鄒學(xué)明　焦明勇　楊有民　盧布　劉憲民　萬(wàn)杰

摘 要：目前，為了提高機(jī)組變工況下的調(diào)節(jié)級(jí)效率，許多汽輪機(jī)進(jìn)行了噴嘴組優(yōu)化改造，機(jī)組容量范圍從200 MW到660 MW、參數(shù)從超高壓到超臨界。該文以典型600 MW機(jī)組為例，針對(duì)大功率汽輪機(jī)嘴組改造對(duì)機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行壓力影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)噴嘴組改造后雖然機(jī)組的調(diào)節(jié)效率提高了，但是機(jī)組的整體運(yùn)行熱耗率卻不是最低的，即噴嘴組改造后還需同時(shí)將機(jī)組的滑壓運(yùn)行曲線進(jìn)行重新測(cè)試修正。同時(shí)，還設(shè)計(jì)了能夠克服機(jī)組背壓變化的滑壓曲線，切實(shí)提高機(jī)組的運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：大功率 汽輪機(jī) 噴嘴組改造 最優(yōu)運(yùn)行壓力 滑壓實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TK26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）11（c）-0005-03

目前，中國(guó)新能源電力的規(guī)?；l(fā)展必然主要依賴于火電機(jī)組的快速深度調(diào)峰[1]，調(diào)峰機(jī)組容量范圍從200 MW到660 MW、參數(shù)從超高壓到超臨界。此外，隨著電力峰谷差越來(lái)越大，不僅許多大功率純凝火電機(jī)組參與調(diào)峰[2]，而且許多熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組也勢(shì)必參與電力調(diào)峰[3]。由于機(jī)組進(jìn)行深度的變工況運(yùn)行，汽輪機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況、機(jī)組經(jīng)濟(jì)性下降。因此，為了提高電廠的經(jīng)濟(jì)效益，必須采用滑壓運(yùn)行方式。與定壓運(yùn)行相比，滑壓運(yùn)行具有多種優(yōu)點(diǎn)。以300 MW級(jí)別的機(jī)組，通過(guò)滑壓運(yùn)行較定壓運(yùn)行方式可降低發(fā)電煤耗2 g/kW·h左右[4-5]。當(dāng)前的滑壓運(yùn)行方法都是將機(jī)組負(fù)荷作為自變量來(lái)確定機(jī)組的主蒸汽壓力，并根據(jù)機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)理論滑壓曲線進(jìn)行優(yōu)化修正，確定出負(fù)荷與滑壓值之間的最優(yōu)對(duì)應(yīng)關(guān)系[6-7]。一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較法來(lái)獲取機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行主蒸汽壓力，國(guó)內(nèi)外大部分電廠都采用這種方法對(duì)滑壓曲線進(jìn)行確定，但是對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的精度和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的要求比較高[8]。在缺乏高精度實(shí)驗(yàn)條件的情況下，也可采用耗差分析法[9]，即提取對(duì)機(jī)組滑壓運(yùn)行性能有關(guān)鍵影響的運(yùn)行參數(shù)，分別計(jì)算這些參數(shù)對(duì)機(jī)組熱耗率影響的分項(xiàng)耗差，匯總得到耗差總和，并以耗差總和最小為機(jī)組不同滑壓尋優(yōu)評(píng)判的依據(jù)。此外，還可運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)建立優(yōu)化模型來(lái)確定最優(yōu)運(yùn)行主蒸汽壓力[10]。然而，機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行主蒸汽壓力受多種因素，實(shí)際機(jī)組在運(yùn)行時(shí)往往會(huì)因多種因素而偏離最優(yōu)工況點(diǎn)。文獻(xiàn)[11]指出：汽輪機(jī)噴嘴組優(yōu)化改造技術(shù)，可以將額定工況下的調(diào)節(jié)級(jí)效率提高了約15%～20%，節(jié)能效果顯著。

該文針對(duì)大功率汽輪機(jī)嘴組改造對(duì)機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行壓力影響進(jìn)行研究，以600 MW機(jī)組為研究案例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)噴嘴組改造后雖然機(jī)組的調(diào)節(jié)效率提高了，但是機(jī)組的整體運(yùn)行熱耗率卻不是最低的，即噴嘴組改造后還需同時(shí)將機(jī)組的滑壓運(yùn)行曲線進(jìn)行重新測(cè)試修正。同時(shí)，還設(shè)計(jì)了能夠克服機(jī)組背壓變化的滑壓曲線，切實(shí)提高機(jī)組的運(yùn)行效率。

1 噴嘴組改造案例分析

1.1 案例機(jī)組概況

案例機(jī)組選取一臺(tái)上海汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)制造的N600-16.7/538/538型亞臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、雙背壓凝汽式汽輪機(jī)，額定功率為600 MW，額定蒸汽流量1 788.755 t/h，采用噴嘴調(diào)節(jié)方式，設(shè)有4個(gè)高壓調(diào)節(jié)汽閥，調(diào)節(jié)閥分別由各自獨(dú)立的油動(dòng)機(jī)控制，每個(gè)調(diào)節(jié)汽閥對(duì)應(yīng)28個(gè)噴嘴，共112個(gè)噴嘴，每組噴嘴設(shè)計(jì)通流面積為115.71 cm2。

1.2 機(jī)組改造的必要性分析

該汽輪機(jī)組于2014年6月進(jìn)行B級(jí)檢修，于2013年12月18日進(jìn)行了機(jī)組修前的熱力性能試驗(yàn)，熱耗率與設(shè)計(jì)值相差5.7%。結(jié)合電廠熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及熱力系統(tǒng)循環(huán)的基本理論，現(xiàn)有的機(jī)組設(shè)計(jì)思想和特性與實(shí)際運(yùn)行嚴(yán)重不符，汽輪機(jī)側(cè)的設(shè)計(jì)制造問(wèn)題較大，其中高壓汽門(mén)和調(diào)節(jié)級(jí)的設(shè)計(jì)制造都存在明顯問(wèn)題。值得注意的是，現(xiàn)在運(yùn)機(jī)組無(wú)論機(jī)組容量大小，在調(diào)節(jié)級(jí)在設(shè)計(jì)、加工制造存在普遍性的問(wèn)題，通流面積過(guò)大，直接影響了汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性，制造工藝水平的偏離，又使得這種本來(lái)就有偏差的設(shè)計(jì)理念反映到最終產(chǎn)品上后效率更差，這種多因素的偏離，違背了提高火電廠經(jīng)濟(jì)性相關(guān)理論中，盡可能提高初參數(shù)和減小工質(zhì)能量各轉(zhuǎn)變過(guò)程中節(jié)流損失的基本原則，是目前機(jī)組普遍經(jīng)濟(jì)性較差的最主要原因，因此，從理論上來(lái)說(shuō)，對(duì)于噴嘴組部件的整體更換，進(jìn)行定制式的設(shè)計(jì)以及制造是有利于機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的。

此外，通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：噴嘴組優(yōu)化改造后的電廠均取得了較好的經(jīng)濟(jì)性收益，熱力性能試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)組在安全運(yùn)行的前提下，機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性得到了較大提高。同時(shí)，改造后的噴嘴組運(yùn)行情況良好，安全可靠性明顯提高，大修揭缸后未發(fā)現(xiàn)部分原廠噴嘴組容易出現(xiàn)的固體粒子沖蝕導(dǎo)致的噴嘴組葉片破損等問(wèn)題。因此，噴嘴組改造在保障機(jī)組安全性的前提下，對(duì)于提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性有很大作用。

1.3 存在的主要問(wèn)題及對(duì)策分析

汽輪機(jī)噴嘴組存在噴嘴與動(dòng)葉動(dòng)靜匹配較差、通流面積過(guò)大。噴嘴與動(dòng)葉動(dòng)靜匹配較差，將導(dǎo)致靜葉出口汽流不能以最佳方式進(jìn)入動(dòng)葉做功，增加流動(dòng)阻力，降低流動(dòng)效率；噴嘴組通流面積過(guò)大，將使汽輪機(jī)經(jīng)常處于偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)工況較大的狀態(tài)運(yùn)行，降低了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性；調(diào)節(jié)級(jí)效率低于設(shè)計(jì)值，將導(dǎo)致汽輪機(jī)高壓缸效率明顯下降和機(jī)組熱耗增加。通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)噴嘴組進(jìn)行整體更換，優(yōu)化噴嘴組的結(jié)構(gòu)、進(jìn)行重新的整體設(shè)計(jì)，改善噴嘴組抗擊固體顆粒沖蝕的能力，優(yōu)化通流面積，改善調(diào)節(jié)級(jí)效率，使得機(jī)組整體發(fā)電煤耗明顯降低。原則上，不改變機(jī)組原本的結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)；不影響機(jī)組的運(yùn)行安全性；汽輪機(jī)的噴嘴組通流面積適當(dāng)縮小并合理設(shè)計(jì)，在額定主汽參數(shù)下噴嘴組可以通過(guò)的蒸汽流量將不小于鍋爐設(shè)計(jì)的最大連續(xù)蒸發(fā)量；針對(duì)汽輪機(jī)的具體尺寸進(jìn)行定制式設(shè)計(jì)。

2 改造對(duì)機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行壓力的影響

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷的降低，即主蒸汽流量減少時(shí)，如果閥門(mén)開(kāi)度保持不變，進(jìn)行滑壓運(yùn)行，調(diào)節(jié)級(jí)效率基本不變，而定壓運(yùn)行因?yàn)殚y門(mén)開(kāi)度減小，使節(jié)流損失增大，從而使調(diào)節(jié)級(jí)效率減小，使機(jī)組經(jīng)濟(jì)性下降。調(diào)節(jié)級(jí)的熱力過(guò)程線如圖1所示。而機(jī)組的最優(yōu)運(yùn)行壓力不僅考慮機(jī)組的循環(huán)效率而且需要考慮調(diào)節(jié)效率，即節(jié)流損失的問(wèn)題。因此，機(jī)組進(jìn)行噴嘴改造后，會(huì)對(duì)機(jī)組的最優(yōu)運(yùn)行壓力產(chǎn)生影響。

3 機(jī)組運(yùn)行方式的進(jìn)一步優(yōu)化策略

進(jìn)行每一負(fù)荷點(diǎn)的最優(yōu)主蒸汽壓力尋優(yōu)試驗(yàn)，如表1所示；需要注意的是：在同一負(fù)荷點(diǎn)下的實(shí)驗(yàn)中，不僅需要盡可能維持抽汽量不變，而且還要盡可能保持冷凝器背壓盡可能不變；此外，每一個(gè)汽壓工況都要穩(wěn)定1小時(shí)左右，這些對(duì)所獲取的滑壓運(yùn)行曲線的精確程度影響非常重要。通過(guò)熱耗率計(jì)算對(duì)比圖2所示的原滑壓運(yùn)行曲線已經(jīng)不適合機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行；通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到了機(jī)組新的滑壓運(yùn)行曲線，如圖3所示。實(shí)際熱耗率計(jì)算結(jié)果顯示，噴嘴改造直接導(dǎo)致滑壓運(yùn)行曲線發(fā)生偏移，低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域影響機(jī)組熱耗率50 kJ/kw·h左右。

4 結(jié)語(yǔ)

該文以600 MW機(jī)組為研究案例，對(duì)大功率汽輪機(jī)嘴組改造對(duì)機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行壓力影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）噴嘴組改造后雖然機(jī)組的調(diào)節(jié)效率提高了，但是機(jī)組的整體運(yùn)行熱耗率卻不是最低的；

（2）通過(guò)對(duì)實(shí)際機(jī)組的不同負(fù)荷點(diǎn)的壓力進(jìn)行尋優(yōu)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，噴嘴組改造后還需同時(shí)將機(jī)組的滑壓運(yùn)行曲線進(jìn)行重新測(cè)試修正。

因此，為了切實(shí)提高機(jī)組的運(yùn)行效率，還設(shè)計(jì)了能夠克服機(jī)組背壓變化的滑壓曲線。此外，通過(guò)對(duì)實(shí)際200 MW機(jī)組、300 MW機(jī)組以及600 MW超臨界機(jī)組的調(diào)研發(fā)現(xiàn)：機(jī)組的本體優(yōu)化改造對(duì)最優(yōu)運(yùn)行主蒸汽壓力都會(huì)產(chǎn)生或多或少的影響，需要視具體情況對(duì)機(jī)組的滑壓運(yùn)行曲線進(jìn)行調(diào)整，從而提高機(jī)組運(yùn)行效率。

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