芻議火力發電機組深度調峰下汽輪機系統特性

任峰波

摘 要： 電源結構不合理，電網調峰能力差，是我國目前電力生產運行存在的主要問題。在風電的迅速增加的背景下，加劇了電網缺乏調峰電源的矛盾，導致無法充分利用可再生資源。火力發電機組深度調峰運行復雜，需要的技術較高，故需要對主機和輔機的特性進行準確把握。現對火電廠汽輪機及其輔機設備進行的低負荷下運行特性的研究，并對深度調峰狀態下汽輪機的安全運行提出對策。

關鍵詞：深度調峰 汽輪機系統 特性

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2016）05-0313-01

影響調峰運行的因素包括鍋爐和汽輪機的適應性，火力發電機組的經濟政策及管理方法等[1]。電網中負荷峰谷差值的頻發出現，誕生了不同的調峰機組和調峰方式，另外，在峰谷差不斷加大的情況下，調峰機組的安全運行受到了一定程度的影響。雖然我國火力發電機組一直參與調峰，但是近幾年來調峰的深度隨著電力市場的變化而不斷下探，故對深度調峰下汽輪機及輔機系統特性研究是十分必要的。

一、深度調峰狀態下汽輪機本體的特性研究

1.深度低負荷運行下汽輪機效率將會降低。汽輪機各個缸的效率可以分別討論：對于高壓缸來說就是調節級焓降占的高壓缸焓降的比例增大了，而調節級效率沒有壓力級的效率高，所以高壓缸效率下降；對于中壓缸來說，沒有什么影響，缸效率基本不隨負荷變化；對于低壓缸來說，排汽損失增大了，而且末級的效率很低，所以低壓缸效率降低的最大。

2.長時間低負荷運行時，調速汽門在開度很小的范圍內工作，蒸汽節流現象嚴重，壓力降落大，流速也大，其后果是使調速汽閥的閥座和閥體磨損加劇。長期低負荷運行會造成汽缸變形，引起動靜部分中心線不一致，造成機組振動。低負荷運行時，通過汽輪機的蒸汽流量很小，不足以把轉子轉動時的摩擦鼓風損失所產生的熱量帶走，導致排氣溫度高于正常值，會造成排汽缸或凝汽器溫度過高。

3.汽輪機低負荷運行，會加速末幾級葉片汽蝕的發展。在深度低負荷時，進入汽輪機的蒸汽參數較低，蒸汽做工后溫度降低通過末幾級葉片時濕度較大，含水明顯的蒸汽會造成汽輪機葉片的汽蝕。汽輪機葉片的安全可靠直接關系到汽輪機和整個電廠的安全，低負荷下對葉片汽蝕的問題必須采取措施進行防范。汽輪機在低負荷時進汽量少，容易使末級葉片產生鼓風摩擦，造成排汽溫度升高，末級葉片的工作條件惡化，容易引起葉片斷裂。

4.汽輪機動葉片的根部和葉輪的輪緣都會產生較大的負反動度。深度低負荷運行，汽輪機葉片的振動增加，尤其是末幾級葉片的顫振增加，如果此工況長時間期多頻次的出現，振動將會造成汽輪機葉片的疲勞斷裂，影響機組的安全運行。

5.汽輪機從低負荷到高負荷然后高負荷到低負荷，轉子表面、轉子中心孔、汽缸內壁、汽缸外壁等的熱應力剛好完成一個交變應力循環。金屬部件在交變熱應力反復作用下，在低于其強度極限，甚至許用壓力的情況下，就會因熱疲勞遭而破壞。汽輪機頻繁大幅度升降負荷，就會產生熱疲勞。異常情況下，加減負荷過快，會產生較大熱應力，加劇部件的破壞，影響汽輪機的壽命。

6.低負荷運行會使系統真空變高，真空升高即背壓降低，會產生一系列不利影響：a、在設計工況下，凝汽式汽輪機最末級噴嘴汽流一般是處于臨界狀態，背壓降低將使蒸汽進一步在噴嘴斜切部位膨脹，末級隔板前后壓差增大，而造成隔板過負荷。b、若背壓繼續降低，最末級動葉中將出現臨界工況，這時動葉前（即噴嘴后部）的壓力并不隨背壓降低而降低，動葉后的壓力下降，使動葉前后壓力差增大，造成動葉過負荷并引起軸向推力增大。c、如果背壓繼續降低，則蒸汽在動葉外膨脹不能產生有效功。此時背壓降低不能再增加汽輪機功率，這對汽輪機的安全和經濟性都無好處的。d、真空過高，排汽溫度低而濕氣增加，末級葉片水蝕加劇。e、對于低壓缸與軸承座一體設計的機組來說，真空過高有可能使低壓缸中心發生偏移，是造成機組振動的一個原因。

二、深度調峰狀態下汽輪機輔機的特性研究

1.對凝結水系統的影響。a.對凝汽器的影響：：在低負荷運行時，凝汽器過冷度變大，凝結水的溶氧量較易升高，若真空保持不當，會造成設備腐蝕。b.低負荷階段運行時，進入汽輪機做功的蒸汽量減少，汽輪機負壓增大，負壓系統不嚴密處的空氣泄漏量就會相對增大，漏入的空氣不僅使水側凝結水溶氧量升高而且會使凝結水泵產生汽蝕。

2.低負荷對回熱系統加熱器的影響。負荷突然降低，那么加熱器壓力下降較快，加熱器內有一部分飽和水將汽化引起汽水共騰，水位亦同時上升，回熱系統高壓和低壓加熱器的水位不易維持，并且各級加熱器之間疏水壓差變小，壓差小較容易造成加熱器疏水不暢和疏水閥門汽蝕最終導致加熱器無法維持正常水位運行，加熱器的效率大大降低，間接威脅機組的穩定運行。

3.在汽輪機組降低負荷時，汽封供汽系統，除氧器供汽系統，輔汽系統的汽源需要及時切換，保障系統供汽壓力。頻繁切換不僅加大監控難度，可會加快相關閥門的損耗。

4.對給水泵的影響。當汽輪機負荷變化時，若壓力變化太快，會造成給水泵入口汽化；低負荷運行時，給水泵需要在低流量的工況下運行，同樣可以造成汽蝕損傷，并且還會發生水力不平衡引起的擾動和噪聲，當泵的流量降到一定的程度時，葉輪入口產生渦流，進而會產生給水壓力的波動和脈動現象，造成葉輪入口區金屬的汽蝕。

5.對除氧器的影響。為了提高機組的經濟型和增加負荷的機動性，除氧器一般采用滑壓運行，當負荷降低時，抽汽參數偏離設計值，將導致除氧效果降低。如果是負荷突降，抽汽壓力下降，由于溫度不能突變，其抽氣壓力對應的飽和水溫度低于除氧器內水溫度，對除氧更為有利，所以含氧量下降。但這并不是一個好現象，對于這種閃蒸現象，應做相應的措施。

三、結語

火力發電機組在深度調峰狀況下，利于電網對可再生能源的接納，滿足國家節能減排政策，但是汽輪機在此狀況下的運行溫度較高，損害了其部件，致使金屬材料出現脆化、強度降低；汽輪機輔機設備在深度低負荷狀態下易偏離正常設計參數而運行不穩定。故在深度調峰下，應對汽輪機及輔機系統的安全特性進行重點考慮。

首先汽輪機低壓缸是有安全進汽要求的（低壓缸最小進氣量參見設計參數），在汽輪機低負荷運行時應首先滿足汽輪機低壓缸的安全要求。其次在汽輪機組降低負荷時，要注意汽水系統的切換操作，如疏水系統，汽封供汽系統，除氧器供汽系統，廠用汽系統的切換操作等。

如果在需要在低負荷區間長時間運行，需要注意以下幾個方面的問題。

1.在長時間低負荷時通過汽輪機的蒸汽流量很小，排氣溫度高于正常值，會造成排汽缸或凝汽器溫度過高。在投入汽輪機低壓缸排汽減溫水時要注意檢查噴出的水霧是否會造成低壓缸葉片的侵蝕，必要時可對噴水壓力及噴射角度進行適當地調整；運行中要監視減溫水連鎖是否可靠，溫度設定是否合理。

2.在長時間低負荷運行后低壓缸長葉片根部將會產生較大的負反動度，葉片沖刷損壞，甚至形成穩定的旋渦使葉片產生顫振。大修中需要對葉片進行頻率測定和金相分析，測定強度，解決辦法可以是改變葉片的結構，選擇合適的葉片型號和結構，如調整葉片的沖角、增加葉片寬度、減小動靜葉片面積比等。

3.在低負荷運行時候，要保證進入汽輪機的蒸汽參數不超出制造廠家設計允許值，因為鍋爐在低負荷時主汽與再熱汽溫差將會增大。

4.在低負荷運行時候汽輪機回熱加熱器級間疏水壓差變小，加熱器疏水容易發生疏水不暢和汽蝕，因此，要采取相應的保護措施，如加裝疏水冷卻器等設備防治汽蝕。

5.在運行調整方面，在降負荷調峰的時候要控制負荷變動率，防止溫度和壓力突變對本體及其輔機設備運行的沖擊影響。

參考文獻

[1]姜延燦，鄧彤天，張穎，等.600MW火電機組低負荷調峰的經濟運行方式分析[J].汽輪機技術，2015，（1）：61—64.

[2]王海琴.調峰運行對汽輪機輔助設備的影響[J].中國科技博覽，2014，（46）：45.

[3]賈貴華.發電廠火電機組中鍋爐和汽輪機組的協調控制系統分析[J].科技致富向導，2015，（3）：266.