亞臨界600?MW機組低負荷運行適應性優化改造

王銳　鄒學明　馬志國　孫建國　李飛　劉金龍

摘 要：許多參與電網調峰的亞臨界600 MW機組日益大范圍偏離額定工況運行。該文以達拉特電廠和發耳電廠的兩類典型空冷和濕冷亞臨界600 MW機組為案例，首先闡述并分析了噴嘴組優化改造的節能優勢及潛在問題；然后，給出了高調門流量特性曲線優化的必要性和附加收益；最終，通過硬改造和軟優化相結合的方式，解決機組全年低負荷運行的安全高效性問題。此外，還指出了機組的真正低負荷節能運行還需結合考慮背壓變化的三維滑壓優化。這對大功率火電機組低負荷運行適應性優化改造具有一定的借鑒指導意義。

關鍵詞：亞臨界 600 MW機組 低負荷 適應性 優化改造

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（a）-0080-03

目前，越來越多的大功率火電機組不得不長時間大范圍偏離額定設計工況運行來調節不斷增大的電網峰谷差，機組運行效率嚴重降低[1-2]。噴嘴調節方式雖然可以在一定程度上提高機組低負荷運行的經濟性，然而，不合理的噴嘴配汽規律設計也會給機組的安全穩定運行帶來影響。所以，早期國內針對汽輪機噴嘴配汽問題研究大都從軟件方面進行，包括通過優化進汽順序解決機組軸系穩定較差的問題[3-4]和優化重疊度降低機組高調門的節流損失[5]。接著，一些研究者開始注重研究節流調節和噴嘴調節方式的無擾切換問題，即降低切換過程的負荷波動和汽壓波動[6]。近幾年隨著風電等隨機波動性新能源電源的大規模接入，不僅機組一次調頻和AGC性能的調節品質考核變得更加嚴格，而且機組偏離設計工況的運行時間更久、范圍更寬。所以，大功率調峰機組面臨的低負荷安全高效運行問題更加嚴峻，需非常重視挖掘機組節能潛力、降低發電煤耗、節約發電成本、提高上網競爭優勢[7-8]。并且，隨著電網中參與調峰的亞臨界600 MW級別機組的逐漸增多，機組低負荷運行適應性優化改造就顯得非常必要[9-10]。該文選取空冷和濕冷兩類典型亞臨界600 MW機組為研究案例，分別闡述了噴嘴組硬改造和高調門流量特性曲線軟優化兩種低負荷運行方式適應性優化策略的優勢和弊端。在此基礎上提出了兩者結合的互補性以及滑壓優化的必要性。

1 案例機組概況及節能潛力分析

1.1 亞臨界600 MW濕冷機組案例

大唐貴州發耳電廠配備4臺亞臨界600 MW濕冷機組，4臺汽輪機均為上海汽輪機有限公司設計制造的N600-16.7/538/538型亞臨界、三缸四排汽、凝汽式汽輪機。廠里的1～4號機組分別于2008年6月21日、2008年11月26日、2009年11月10日和2010年06月10日投產。以4號機組為例，汽輪機熱耗率為8 305.2 kJ/kW·h，與設計值7 859.0 kJ/kW·h偏離較大。

1.2 亞臨界600 MW空冷機組案例

達拉特發電廠配備2臺亞臨界600 MW空冷機組，汽輪機生產廠家及型號與發耳電廠相同，汽輪機型號為N600—16.7/538/538。2臺機組的熱耗率相對設計值偏離不嚴重，屬于優良機組。然而，機組卻存在噴嘴調節故障：機組原設計高調閥開啟順序為GV3+GV4→GV2→GV1，機組在原順序閥設計規律下運行時，#1、#2瓦的瓦溫最大升高量約10 ℃，EH油壓最大波動量約1 MPa，嚴重影響了機組的安全運行，以至于機組不得不以單閥方式運行，運行經濟性極其低下。

2 噴嘴組優化改造策略

2.1 上汽亞臨界600 MW機組噴嘴布置圖

上汽廠生產的600 MW級別機組噴嘴數目布置如圖1所示。通過對類似電廠現場調研，發現對于汽輪機調節級噴嘴組的整體更換可以部分解決機組原先設計、制造方面的缺陷，對于機組節能降耗的作用較大。因此，解決2臺濕冷機組的熱耗率較設計值偏離較高的問題，需要整體更換新的定制式設計的調節級噴嘴組。

2.2 噴嘴組優化改造理論依據

并網運行的許多亞臨界600 MW火電機組受電網負荷調度限制，頻繁地參與系統調峰，當機組負荷低于THA設計值，其運行經濟性下降。由于汽輪機出力能力與其經濟性是相左的，經濟性下降的程度差別與調節級噴嘴組相關性較大，屬于設計制造質量問題。通流面積與實際通流需求的不匹配，隨負荷下降，經濟性下降偏離額定工況越大，再加上原主機廠設計的噴嘴組在設計、制造過程中存在不完善的狀況，造成在運機組的調節級效率較差，通流面積過大成為一個普遍的問題。同時，目前機組的平均負荷率普遍較低，導致機組額定負荷試驗結果不錯而實際運行效果卻很差。特別是循環水平均水溫的設計背壓下，額定負荷和低負荷工況特別突出。即便是機組進行檢修后，這個問題也是存在的。以發耳電廠#1機組為例，機組B修后的試驗結果顯示：隨著機組功率下降，發電熱耗率相對THA設計值上升；80%負荷上升17.6 g/kW·h，60%負荷上升31.3 g/kW·h。

3 噴嘴組改造弊端及調整措施

3.1 噴嘴組改造對機組調門特性曲線的影響

3.1.1 噴嘴組改造對機組調節特性的影響

汽輪機噴嘴組改造直接影響了機組的調節級實際流量特性，導致高調門特性曲線發生偏離。因此，噴嘴組改造對機組調節特性產生影響，導致機組閥門綜合流量特性曲線的線性度較差，對機組調節能力和整體運行效益都會有很大的影響。

3.1.2 調門特性曲線存在的其他問題分析

進一步分析，上汽亞臨界600 MW機組的出廠順序閥設計規律屬于上缸進汽方式，不僅達拉特電廠2臺空冷機組出現了順序閥投運問題，錦界電廠4臺機組也出現了類似問題[11]。同時，當機組低負荷運行時，尤其是機組上半缸進汽，進汽不均引起上下缸溫差，導致產生較大的漏汽量，影響機組運行經濟性；根據目前公開文獻資料顯示，影響煤耗0.5 g/kW·h左右；此外，#4機組閥門流量特性曲線設計不合理，系統調節性較差；尤其是，對于#1高調門，正常參與調節時動作幅度過大，對油動機等閥門硬件系統的使用壽命影響較大，嚴重時還會導致硬件故障，影響機組的安全穩定運行[12]。

3.2 機組高調門特性曲線優化及效果

3.2.1 整體優化方案

通過檢修后數據分析得到驗證，機組進行噴嘴改造機組的閥門特性發生較大改變：機組的計算流量與實際流量特性存在較大偏差，流量特性曲線線性度較差；尤其是當機組運行至流量特性最差部位，不僅不利于機組的調節性，嚴重時還可能發生閥門擺動、甚至是負荷振蕩。通過理論分析及試驗測試得到整體綜合優化方案為#2+#3→#1→#4，如圖2所示。達拉特電廠2臺機組的優化結果也是如此，只不過每個調門的特性不同。

3.2.2 案例機組的整體優化效果

通過該配汽綜合優化技術，對發耳電廠和達拉特電廠的案例機組進行優化改造，取得效果如下所述。

（1）在機組安全穩定運行方面：優化后，明顯改善機組閥門的綜合流量特性曲線的線性度，解決由于機組流量特性曲線較差引起的閥門異常調節問題；優化機組配汽不平衡汽流力，使機組的瓦溫或者軸振得到改善，順序閥軸振和瓦溫水平接近單閥運行狀態。

（2）在機組直接運行經濟性方面：對于機組閥門重組及開啟重疊度進行合理優化設計，降低節流損失，減小低負荷上半缸進汽時的漏汽量，在230～350 MW負荷段降低機組發電煤耗0.5 g/kW·h左右。

（3）在機組間接運行經濟性方面：優化高調門的開啟規律，消除調門異常調節，減少原件磨損、增加使用壽命，間接提高電廠效益；改善機組綜合流量特性曲線的線性度，提高機組調節性能（如AGC和一次調頻），間接提高電廠的運行經濟性，增加電廠運行效益。

4 結語

該文以幾臺典型空冷和濕冷機組為例，闡述了亞臨界600 MW級別汽輪機低負荷運行適應性優化改造的策略研究，得到了如下的結論：噴嘴組硬件改造在提高汽輪機低負荷運行經濟性的同時也帶來了弊端，因此，不能單獨使用；必須結合高調門流量特性曲線優化方法解決噴嘴組改造帶來的不良影響，在實際中真正實現了安全節能的效果。后期，還需針對機組背壓變化進行滑壓運行曲線的三維優化，真正實現低負荷高效運行。

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