、18.5 MPa，圖1顯示試驗定滑壓運行曲線和設(shè)計定滑壓運行曲線的區(qū)別。

主汽壓力降低時，在鍋爐燃燒狀態(tài)不變的情況下，主蒸汽溫度更容易提升，在主汽溫度達到設(shè)計值的情況下，這一特性會使過熱減溫水量增加，但本機組過熱減溫水從高加后引出，對機組經(jīng)濟指標沒有影響，因此試驗時不考慮。另一方面，在主汽壓力降低而主汽溫度不變的情況下，主汽焓上升使得高壓缸排汽溫度相應上升，再熱蒸汽吸熱量減少，有利于提升再熱溫度，正好有利于解決機組低負荷工況下，再熱汽溫低于設(shè)計值的問題，從而提高循環(huán)熱效率。由表2機組滑壓試驗數(shù)據(jù)可以看出，主汽溫度接近設(shè)計值，再熱溫度仍沒有達到設(shè)計值，需要在低負荷滑壓運行時，繼續(xù)加強燃燒調(diào)整。

圖1 試驗定滑壓運行曲線和設(shè)計定滑壓運行曲線圖

2.2 低負荷下滑壓運行對機組經(jīng)濟指標的影響

正是由于滑壓運行時，高壓缸效率和再熱溫度的提高對機組經(jīng)濟指標的有利影響，使得機組低負荷運行時，雖然存在一個最優(yōu)運行主汽壓力，但在一定負荷下，不同主汽壓力下運行的經(jīng)濟指標差別不大。550 MW工況下，主汽壓力從22 MPa變到24 MPa，機組熱耗率降低不到4 kJ/kWh；500 MW工況下，機組在19 MPa和20 MPa下運行的熱耗率相差不到4 kJ/kWh；450 MW工況下，機組在18MPa和19 MPa下運行的熱耗率相差不到10 kJ/kWh；400 MW工況下，主汽壓力從17 MPa變到19 MPa，機組熱耗率降低不到10 kJ/kWh。 由于這種低負荷下的滑壓運行特性，機組在相應工況下運行時，可以稍微偏離最佳滑壓運行曲線，維持較高的主汽壓力運行，增大調(diào)節(jié)汽門的節(jié)流。當負荷緩慢變化時，維持調(diào)節(jié)汽門開度不變，通過增加主汽壓力來增加負荷；而負荷突然升高時，可立即全開調(diào)節(jié)汽門，利用鍋爐內(nèi)的蒸汽蓄熱，快速增加負荷，增強機組的變負荷響應特性和調(diào)峰能力。

2.3 低負荷下滑壓運行方式對機組安全性的影響

當溫度變化時，汽輪機各零部件內(nèi)溫度分布不均勻或汽輪機各零部件變形受到約束，就會在汽輪機各零部件中產(chǎn)生熱應力。熱應力的大小與零件溫度變化值成正比?？梢姕囟茸兓仍酱?，產(chǎn)生的熱應力就越大，因此可用溫度變化值來表征熱應力的大小。定壓運行隨著負荷的降低調(diào)節(jié)級后溫度急劇降低，溫度變化幅度大，轉(zhuǎn)子熱應力較大，對于機組的安全性有較大的影響，因此，在機組的運行過程中限制變負荷的速度，以避免負荷變化過大導致較大的熱應力和熱變形。由表2試驗結(jié)果可以看出，機組低負荷下，采用滑壓運行方式，在降低主汽壓力運行時，因高壓缸排汽溫度相對提高，使得高壓缸通流部件沿蒸汽流動方向熱應力有所減少。對應500 MW工況，最高運行壓力23 MPa下的高壓缸排汽溫度比最低運行壓力19 MPa下的高壓缸排汽溫度低22.82℃；在負荷變化過程中，機組按照所得到的最佳滑壓曲線運行，從360 MW負荷到550 MW負荷，高壓缸排汽溫度從295.24℃增加到308.773℃，溫度變化的幅度小，轉(zhuǎn)子熱應力較小，因此變負荷速率可以較大，大大的提高了機組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的能力。因此低負荷下，采取滑壓運行方式，對機組調(diào)峰運行安全性將產(chǎn)生有利影響。

3 結(jié)語

針對國產(chǎn)首臺超臨界660 MW機組，通過機組不同調(diào)節(jié)閥運行方式試驗，得到機組各試驗負荷下三閥單閥、四閥單閥和順發(fā)閥運行的熱耗率和高壓缸效率，機組順序閥運行方式下的熱耗率和高壓缸效率優(yōu)于單閥運行，同時在一定負荷下，由于三閥單閥運行的調(diào)門開度大于四閥單閥運行的調(diào)門開度，調(diào)門的節(jié)流損失小，高壓缸效率提高，從使循環(huán)熱效率增加，因此機組三閥單閥運行的熱耗率低于四閥單閥運行，尤其是400MW、500MW低負荷工況，經(jīng)濟指標差別較大。600 MW以上工況，順序閥運行的熱耗率和高壓缸效率跟三閥單閥運行差別不大，三閥單閥運行的高壓缸效率大于順序閥運行，但順序閥和三閥單閥運行的熱耗率和高壓缸效率都優(yōu)于四閥單閥工況。

機組在360～550 MW負荷范圍內(nèi)滑壓運行，在各負荷下，隨機組主汽壓力降低，調(diào)門開大，高壓缸效率增加，汽動給水泵耗功減小，小機進汽流量降低。 對應550MW、500MW、450MW、400 MW、360MW負荷的最優(yōu)運行主汽壓力為24MPa、21MPa、21 MPa、20 MPa、17 MPa，試驗得到的最佳定滑壓運行曲線與設(shè)計定滑壓運行曲線不同。根據(jù)試驗得到的滑壓運行曲線和機組滑壓運行特性，在相應工況下運行時，可以在接近滑壓曲線的工況維持較高的主汽壓力運行，增大調(diào)節(jié)汽門的節(jié)流，可以快速增加負荷，增強機組的變負荷響應特性和調(diào)峰能力。 同時機組滑壓運行，高壓缸溫度變化的幅度小，轉(zhuǎn)子熱應力較小，因此變負荷速率可以較大，大大的提高了機組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的能力。