黃新長， 徐 星， 譚 銳

(國電科學技術研究院， 南京 210023)

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350MW超臨界汽輪機滑壓優(yōu)化試驗方法研究

黃新長， 徐 星， 譚 銳

(國電科學技術研究院， 南京 210023)

對汽輪機滑壓運行理論進行分析，通過汽輪機調(diào)節(jié)閥節(jié)流程度試驗的方法，找到滑壓運行的初步閥位，然后在初始閥點附近選取不同閥位進行變負荷試驗，驗證初始滑壓閥位的正確性。該方法適用于工程實際的需要，能減少試驗工況點，提高滑壓優(yōu)化試驗效率。

汽輪機； 滑壓優(yōu)化； 閥位； 高壓缸效率； 熱耗； 負荷

目前由于國民經(jīng)濟的發(fā)展與用電結構的變化，電網(wǎng)峰谷差進一步擴大，大型發(fā)電機組不得不參與調(diào)峰。與此同時, 根據(jù)國家發(fā)改委、環(huán)境保護部、國家能源局發(fā)改能源〔2014〕2093號文件《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》的要求，到2018年所有燃煤機組煤耗要求達到310g/(kW·h)。為了達到節(jié)能的目的，在中、低負荷下, 汽輪機滑壓運行方式是一種調(diào)整火電機組運行經(jīng)濟性的重要手段。

滑壓運行方式相對定壓運行方式有明顯的優(yōu)勢, 目前各個電廠一般采用復合運行方式[1], 即定-滑-定運行方式。在高負荷區(qū)域采用定壓運行, 以獲得較高的循環(huán)熱效率;較低區(qū)域范圍采用滑壓運行, 獲得較高的熱力系統(tǒng)內(nèi)效率;在最低負荷之下又采用初壓水平較低的定壓運行, 以保持鍋爐的低負荷穩(wěn)定[2-3]。因此, 一般滑壓運行方式通過性能試驗的負荷基準和閥位基準聯(lián)合尋優(yōu)來確定，此方法需要進行的工況數(shù)量較多。在滑壓試驗前通過汽輪機調(diào)節(jié)閥節(jié)流程度試驗來確定初步的經(jīng)濟閥位，可以有效地提高滑壓優(yōu)化試驗的精度和節(jié)省了試驗時間。筆者結合某電廠350MW超臨界機組滑壓優(yōu)化試驗的實際案例進行說明。

1 滑壓優(yōu)化運行理論

目前常規(guī)的滑壓試驗尋優(yōu)是在選定的幾個基準負荷下, 對每個負荷任意取幾組不同主汽壓力進行試驗, 根據(jù)不同的主蒸汽壓力所對應的各處運行參數(shù)對比計算熱耗q, 最后做出確定最優(yōu)初壓曲線。常規(guī)試驗尋優(yōu)不但試驗工作量巨大, 而且很容易出現(xiàn)漏點, 一定程度上削弱了汽輪機運行優(yōu)化調(diào)整的節(jié)能潛力。

實際上影響制定滑壓優(yōu)化曲線的兩個關鍵點分別是閥門開度和主汽壓力：(1)閥門開度越大，閥門節(jié)流損失越小，高壓缸效率會增加； (2) 主汽壓力越高，機組循環(huán)效率也越高。但機組調(diào)節(jié)閥開大和主汽壓力升高是一個相反的過程，所以制定滑壓優(yōu)化曲線就是調(diào)整最優(yōu)的初始壓力和閥門開度使得不同機組功率下熱耗最低。

1.1調(diào)節(jié)閥節(jié)流程度試驗方法

某滑壓運行方式下各調(diào)節(jié)閥開度的狀態(tài)為：CV1和CV2接近全開，CV3開度較大，CV4全關。由于CV1、CV2和CV3間的調(diào)節(jié)閥重疊度很大，因此CV3由25%往下全關時，CV1、CV2開度由100%同時關小到39%，造成CV1、CV2調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失增加，因此確定滑壓運行最經(jīng)濟閥位就是要確定調(diào)節(jié)閥門CV1、CV2的最佳開度，這就要進行調(diào)節(jié)閥門CV3開度由25%到關閉時的試驗。相關注意事項如下：(1)調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失并不是隨著調(diào)節(jié)閥開度的增加而減少的，因為調(diào)節(jié)閥進汽流量的顯著變化主要集中在開度15%～50%，調(diào)節(jié)閥開度15%以下，流量很少，到50%以后進汽流量基本接近最大進汽。因此調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失最大是出現(xiàn)在15%～50%的某一開度，即CV1、CV2調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失隨著開度的變大先增大后減少的。(2)當調(diào)節(jié)閥CV3全部關閉時，調(diào)節(jié)閥CV1、CV2開度為39%，對應的機組閥位稱之為兩閥點。理論上由于調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失相對較小，應確定為最經(jīng)濟閥位，但由于機組投AGC指令后負荷波動較大，加上燃料、環(huán)境等因素影響，造成調(diào)節(jié)閥開度波動較大，因此CV3調(diào)節(jié)閥處于來回開關的狀態(tài)，相應負荷能力較差。(3)當調(diào)節(jié)閥CV1、CV2開度變化后，機組進汽流量發(fā)生變化，因此主汽壓力也隨之變化，對循環(huán)效率影響較大，最經(jīng)濟閥位的確定關鍵在于比較主汽壓力和高壓缸效率的變化對熱耗率的影響大小。(4)由于滑壓運行優(yōu)化試驗后主汽壓力變化較大，因此給水泵汽輪機用汽量有較大的不同，還需考慮給水泵汽輪機用汽量對熱耗率的影響。

設計滑壓曲線運行時總調(diào)節(jié)閥開度維持在87.24%，對應各調(diào)節(jié)閥開度為CV1為100%、CV2為100%、CV3為20%、CV4為0%。雖然高壓缸效率較高，但主汽壓力偏低較多，影響機組運行經(jīng)濟性，為此在滑壓運行優(yōu)化試驗前先進行了CV1、CV2調(diào)節(jié)閥節(jié)流程度測試試驗。

試驗過程可簡單描述如下：在維持負荷穩(wěn)定的前提下，通過不斷減小蒸汽流量(總調(diào)節(jié)閥開度)，即調(diào)節(jié)閥CV1、CV2同時由100%關小至39%，調(diào)節(jié)閥CV3由25%關閉到零，計算此時高壓缸效率的變化趨勢(見圖1)。

由圖1可知：(1)在CV1、CV2調(diào)節(jié)閥由100%逐步關小至39%的過程中，調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失逐漸增大，相應的高壓缸效率在降低；(2)綜合閥位由88%關小至82%時，高壓缸效率下降趨勢緩慢，這主要因為CV1、CV2調(diào)節(jié)閥開度一直在50%以上，節(jié)流損失變化不大；(3)滑壓運行最經(jīng)濟閥位應選在高壓缸效率較高區(qū)域，這樣在提高主汽壓力的前提下還能保證較高的缸效率。

圖2為主蒸汽壓力隨綜合閥位變化趨勢。

由圖2可知：調(diào)節(jié)閥綜合閥位逐步增大時，主汽壓力先緩慢下降，在總指令升至82%以后，調(diào)節(jié)閥綜合閥位的增加對應的主汽壓力快速下降，這主要是因為調(diào)節(jié)閥CV3開大至13%以上時，開度對進汽量變化影響增大，因此對主汽壓力影響變大。

因此最經(jīng)濟閥位應維持在82%左右，這樣既能保證調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失較低，同時能大幅度提高主汽壓力，有利于提高機組運行經(jīng)濟性。

1.2最經(jīng)濟閥位的熱耗率試驗驗證

根據(jù)目前機組實際參與調(diào)峰負荷范圍和機組實際情況，分別在80%、82%、84%閥位下變不同負荷進行計算。進行5個不同負荷下的運行調(diào)整試驗，分析熱耗率等經(jīng)濟指標，找出最佳運行閥位點。試驗階段機組單元制運行，不供熱且鍋爐停止吹灰。系統(tǒng)內(nèi)各主、輔設備按常規(guī)方式運行。汽輪機高壓調(diào)節(jié)閥采用順序閥方式調(diào)節(jié)。

比較各負荷點不同閥位下機組的經(jīng)濟性，主要是比較汽輪機修正后的熱耗率，目的是排除環(huán)境溫度和運行水平的影響，把主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度、再熱壓損和排汽壓力修正到設計值，修正曲線由制造廠提供。

不同閥位下的熱耗率和負荷關系見圖3。

從圖3可知：對單個負荷而言，當總閥位從80%增大到82%時，調(diào)節(jié)閥開大，調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失減小，高壓缸效率增加，但同時主汽壓力降低，循環(huán)效率降低，從熱耗率降低來看，此時調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失減小導致的高壓缸效率增加對熱耗的影響較大；當負荷不變的時候，總閥位從82%繼續(xù)增大到84%的時候，從熱耗率反而升高來看，此時主汽壓力降低導致的循環(huán)效率降低對熱耗的影響較大。由熱耗的變化趨勢可以看出：正好在總閥位82%的時候，高壓缸效率和循環(huán)效率能到一個最優(yōu)的狀態(tài)，機組經(jīng)濟性最好。

總閥位82%試驗所有工況的熱耗率都比總閥位80%和總閥位84%試驗工況的熱耗率低，這是一個明顯的規(guī)律。所有負荷的熱耗率都是同一個閥位點達到最低，也驗證了第1.1節(jié)的方法。

1.3滑壓試驗方法的應用

通過對汽輪機滑壓運行理論進行分析，應用汽輪機調(diào)節(jié)閥門節(jié)流程度試驗的方法，找到滑壓運行的初始閥位，然后在初始閥點附近選取不同閥位進行變負荷試驗，驗證初始滑壓閥位的正確性。該方法適用于工程實際的需要，能減少試驗工況點，對運行工況偏離試驗工況的各種因素進行量化, 使得試驗調(diào)整有據(jù)可依, 調(diào)整更為快速、精細, 減少試驗調(diào)整的盲目性，提高滑壓優(yōu)化試驗效率，減小試驗成本。

2 應用實例

某研究院2015年利用該測試方法對某電廠2號機組進行了定滑壓工況的測試。

2.1設備概況

該電廠汽輪機是N350/275-24.2/0.64/566/566型超臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、抽汽凝汽式汽輪機，給水回熱為3臺高壓加熱器+1臺除氧器+3臺低壓加熱器的系統(tǒng)，2臺50%容量的汽動給水泵+1臺30%容量電動給水泵，汽封為自密封系統(tǒng)。

投產(chǎn)后機組高壓調(diào)節(jié)汽門一直采用廠家原有的運行方式，從投產(chǎn)后性能試驗的結果來看機組在315MW負荷即開始滑壓運行，機組過早滑壓會降低負荷響應速度，而且滑壓運行時CV3調(diào)節(jié)閥開度較大(約20%)，主汽壓力偏低，熱力系統(tǒng)循環(huán)效率下降。機組閥門重疊度曲線見圖4。

2.2優(yōu)化試驗過程

根據(jù)第1章的方法確定了滑壓運行的初始閥位為82%，在初始閥位附近選取了三個閥位，即80%、82%、84%分別進行了不同負荷下的熱耗率試驗。根據(jù)滑壓試驗得出的最佳滑壓運行數(shù)據(jù)，參考機組性能試驗測得的鍋爐效率、廠用電數(shù)據(jù)及機組煤耗率降低情況對滑壓效果進行估算[4-5]。

閥位在80%時滑壓試驗計算結果見表1。

表1 80%閥位滑壓試驗計算結果

從表1可知：通過調(diào)節(jié)主汽壓力來變負荷，當負荷從210MW變化到300MW時，機組熱耗率從8558kJ/(kW·h)變化到8291kJ/(kW·h)。

閥位在82%時滑壓試驗計算結果見表2。

表2 82%閥位滑壓試驗計算結果

從表2可知：通過調(diào)節(jié)主汽壓力來變負荷，當負荷從210MW變化到300MW時，機組熱耗率從8550kJ/(kW·h)變化到8287kJ/(kW·h)。

閥位在84%時滑壓試驗計算結果見表3。

表3 84%閥位滑壓試驗計算結果

從表3可知：通過調(diào)節(jié)主汽壓力來變負荷，當負荷從210MW變化到300MW時，機組熱耗率從8561kJ/(kW·h)變化到8304kJ/(kW·h)。

綜上所述，總閥位82%試驗所有工況的熱耗率都比總閥位80%和總閥位84%試驗工況的熱耗率低，也驗證了本試驗方法的正確性。

2.3定滑壓運行曲線

機組定滑壓優(yōu)化前后的曲線見圖5。從圖5可以看出：機組在315～350MW負荷內(nèi)，調(diào)整前后均為定壓運行，經(jīng)濟性能不變；在310～315MW負荷內(nèi)，調(diào)整前為滑壓運行，而調(diào)整后為定壓運行，不僅對負荷響應速度快，且機組熱耗率可降低約7kJ/(kW·h)，折合供電煤耗約0.27g/(kW·h)；在210～310MW中低負荷區(qū)域，調(diào)整后由于主汽壓力增加幅度較大，且高壓缸效率下降不超過0.3百分點，機組熱耗率整體降低約13kJ/(kW·h)，折合供電煤耗約0.5g/(kW·h)。

2.4使用范圍及推廣應用

該方法針對調(diào)節(jié)閥節(jié)流的機組滑壓優(yōu)化試驗均有參考價值，適用于300MW和600MW等級亞臨界和超臨界機組，目前在多臺機組得到了應用，煤耗平均下降大于0.5g/(kW·h)。

3 結語

通過汽輪機調(diào)節(jié)閥節(jié)流程度試驗的方法和經(jīng)濟閥位驗證試驗，可以快速確定滑壓運行最佳閥位，該方法適用于工程實際的需要，提高滑壓優(yōu)化試驗效率。

基于此方法測得的滑壓曲線, 機組熱力系統(tǒng)處于隔離后試驗狀態(tài), 負荷經(jīng)過了參數(shù)修正, 實際負荷因回熱系統(tǒng)設備運行狀況、機組補水和吹灰、向外供熱及參數(shù)偏離設計值等原因會有一定偏差。因此, 實際使用滑壓曲線時應考慮機組真空變化、機組當前運行狀況、機組泄漏情況以及其他因素的影響程度, 對壓力定值曲線進行一定的修正。

[1] 沈士一, 莊賀慶, 康松, 等. 汽輪機原理[M]. 北京: 中國電力出版社, 1992.

[2] 黃海東, 常澍平, 郭江龍, 等. 汽輪機滑壓運行優(yōu)化調(diào)整研究[J]. 汽輪機技術, 2010, 52(1): 76-78.

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[4] 呂太, 李耀德, 胡喬良. 汽輪機滑壓運行方式的經(jīng)濟性實驗分析[J]. 汽輪機技術, 2010, 52(2): 127-129.

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Optimization of Sliding Pressure Operation Test for 350MW Supercritical Steam Turbines

Huang Xinchang, Xu Xing, Tan Rui

(Guodian Science and Technology Research Institute, Nanjing 210023, China)

Based on analysis of the sliding pressure operation theory of steam turbines, an initial valve position of sliding pressure operation was found by throttling tests on the regulating valve, and then variable load operation tests were conducted at different valve positions near the initial point to verify its correctness. This method is applicable to actual engineering projects, which could help to reduce the number of test points and improve the efficiency of sliding pressure tests.

steam turbine; optimization of sliding pressure operation; valve position; efficiency of high-pressure cylinder; heat consumption; load

2016-04-12

黃新長(1985—)，男，工程師，主要從事火電機組熱力系統(tǒng)試驗及節(jié)能診斷研究。

E-mail: huangxc07@163.com

TK267

A

1671-086X(2016)06-0382-04