300?MW機組適應調峰運行的一體化改造策略

張成杰　江飛　蘇靖　于志遠　李飛　劉金龍

摘 要：近期，國務院常務會議關于全面燃煤電廠大幅降低發電煤耗和污染排放的決定，給國內臺數占半的300 MW級別機組的安全高效運行提出了很大挑戰，紛紛尋求供熱改造的方案以大幅降低機組年平均供電煤耗。該文針對進一步降低300 MW調峰運行機組的年平均供電煤耗提出了適應長時間低負荷運行的一體化改造策略：針對國內本體設計裕度很大的汽輪機進行噴嘴組優化是一種硬改造策略，可以提高調峰機組低負荷運行經濟性；針對早期引進的本體設計裕度較小汽輪機進行噴嘴調節與滑壓相結合的運行優化是一種軟策略，非常易于實施。以2個電廠的8臺典型進口和國產機組為例進行實際測試，結果表明：配汽和滑壓的軟優化策略通用性較強，而噴嘴組硬改造策略必須結合運行方式軟優化策略才達到理想效果。這對我國300 MW機組調峰運行適應性的優化改造具有借鑒意義。

關鍵詞：300 MW機組 調峰運行 適應性 噴嘴組改造 運行優化

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（a）-0128-03

繼國家三部委于2014年9月印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》，要求到2020年現役燃煤發電機組改造后平均供電煤耗低于310 g/kW·h，其中現役60萬 kW及以上機組（除空冷機組外）改造后平均供電煤耗低于300 g/kW·h后；國務院常務會議于2015年12月2日決定全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造、大幅降低發電煤耗和污染排放：在2020年前，對燃煤機組全面實施超低排放和節能改造，使所有現役電廠每千瓦時平均煤耗低于310 g、新建電廠平均煤耗低于300 g，對落后產能和不符合相關強制性標準要求的堅決淘汰關停，東、中部地區要提前至2017年和2018年達標[1]。專家指出：技術上沒有問題，并且，國內很大一部分電廠已經實現了平均煤耗低于310 g的指標，下一步推廣技術上不存在阻力。

然而，實際中許多300 MW級別純凝亞臨界機組，采用常規的節能技術根本無法達到310 g/kWh供電煤耗的要求；供熱改造雖然是大幅降低機組年平均供電煤耗的最有效策略，但其供電煤耗是否達標還要取決于其供熱時間及熱電比大小。

1 300 MW汽輪機低負荷運行現狀

1.1 所選的8臺案例機組概述

所選8臺案例機組配備4高調門噴嘴組，可以分成4類：2臺純進口330 MW機組，2臺半國產化330 MW機組，4臺純國產機組（2臺北重330 MW機組和2臺東汽300 MW機組）。其中，6臺330 MW機組設計裕度較小，機組采用噴嘴配汽滿發時4個調門基本全開。4高壓調節閥對應4組噴嘴（1、2組9個汽道，3、4組11個汽道），設計時已經基本處于優化狀態。2臺300 MW機組設計裕度較大，機組滿發時基本處于噴嘴調節方式的三閥點運行狀態。并且，4個調門對應4組噴嘴，每個噴嘴對應的汽道是相同的。

1.2 300 MW級別機組運行現狀

根據中電聯統計的信息，至2014年底，中國電力總裝機達13.6億kW，其中火電占比約為67.3%，煤電機組則占總裝機的比例約63.2%。另據2015年電力可靠性中心發布的統計數據（雖然不是所有機組都參與了統計，但很有代表性），2014年參加可靠性評價不同等級的煤電機組中，300 MW等級以下的機組數量占了總數的約70%，容量也占了約49%。機組調峰運行時不僅存在經濟性低下的問題，而且也由于調峰運行出現了一些影響機組安全穩定性的問題[2-3]。因此，許多電廠進行了一系列常規的節能優化改造，如變頻、低溫省煤器、軸封改造、閥門管理、滑壓運行、冷端優化等，涉及鍋爐、汽輪機以及輔機[4-6]。上海外高橋電廠走在技術前列[7]，為了提高4臺300 MW機組的調峰能力，通過研發計算機網絡管理系統軟件對機組運行實行優化管理。軟件的形成涉及機組摸底試驗、優化調整試驗、基準試驗、建立機組耗差和經濟性評價模型等，并可根據實際運行情況進一步完善。

2 汽輪機本體的硬改造策略

目前，許多亞臨界300 MW級別機組需要頻繁地參與系統調峰，機組負荷大范圍變動甚至長時間低于THA設計值，導致其運行經濟性下降嚴重。汽輪機經濟性下降的程度差別與調節級噴嘴組相關性較大，主要原因在于通流面積與實際通流需求的不匹配；并且，隨負荷偏離額定值越大經濟性下降越嚴重。再加上原設計噴嘴組在設計制造過程中存在不完善、通流面積過大，造成在運機組的調節級效率較差的普遍問題。因此，即便是機組進行檢修后，這個問題也是存在的。所以，對于300 MW機組進行噴嘴組優化改造非常必要，尤其是上述2臺本體設計裕度較大的機組。

3 運行方式的軟優化策略

3.1 閥門管理優化

然而，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很大的偏離。如圖1和2所示，為2臺設計裕度較大的300 MW機組進行噴嘴組優化改造前后，試驗測得的機組實際調門流量特性曲線。從兩圖的對比可以看出：前兩個調門流量承擔的份額下降了10%，因此，機組低負荷運行時調門相對原來開度變大，經濟性變好。需要注意的是，進行調節級特性計算時，也需要考慮改變不同噴嘴數目組合對機組調節級葉片強度的影響[8-9]。對于當前正在發展的超臨界機組還需進一步考慮閥體激振問題[10]。

3.2 滑壓運行方式優化

進一步，由于噴嘴組改造改變了調門流量特性，因此調門特性曲線優化后各負荷點對應的最優主蒸汽壓力也發生改變了。通過2臺噴嘴組優化改造機組的實際變壓力運行試驗，得出各個主汽量/負荷的最優主蒸汽壓力點，同時綜合考慮機組在各個壓力下運行的安全穩定性等因素，對試驗結果進行適當修正調整，得到了機組最優滑壓運行規律；如圖3和圖4所示，為機組純凝工況和抽汽工況這兩種工況下的優化滑壓曲線設計規律，考慮了機組實際供熱工況對最優主蒸汽壓力的影響。

3.3 實際運行測試結果

對于進行噴嘴組優化硬改造和運行方式軟優化的機組進行變負荷運行測試實驗：根據機組在不同負荷下運行時間的比例，對節能效果進行加權平均，得到在機組常運行的負荷區間內，僅運行方式優化前后的機組綜合熱耗率對比就下降了50 kJ/kWh，折合煤耗2 g/kwh左右，具有很好的節能效益。

對于6臺設計裕度較小的330 MW機組進行了運行方式軟優化，如圖5、圖6、圖7所示，分別為機組優化后的特性曲線、#1、#2瓦瓦溫和瓦振水平以及機組調節特性的線性度。可以看出：通過優化解決了由于制造安裝等因素引起機組實際流量特性與順序閥設計規律不匹配問題，確保機組瓦溫和軸振水平處于優良，避免機組可能會出現的高調門、EH油壓和負荷等的大幅波動問題。由于6臺機組屬于100%汽泵，并且同一機組存在兩個抽汽點，因此，滑壓運行優化存在一定的特殊性；所以，需要針對6臺機組進行特殊的滑壓運行優化研究，切實提高低負荷運行經濟性。

4 結語

該文針對300 MW機組調峰運行適應性的一體化改造策略進行實際案例研究：（1）針對國內本體設計裕度很大的汽輪機進行噴嘴組優化是一種硬改造策略，可以提高調峰機組低負荷運行經濟性；針對早期引進的本體設計裕度較小汽輪機進行噴嘴調節與滑壓相結合的運行優化是一種軟策略，非常易于實施；（2）以2個電廠的8臺典型進口和國產機組為例進行實際測試，結果表明：配汽和滑壓的軟優化策略通用性較強，而噴嘴組硬改造策略必須結合運行方式軟優化策略才達到理想效果；（3）運行方式優化雖然易于實施，但需要考慮的問題也比較多，機組調門特性曲線優化必須考慮不同噴嘴數目差異對調節級葉片強度的影響，滑壓運行優化還需考慮抽汽量和抽汽位置問題。

參考文獻

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