基于試驗法的600 MW超臨界汽輪機閥門特性優(yōu)化

王章生，王守帥，俞啟云，鄢傳武

（1.華電電力科學研究院，杭州 310030； 2.十里泉發(fā)電廠，山東 棗莊 277103）

0 前言

目前，多數(shù)發(fā)電廠采用制造廠提供的高壓調門特性來指導機組實際運行。閥門特性通常是指閥門升程與閥門流量的關系，通過閥門的流量是閥門升程與閥門前后壓比的函數(shù)。機組在順序閥投運的運行方式下，主蒸汽流量通過流量分配函數(shù)分配給各個調門，確定該工況下各個調門升程與流量的關系。

在機組采用順序閥配汽的運行方式下，節(jié)流損失較小、經(jīng)濟性較高。當配汽特性設計不良時，機組的閥門升程特性與流量特性會偏離原設計狀態(tài)，直接影響到系統(tǒng)的調節(jié)特性、一次調頻性能、運行安全性和經(jīng)濟性。為了研究調門特性對機組的影響，國外有從理論方面來研究不同閥門前后壓比下，閥門升程與流量的關系特性[1-2]；國內有從機組調門重疊度方面來研究閥門組合特性[3-4]。以下經(jīng)試驗來確定順序閥配汽方式下閥門管理參數(shù)與控制參數(shù)之間的關系[5]，以某600 MW超臨界機組為研究對象，通過閥門優(yōu)化前后機組性能數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，機組的節(jié)能降耗空間較為明顯。

1 系統(tǒng)概述

某600 MW超臨界機組配備一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、凝汽式汽輪機。高、中壓缸采用合缸結構，2個低壓缸為對稱分流式，機組型號為N600-24.2/566/566。

機組閥門啟閉控制采用數(shù)字電液調節(jié)控制系統(tǒng)。高壓進汽閥門為2只高壓主汽門，每個高壓主汽門分別控制2個高壓調門。機組經(jīng)過閥門優(yōu)化后采用順序閥運行，進汽順序為“2號+4號→3號→1號”，汽輪機配汽方式如圖1所示。

圖1 600 MW超臨界汽輪機配汽方式

2 經(jīng)濟性試驗計算模型

試驗主要依據(jù)GB 8117-87《電站汽輪機熱力性能驗收試驗規(guī)程》和美國機械工程師協(xié)會ASME PTC6-1996《汽輪機性能試驗規(guī)程》?？紤]到超臨界機組給水壓力較高，精確測量給水流量難度較大，試驗時機組的給水流量是通過測量除氧器進口流量，采用熱平衡方法來確定的。為減少外界條件對機組的影響，試驗過程采用單機運行，并對機組補水、加熱器危急疏水、管道閥門疏水、系統(tǒng)排污、吹灰與系統(tǒng)排汽進行了隔離，具體方法參照文獻[6]。

機組的試驗熱耗率用式（1）表示：

式中：HR為機組試驗熱耗率；Pe為試驗電功率；Grhsp為再熱減溫水流量；Hrhsp為再熱減溫水焓；Gms，Gffw分別為主蒸汽流量與給水流量；Hms，Hffw分別為主蒸汽焓與給水焓；Ghrh，Gcrh分別為熱再與冷再蒸汽流量；Hhrh，Hcrh分別為熱再與冷再蒸汽焓。

全廠熱效率用式（2）表示：

式中：ηgl，ηgd分別為鍋爐效率和管道效率；ηr，ηkn分別為循環(huán)熱效率和汽機相對內效率；ηj，ηd分別為機械傳遞效率和發(fā)電機效率。

當機組負荷發(fā)生變化時，ηgl，ηgd，ηj，ηd變化不大，影響全廠熱效率因素為ηr，ηkn。當機組帶部分負荷時，若初參數(shù)不變，必須關小調門，節(jié)流損失增加，ηkn降低；若降低初參數(shù)，保持閥門開度不變，ηr降低。帶部分負荷時，一定存在一個較優(yōu)的調門開度，使ηr×ηkn有一個最佳值，此時熱效率高、煤耗低、機組經(jīng)濟性較優(yōu)。

3 試驗分析

3.1 機組歷史運行情況

該機組采用東方汽輪機有限公司引進的日本日立技術，最初是按照基礎負荷、不參與調峰的理念來設計的。但是自投產(chǎn)以來，一直作為調峰機組使用，年平均負荷不到70%。若機組按原有的閥序運行，將影響機組的經(jīng)濟性。負荷分別為550 MW，500 MW，450 MW，400 MW，360 MW時的歷史運行數(shù)據(jù)見表1所示。

表1中的試驗熱耗率按上述公式計算，修正后熱耗率是修正到設計工況邊界條件下的值。從表1數(shù)據(jù)可以看出，部分負荷工況時，2—4號調門均沒有全開，節(jié)流損失較大，嚴重影響機組的經(jīng)濟性。

3.2 機組相同負荷工況下試驗分析

表1 不同負荷工況下原機組調門組合關系

為尋求機組合理的配汽方式，達到節(jié)能降耗的目的，對機組的配汽方式進行了一系列閥門特性試驗，尋求機組在不同負荷工況下，較優(yōu)的閥門組合配汽方式。圖2為機組的定滑壓曲線。以550 MW工況為例，進行不同閥序組合方式下的試驗。試驗時考慮到機組安全性，每個負荷工況下保證2號與4號高壓調門開度為100%，通過3號調門開度與機組的初參數(shù)來調節(jié)負荷。為較準確地尋求不同負荷工況下機組較優(yōu)的閥門組合關系，分析比較初參數(shù)與蒸汽的節(jié)流損失兩者對機組經(jīng)濟性的影響，試驗時3號調門開度變化范圍為0～100%，試驗數(shù)據(jù)見表2所示。

圖2 機組定滑壓曲線

在同一負荷工況下，采用不同的閥序組合，機組的經(jīng)濟性存在較大的差異。通過比較表2中5種調門組合方案，發(fā)現(xiàn)在2號與4號調門全開、1號調門關閉、3號調門開到50%以上時，蒸汽的節(jié)流損失降低了，機組的經(jīng)濟性優(yōu)于原先的閥門組合方案。而當2號與4號號調門全開、1號調門關閉、3號調門開到50%以下時，機組的經(jīng)濟性比原調門組合方案差。其原因是在該工況下單閥節(jié)流損失帶來的經(jīng)濟性要優(yōu)于順序閥運行與滑參數(shù)運行。閥序3工況機組的經(jīng)濟性要優(yōu)于其他閥序工況下機組的經(jīng)濟性，是因為綜合考慮了滑參數(shù)與節(jié)流損失兩方面因素。

3.3 機組調門優(yōu)化前后對比分析

通過試驗分析方法，對不同工況、不同閥序組合分別進行試驗，尋求在特定負荷工況下，較優(yōu)的閥門組合方案，試驗結果如表3所示。將試驗前后調門組合進行比較，確定閥門優(yōu)化前后機組的經(jīng)濟性及優(yōu)化后機組滑壓運行曲線，如圖3—5所示。

從圖3與圖4閥門優(yōu)化前后數(shù)據(jù)的比較可以看出，優(yōu)化前機組在不同負荷工況下，2，3，4號調門均有一定的開度，其開度均為50%左右，進汽節(jié)流損失較大，汽機的相對熱效率較低。優(yōu)化后閥門在不同負荷工況下，1號調門關閉，2號與4號調門都全部開啟，通過調節(jié)3號調門開度來滿足負荷要求，機組的經(jīng)濟性明顯提高。

表2 550 MW工況下不同調門組合方案

表3 不同負荷工況下尋優(yōu)后機組調門組合關系

圖3 優(yōu)化前調門組合方式

圖4 優(yōu)化后調門組合方式

圖5 優(yōu)化前后機組經(jīng)濟性比較

從圖4優(yōu)化后閥門組合關系可以看出，負荷從350 MW增至550 MW時，3號調門在500 MW處突增后又慢慢降低，這是因為尋求機組較優(yōu)的經(jīng)濟性時，一方面要考慮閥門組合關系，另一方面要考慮機組定滑壓經(jīng)濟運行，試驗500 MW工況出現(xiàn)3號調門階躍是機組定滑壓優(yōu)化運行影響的結果。從圖4結果可以看出，閥門優(yōu)化是確定不同負荷工況下，機組較優(yōu)的閥門組合關系。根據(jù)優(yōu)化閥門組合關系結果，調整閥門升程與蒸汽流量（負荷）關系。

從圖5優(yōu)化前后機組熱耗率數(shù)據(jù)比較可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過調門組合優(yōu)化，機組的熱耗率平均降低30 kJ/kWh，部分負荷工況下能降低50 kJ/kWh，達到了機組節(jié)能降耗的目的。

4 結論

（1）通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，機組原調門組合方案不適合機組部分負荷運行工況，節(jié)流損失較大。優(yōu)化后通過調節(jié)3號調門開度來滿足機組部分負荷要求，系統(tǒng)節(jié)流損失較小，機組的經(jīng)濟性較高。機組的熱耗率平均降低30 kJ/kWh，節(jié)能效果明顯。

（2）閥門特性優(yōu)化試驗結果，綜合考慮了閥門特性優(yōu)化與機組定滑壓運行，可以直接根據(jù)閥門優(yōu)化結果調整機組負荷與主汽壓力對應關系，減少大修改造后重新調整機組定滑壓運行曲線的工作量。

（3）通過試驗的方法來研究機組調門組合關系，彌補了理論研究的不足，對同類型機組的節(jié)能優(yōu)化運行具有參考價值。

[1]ASME international Mechanical Engineering Congress.Analysis and optimization design of pressure compensated flow control valves[S].2003.

[2]ASME.Analysis of a Pressure-Compensated Flow Control Value[S].2007.

[3]文賢馗，申自明.汽輪機控制系統(tǒng)改造中閥門重疊度的研究[J].熱力發(fā)電，2003，32（5）:41-43.

[4]田松峰，史志杰，閆麗濤.汽輪機控制系統(tǒng)中閥門重疊度的研究[J].汽輪機技術，2008，50（6）:448-450.

[5]王文寬.大型汽輪機閥門管理參數(shù)的現(xiàn)場整定[J].汽輪機技術，2008，50（2）:156-158.

[6]劉凱.汽輪機試驗[M].北京：中國電力出版社，2005.