大功率汽輪機低負荷運行適應性優化改造策略研究

王銳

（大唐貴州發耳發電有限公司 貴州水城 553017）

大功率汽輪機低負荷運行適應性優化改造策略研究

王銳

（大唐貴州發耳發電有限公司 貴州水城 553017）

目前，日趨增大的電網峰谷差使得越來越多的高參數大功率火電機組不得不參與調峰，機組長時間運行于額定工況之外。本文以600MW級別機組為例，闡述了基于噴嘴組改造的汽輪機在低負荷適應性的優化策略，并結合配汽規律優化解決了噴嘴組改造帶來的對調節品質的影響。最終，通過軟硬件相結合的優化方式，使得機組既能夠提高機組全年變工況運行經濟性，又能夠改善機組運行的安全穩定性，在實際中真正實現了安全節能的效果。這對我國大功率汽輪發電機組節能優化的運行及改造經驗具有很大的借鑒作用。

大功率；汽輪機；低負荷；經濟性；優化改造

1 引言

汽輪機每個高調門都對應一組噴嘴，通過控制回路輸出的流量信號驅使高調門開關實現對轉速或功率調節。然而，隨著電網峰谷差的不斷增大，許多大功率火電機組勢必要進行深度變負荷運行，致使機組偏離額定設計工況太多而運行效率降低[1，2]。一般，為了提高機組的低負荷運行經濟性，汽輪機在實際穩定運行時都采用噴嘴調節方式。但是，當噴嘴調節方式的配汽規律設計不合理時會給機組的安全穩定和運行經濟性都帶來影響；因此，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]。然而，隨著近幾年新能源等隨機波動性電源的大規模接入，不僅電廠的負荷率被進一步壓低；而且，電網對電廠機組的調節品質變得更加嚴格，一次調頻和AGC性能開始考核。所以，各電廠都在充分挖掘機組的節能潛力，采取各種方法和手段盡可能地降低發電煤耗，以節約發電成本，提高上網競爭中的優勢。通過優化不同噴嘴數的調門組合來提高機組低負荷運行經濟性和保證機組流量特性曲線的線性度[7，8]。

目前，隨著高參數大容量機組的進一步發展和投產，機組低負荷運行適應性優化改造就顯得非常必要，超臨界機組比亞臨界機組改造必要性更大，尤其是目前在電網占主流的600MW級別機組[9，10]。因此，600MW級別機組的低負荷運行適應性優化改造經驗具有非常寶貴的借鑒意義。本文以600MW級別機組為例，闡述了基于噴嘴組改造的汽輪機在低負荷適應性的優化策略，并結合配汽規律優化解決了噴嘴組改造帶來的對調節品質的影響。最終，通過軟硬件相結合的優化方式，使得機組既能夠提高機組全年變工況運行經濟性，又能夠改善機組運行的安全穩定性，在實際中真正實現了安全節能的效果。這對我國大功率汽輪發電機組節能優化的運行及改造經驗具有很大的借鑒作用。

2 機組運行概況及節能降耗分析

大唐貴州發耳發電有限公司（簡稱：發耳公司）裝機容量為4MW×600MW，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（產品編號158）。1～4號機組分別于：2008年06月21日；2008年11月26日；2009年11月10日；2010年06月10日投產。機組投產后，2號機組于2012年12月、1號機組于2013年9月進行過B級檢修。1號機組B修后性能試驗熱耗率為8142.2kJ/kW·h（設計值7859.0kJ/kW·h，進行二類參數修正后）。4號汽輪機組擬于2014年6月進行B級檢修，修前熱耗率為8305.2kJ/kW·h（設計值7859.0kJ/kW·h），距設計值相差 5.7%（446.2kJ/kW·h）。因此，發耳公司4臺機組的節能降耗空間較大。

3 噴嘴組優化改造策略

并網運行的火力發電機組受電網負荷調度限制，機組不可能長周期滿負荷運行，而是頻繁的參與系統調峰，當機組負荷下降時（低于THA設計值），其運行的經濟性是下降的。由于汽輪機的出力能力與汽輪機組經濟性是相左的，經濟性下降的程度差別與汽輪機調節級噴嘴組相關性較大，汽輪機設計制造的質量，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，再加上原始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，造成在運行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。與此同時，現役運行機組平均負荷率普遍較低（約70%左右），突出矛盾是，汽輪機組普遍存在額定負荷試驗結果看似不錯，實際運行卻很差，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。發耳公司1號機組2013年B修后試驗結果為例，隨著機組功率下降，發電煤耗（熱耗率）相對THA設計值上升，80%負荷上升17.6g/kW·h（5.98%）；70%負荷上升22.4g/kW·h（7.61%）；60%負荷上升 31.3g/kW·h（10.64%）。

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，為解決這一綜合性問題，而整體更換新的定制式設計的調節級噴嘴組。

4 噴嘴組改造的負面影響及調整措施

4.1 噴嘴組改造對機組調門特性曲線的影響

4.1.1 噴嘴組改造對機組調節特性的影響

圖1 發耳公司#4機組的噴嘴布置圖

#4機組為上海汽輪機廠生產的600MW級別機組，其閥門管理及噴嘴數目布置如圖1所示。汽輪機閥門管理是DEH系統的一個重要組成部分，對機組的安全高效運行具有非常重要的作用。然而，機組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，#4機組閥門綜合流量特性曲線的線性度較差，這會導致閥門流量銜接分配不均，這對機組的AGC和一次調頻能力都會有很大的影響，間接影響機組的運行經濟性，影響電廠的間接運行效益。

4.1.2 調門特性曲線存在的其他問題分析

進一步，從圖1中可以看出，#4機組順序閥進汽順序為#3+#4→#1→#2，屬于上缸進汽方式，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存在優化空間；根據目前公開文獻資料顯示，影響煤耗0.5g/kW·h左右；#4機組上半缸進汽方式，尤其是機組兩閥運行時，配汽不平衡汽流力較大，不利于軸系運行環境；其中，#2瓦瓦溫最大值高達92℃，根據一般的實際工程經驗，優化后瓦溫能夠降低至82℃左右，軸振保持在80um以下；#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，存在優化潛力。

4.2 機組高調門配汽優化及效果

4.2.1 噴嘴組改造前后的配汽規律特性對比

發耳電廠#4機組順序閥進汽順序原為#3+#4→#1→#2，即先開3、4號調門，再開1號調門，再開2號調門，詳細見圖2所示。由于機組在2014年8月進行噴嘴改造機組的閥門特性發生較大改變；通過修后啟機數據分析得到驗證，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不利于機組的調節性能；尤其是當機組運行至流量特性最差部位，不僅影響機組的AGC和一次調頻能力；嚴重時還會伴隨機組的閥門擺動甚至是負荷調節振蕩。通過流量特性試驗，進行整體配汽綜合優化方案為#2+#3→#1→#4。其中，機組綜合流量指令與閥桿升程曲線對應關系，如圖3所示。

圖2 原配汽規律（順序閥#3+#4→#1→#2）

圖3 順序閥優化方案及DEH參數擬合效果

4.2.2 配汽規律優化效果

通過本配汽綜合優化技術，對大唐貴州發耳發電有限公司#4機組進行優化改造，取得的效果如下：

（1）在機組運行的安全穩定性方面：配汽優化后，可以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#4機組的瓦溫或者軸振得到一定程度的改善，使順序閥的軸振和瓦溫水平接近單閥運行狀態；

（2）在機組運行的直接經濟性方面：對于#4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；通過對#4機組配汽優化改造，預期在230～350MW負荷段，可降低機組發電煤耗0.5g/kWh左右；

（3）在機組運行的間接經濟性方面：優化高調門的開啟規律，消除由于配汽規律線性度較差，引起的調門異常調節，減少原件磨損、延長使用壽命，間接提高機組運行的經濟性；改善#4機組的高調門流量特性曲線線性度，提高機組的調節性能；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。

5 結論及展望

600MW機組在我國電網機構中起到絕對的主力作用，本文以600MW級別機組為例，闡述了大功率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：

（1）噴嘴組改造是汽輪機運行方式的一種低負荷適應性的優化策略，其結合配汽規律優化解決了噴嘴組改造帶來的負面影響。

（2）通過軟硬件相結合的優化方式，使得機組既能夠提高機組全年變工況運行經濟性，又能夠改善機組運行的安全穩定性，在實際中真正實現了安全節能的效果。

（3）這對我國大功率汽輪發電機組節能優化的運行及改造經驗具有很大的借鑒作用。

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TM621

A

1004-7344（2016）01-0243-02

2015-12-25

王 銳（1983-），男，漢族，四川眉山人，助理工程師，本科，主要從事工作和研究方向為火電發電廠節能管理方面。