大功率汽輪機噴嘴組改造對最優運行壓力影響

鄒學明　焦明勇　楊有民　盧布　劉憲民　萬杰

摘 要：目前，為了提高機組變工況下的調節級效率，許多汽輪機進行了噴嘴組優化改造，機組容量范圍從200 MW到660 MW、參數從超高壓到超臨界。該文以典型600 MW機組為例，針對大功率汽輪機嘴組改造對機組最優運行壓力影響進行實驗研究，結果發現噴嘴組改造后雖然機組的調節效率提高了，但是機組的整體運行熱耗率卻不是最低的，即噴嘴組改造后還需同時將機組的滑壓運行曲線進行重新測試修正。同時，還設計了能夠克服機組背壓變化的滑壓曲線，切實提高機組的運行效率。

關鍵詞：大功率 汽輪機 噴嘴組改造 最優運行壓力 滑壓實驗

中圖分類號：TK26 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（c）-0005-03

目前，中國新能源電力的規模化發展必然主要依賴于火電機組的快速深度調峰[1]，調峰機組容量范圍從200 MW到660 MW、參數從超高壓到超臨界。此外，隨著電力峰谷差越來越大，不僅許多大功率純凝火電機組參與調峰[2]，而且許多熱電聯產機組也勢必參與電力調峰[3]。由于機組進行深度的變工況運行，汽輪機偏離設計工況、機組經濟性下降。因此，為了提高電廠的經濟效益，必須采用滑壓運行方式。與定壓運行相比，滑壓運行具有多種優點。以300 MW級別的機組，通過滑壓運行較定壓運行方式可降低發電煤耗2 g/kW·h左右[4-5]。當前的滑壓運行方法都是將機組負荷作為自變量來確定機組的主蒸汽壓力，并根據機組的現場實際運行數據對理論滑壓曲線進行優化修正，確定出負荷與滑壓值之間的最優對應關系[6-7]。一般通過實驗比較法來獲取機組最優運行主蒸汽壓力，國內外大部分電廠都采用這種方法對滑壓曲線進行確定，但是對實驗儀器的精度和實驗過程的要求比較高[8]。在缺乏高精度實驗條件的情況下，也可采用耗差分析法[9]，即提取對機組滑壓運行性能有關鍵影響的運行參數，分別計算這些參數對機組熱耗率影響的分項耗差，匯總得到耗差總和，并以耗差總和最小為機組不同滑壓尋優評判的依據。此外，還可運用現代計算機技術建立優化模型來確定最優運行主蒸汽壓力[10]。然而，機組最優運行主蒸汽壓力受多種因素，實際機組在運行時往往會因多種因素而偏離最優工況點。文獻[11]指出：汽輪機噴嘴組優化改造技術，可以將額定工況下的調節級效率提高了約15%～20%，節能效果顯著。

該文針對大功率汽輪機嘴組改造對機組最優運行壓力影響進行研究，以600 MW機組為研究案例，實驗結果發現噴嘴組改造后雖然機組的調節效率提高了，但是機組的整體運行熱耗率卻不是最低的，即噴嘴組改造后還需同時將機組的滑壓運行曲線進行重新測試修正。同時，還設計了能夠克服機組背壓變化的滑壓曲線，切實提高機組的運行效率。

1 噴嘴組改造案例分析

1.1 案例機組概況

案例機組選取一臺上海汽輪機有限公司生產制造的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，額定功率為600 MW，額定蒸汽流量1 788.755 t/h，采用噴嘴調節方式，設有4個高壓調節汽閥，調節閥分別由各自獨立的油動機控制，每個調節汽閥對應28個噴嘴，共112個噴嘴，每組噴嘴設計通流面積為115.71 cm2。

1.2 機組改造的必要性分析

該汽輪機組于2014年6月進行B級檢修，于2013年12月18日進行了機組修前的熱力性能試驗，熱耗率與設計值相差5.7%。結合電廠熱力系統設計以及熱力系統循環的基本理論，現有的機組設計思想和特性與實際運行嚴重不符，汽輪機側的設計制造問題較大，其中高壓汽門和調節級的設計制造都存在明顯問題。值得注意的是，現在運機組無論機組容量大小，在調節級在設計、加工制造存在普遍性的問題，通流面積過大，直接影響了汽輪機經濟性，制造工藝水平的偏離，又使得這種本來就有偏差的設計理念反映到最終產品上后效率更差，這種多因素的偏離，違背了提高火電廠經濟性相關理論中，盡可能提高初參數和減小工質能量各轉變過程中節流損失的基本原則，是目前機組普遍經濟性較差的最主要原因，因此，從理論上來說，對于噴嘴組部件的整體更換，進行定制式的設計以及制造是有利于機組運行經濟性的。

此外，通過調研發現：噴嘴組優化改造后的電廠均取得了較好的經濟性收益，熱力性能試驗結果表明，機組在安全運行的前提下，機組運行的經濟性得到了較大提高。同時，改造后的噴嘴組運行情況良好，安全可靠性明顯提高，大修揭缸后未發現部分原廠噴嘴組容易出現的固體粒子沖蝕導致的噴嘴組葉片破損等問題。因此，噴嘴組改造在保障機組安全性的前提下，對于提高機組經濟性有很大作用。

1.3 存在的主要問題及對策分析

汽輪機噴嘴組存在噴嘴與動葉動靜匹配較差、通流面積過大。噴嘴與動葉動靜匹配較差，將導致靜葉出口汽流不能以最佳方式進入動葉做功，增加流動阻力，降低流動效率；噴嘴組通流面積過大，將使汽輪機經常處于偏離設計點和經濟工況較大的狀態運行，降低了機組的經濟性；調節級效率低于設計值，將導致汽輪機高壓缸效率明顯下降和機組熱耗增加。通過對汽輪機噴嘴組進行整體更換，優化噴嘴組的結構、進行重新的整體設計，改善噴嘴組抗擊固體顆粒沖蝕的能力，優化通流面積，改善調節級效率，使得機組整體發電煤耗明顯降低。原則上，不改變機組原本的結構以及設計；不影響機組的運行安全性；汽輪機的噴嘴組通流面積適當縮小并合理設計，在額定主汽參數下噴嘴組可以通過的蒸汽流量將不小于鍋爐設計的最大連續蒸發量；針對汽輪機的具體尺寸進行定制式設計。

2 改造對機組最優運行壓力的影響

當機組負荷的降低，即主蒸汽流量減少時，如果閥門開度保持不變，進行滑壓運行，調節級效率基本不變，而定壓運行因為閥門開度減小，使節流損失增大，從而使調節級效率減小，使機組經濟性下降。調節級的熱力過程線如圖1所示。而機組的最優運行壓力不僅考慮機組的循環效率而且需要考慮調節效率，即節流損失的問題。因此，機組進行噴嘴改造后，會對機組的最優運行壓力產生影響。

3 機組運行方式的進一步優化策略

進行每一負荷點的最優主蒸汽壓力尋優試驗，如表1所示；需要注意的是：在同一負荷點下的實驗中，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，每一個汽壓工況都要穩定1小時左右，這些對所獲取的滑壓運行曲線的精確程度影響非常重要。通過熱耗率計算對比圖2所示的原滑壓運行曲線已經不適合機組的經濟性運行；通過實驗，得到了機組新的滑壓運行曲線，如圖3所示。實際熱耗率計算結果顯示，噴嘴改造直接導致滑壓運行曲線發生偏移，低負荷運行區域影響機組熱耗率50 kJ/kw·h左右。

4 結語

該文以600 MW機組為研究案例，對大功率汽輪機嘴組改造對機組最優運行壓力影響進行實驗研究，結果發現：

（1）噴嘴組改造后雖然機組的調節效率提高了，但是機組的整體運行熱耗率卻不是最低的；

（2）通過對實際機組的不同負荷點的壓力進行尋優實驗的結果表明，噴嘴組改造后還需同時將機組的滑壓運行曲線進行重新測試修正。

因此，為了切實提高機組的運行效率，還設計了能夠克服機組背壓變化的滑壓曲線。此外，通過對實際200 MW機組、300 MW機組以及600 MW超臨界機組的調研發現：機組的本體優化改造對最優運行主蒸汽壓力都會產生或多或少的影響，需要視具體情況對機組的滑壓運行曲線進行調整，從而提高機組運行效率。

參考文獻

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[9] 王利軍，高登攀，朱蓬勃.通過試驗方法確定汽輪機組滑壓運行最優參數[J].內蒙古電力技術，2011，29（1）：53-55.

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