高效寬負荷機組改造設(shè)計思路探討

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

高效寬負荷機組改造設(shè)計思路探討

王振鋒，吳其林，徐曉康，孫偉，曾婭

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

受國家環(huán)保政策和經(jīng)濟形勢影響，機組可利用小時數(shù)大幅下滑，提高機組寬負荷運行能力，控制大氣污染物排放勢在必行。文章以300 MW等級機組為例，提出了一系列將機組改造為高效寬負荷機組的設(shè)計思路。通過對方案的論證實施，可一定程度上解決部分負荷的高效運行和夏季最大出力需要的矛盾，以及部分負荷工況給水溫度偏低與脫硝要求最低給水溫度的矛盾。文章提出的改造思路對于當前在役機組的寬負荷節(jié)能升級改造具有十分重要的意義。

寬負荷，改造，經(jīng)濟性

1 前言

應國家環(huán)保壓力和政策要求，對在役機組實施節(jié)能升級改造勢在必行。在國家當前經(jīng)濟形勢下，電力產(chǎn)能大于市場用電需求的矛盾日益突出，大部分機組已由之前平均運行負荷在90%～100%THA的水平下降為現(xiàn)在的70%THA左右的水平，由于機組實際運行點偏離原設(shè)計點，造成機組經(jīng)濟性顯著降低。從圖1機組功率與熱耗變化率關(guān)系曲線可以看出，部分負荷工況運行時，功率越低，熱耗的增加越大，機組經(jīng)濟性能越差。因此，對于目前機組負荷率急劇下降的現(xiàn)狀，已不可避免地引起在役機組綜合經(jīng)濟性整體下降。對在役機組升級節(jié)能改造時，要求不僅能應用新技術(shù)實現(xiàn)增容提效，還要求能在較寬負荷范圍內(nèi)具有較高的經(jīng)濟性，即機組需具有寬負荷高效運行的能力。

圖1 機組功率與熱耗變化率關(guān)系曲線圖

20世紀90年代，存在電力供給不能滿足用電需求的矛盾，典型例子就是電力行業(yè)在1994年7月討論了部分引進型300 MW機組出現(xiàn)的“出力不足”問題[1]，國內(nèi)開展了“關(guān)于國產(chǎn)300 MW、600 MW亞臨界火電機組三大主機參數(shù)匹配的專題研究”，從研究報告規(guī)定的機組工況定義可以發(fā)現(xiàn)，閥門全開出力比最大保證出力主蒸汽流量大5%，即機組設(shè)計出力點大于銘牌出力約5%，這種設(shè)計思路稱為“老火規(guī)”，對機組的容量設(shè)計已導致其通流能力嚴重偏大，在當時按“老火規(guī)”通流設(shè)計的機組運行在目前的負荷條件，不但通流技術(shù)落后，經(jīng)濟性差，而且實際運行工況嚴重偏離設(shè)計點，必將引起機組效率大幅下降。這種實際運行工況點偏離設(shè)計值較多的設(shè)計思路對機組的寬負荷運行經(jīng)濟性影響極大。因此，對在役機組節(jié)能改造時，必須考慮目前的負荷狀況，從解決機組寬負荷運行經(jīng)濟性問題入手，合理選擇通流能力的設(shè)計點。

雖然，隨著高效葉型的開發(fā)設(shè)計，寬負荷葉型的研發(fā)使用可以解決一定問題，但目前負荷狀況僅靠葉型的升級使用已不足以滿足用戶對部分負荷經(jīng)濟性的要求。且我國多數(shù)機組處于深度調(diào)峰狀態(tài)，有些甚至調(diào)峰運行在50%THA工況以下，為兼顧如此寬負荷運行的經(jīng)濟性，就需要對機組本體通流、輔助系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備和鍋爐等進行升級改造。

2 寬負荷改造思路介紹

機組升級改造的實施，需要同時兼顧到鍋爐在部分負荷工況下脫硝對最低給水溫度的要求、現(xiàn)有可操作空間是否允許增加設(shè)備、投資回報率等因素。因此，用戶通常依據(jù)自身情況，盡可能選擇較適于自身電廠改造的方案，針對可能的夏季工況運行時間、冬季采暖、利用小時數(shù)等其他多樣化需求，基于300 MW（對應THA工況）等級機組為例進行分析，歸納常用升級改造思路有如下幾種。

2.1高壓加熱器給水旁路調(diào)節(jié)

為實現(xiàn)高壓加熱器全部切除的功能，機組通常布置有高壓加熱器給水旁路系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備，如圖2所示。利用對此旁路系統(tǒng)及設(shè)備進行改造，增設(shè)流量調(diào)節(jié)功能，可一定程度上提高機組高負荷運行的能力。

圖2 高壓加熱器給水旁路調(diào)節(jié)示意圖

為實現(xiàn)機組寬負荷（按機組夏季工況具備增加出力至330 MW作為計算基準）運行的目的，適當將機組通流能力設(shè)計縮小（噴嘴調(diào)節(jié)三閥點3VWO工況下，通流能力設(shè)計在95%THA左右），首先滿足部分負荷工況下的機組熱經(jīng)濟性。夏季工況時，由于機組最大通流能力的限制，在機組調(diào)節(jié)閥四閥點（4VWO工況）全開時，主蒸汽流量已達到機組通流能力上限仍無法滿足出力要求，通過高加旁路閥調(diào)節(jié)對部分給水繞過高壓加熱器，直接泵至鍋爐，以減少高壓加熱器回熱抽汽量，從而達到增加機組出力的目的，最終實現(xiàn)寬負荷高效運行的目的。表1是采用高壓加熱器給水旁路調(diào)節(jié)和常規(guī)設(shè)計兩者的熱耗對比結(jié)果。

表1 高壓加熱器給水旁路調(diào)節(jié)和常規(guī)設(shè)計兩者的熱耗對比結(jié)果表

2.2零號高加

300 MW等級機組回熱系統(tǒng)通常包括3個高加、4個低加及1個除氧。在此基礎(chǔ)上，增設(shè)一段抽汽參數(shù)更高的回熱系統(tǒng)，見圖3，合理配置此回熱系統(tǒng)的疏水，使得機組運行在更適于部分負荷經(jīng)濟運行的九級回熱系統(tǒng)中，目的是為了提高機組部分負荷運行時的熱經(jīng)濟性。

同時，九級回熱系統(tǒng)有利于給水溫度的提高，從而使得鍋爐脫硝正常運行，確保大氣污染物排放的有效控制。

圖3 增設(shè)零號高加回熱系統(tǒng)示意圖

零號高加僅在部分負荷工況下運行，因此，對于機組增加出力的要求僅能通過通流能力設(shè)計來與之良好匹配。表2是增設(shè)零號高加后機組的各負荷工況熱經(jīng)濟性和綜合熱耗對比情況。

表2 增設(shè)零號高加和常規(guī)設(shè)計兩者的熱耗對比結(jié)果表

2.3末級葉片優(yōu)選

對相同的初末參數(shù)、相同容量的機組（如亞臨界300 MW等級機組），在通常背壓4.9 kPa條件下，機組在全負荷范圍內(nèi)的經(jīng)濟性與末級葉片的選擇有關(guān)，如圖1所示。某亞臨界300 MW等級汽輪機選用較長的909 mm末級葉片，其高負荷段的經(jīng)濟性優(yōu)于較短的851 mm末級葉片。反之，如果機組常年運行負荷在75%THA以下，則選用851 mm末級葉片具有更好的經(jīng)濟性。說明寬負荷機組經(jīng)濟性與末級葉片對應的排汽面積有關(guān)，要滿足機組寬負荷運行的經(jīng)濟性，需要優(yōu)先選擇相適應的末級葉片。基本的選擇原則是平均負荷率越高，選擇較長的末級葉片，反之，則選擇較短的末級葉片。

2.4補汽

常規(guī)通流設(shè)計，通常是通流能力與額定工況條件良好匹配。補汽的主要目的是縮小通流能力設(shè)計，增加過負荷能力，使通流設(shè)計點向部分負荷區(qū)間偏移。在保證閥門全開的前提下，通過補汽閥補充一部分蒸汽到通流中間某一級前的方式達到提高出力的要求。機組補汽可分為高壓段補汽和低壓段補汽兩種方式。

（1）高壓段補汽

高壓段補汽是當機組調(diào)節(jié)閥四閥（4VWO工況）全開，由于通流能力設(shè)計的原因，進汽量不能再繼續(xù)增加，通過補汽閥將新蒸汽繞開調(diào)節(jié)級及高壓前幾級通流，經(jīng)節(jié)流后補入通流中，達到進一步提高機組出力的目的，見圖4。

圖4 高壓段補汽示意圖

（2）低壓段補汽

低壓段補汽[2]是當機組調(diào)節(jié)閥四閥（4VWO工況）全開，由于通流能力設(shè)計的原因，進汽量不能再繼續(xù)增加，通過補汽閥將臨機或其他參數(shù)相匹配的輔助蒸汽補入中低壓連通管中，使其完成在低壓缸做功，達到進一步提高機組出力的目的，見圖5。

圖5 低壓段補汽示意圖

2.5外置式蒸汽冷卻器

同高低加熱器一樣，外置式蒸汽冷卻器也是一種典型的換熱器。通過將其布置在3號高壓加熱器前，用來加熱一部分給水，被加熱的給水與剩余的給水混合以提高混合后的給水溫度，同時提高機組在額定及部分負荷工況下的熱經(jīng)濟性，見圖6。

圖6 外置式蒸汽冷卻器示意圖

通過增加外置式蒸汽冷卻器的方式，機組給水溫度和熱經(jīng)濟性均有不同程度的提高。

（1）THA工況，給水溫度較常規(guī)設(shè)計升高3.4℃，熱耗較改造前降低約16 kJ/kW·h。

（2）75%THA工況，給水溫度較常規(guī)設(shè)計升高3.6℃，熱耗較改造前降低16 kJ/kW·h。

（3）50%THA工況，給水溫度較常規(guī)設(shè)計升高3.3℃，熱耗較改造前降低13 kJ/kW·h。

3 結(jié)論

通過采取上述系統(tǒng)改造方案，可一定程度上解決機組在部分負荷的高效運行，同時，滿足夏季工況下增加出力的目標。并且解決了部分負荷工況給水溫度偏低不能滿足鍋爐脫硝對給水溫度最低要求的矛盾。按本系統(tǒng)的改造思路，不但使改造后機組具有寬負荷高效運行的能力，而且較好地滿足了機組在低負荷脫硝的要求，真正實現(xiàn)在役電站節(jié)能環(huán)保的升級改造。

[1]彭澤瑛.我國汽輪機工況及容量規(guī)范的應用狀況[J].熱力透平,2008,37(1):2-3.

[2]中國動力工程學會.火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

Discussion on High Efficient and Wide Load Turboset Optimization

Wang Zhenfeng,Wu Qilin,Xu Xiaokang,Sun Wei,Zeng Ya
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

By the impact of national environmental protection policy and economic situation,utilization percent of turboset drops sharp?ly,It’s imperative to increase the capacity of unit wide load operation and control the emission of air pollutants.In this paper,taking 300 MW unit as an example,a series of optimization ideas about high efficient and wide load are proposed.Through demonstration and implement of the program,it can solve the contradiction between efficient operation of partial load and necessary of increasing out?put in summer,as well as the feed water temperature problem in part load conditions and requirement of denitrification for water sup?ply temperature.The optimization idea has a very important significance for the wide load optimization,energy saving and upgrading of large unit in service.

wide load,optimization,economical efficiency

TK262

A

1674-9987（2016）04-0001-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.001

王振鋒（1982-），男，工學碩士，工程師，2008年畢業(yè)于西安交通大學動力工程及工程熱物理專業(yè)，現(xiàn)主要從事汽輪機設(shè)計工作。