抽汽背壓式汽輪機回熱系統投運方式對其運行影響的研究

藺奕存，伍 剛，張明理，高景輝，閆文辰，付志龍，呂吉明，鄧順懷

(1.西安熱工研究院有限公司，西安 710054；2.華能秦煤瑞金發電有限責任公司，江西贛州 341000)

隨著燃煤機組裝機容量的提升，提高機組蒸汽參數是提升發電效率的最有效途徑，但是蒸汽參數提高后，給回熱系統造成的不可逆損失也會提高[1-5]。在此背景下，關于雙機回熱系統的研究越來越多。與單機回熱系統相比，雙機回熱系統不僅可以減少汽輪機通流部分抽汽數、提高效率，而且可以降低抽汽的過熱度，提高能級利用率[6]。在雙機回熱系統中，采用抽汽背壓式汽輪機(BEST)作為主設備，其承擔驅動給水泵及給回熱系統提供抽汽這兩大功能[7]。在實際工程應用中，通過增設電機組平衡BEST驅動給水泵的過剩功率，并且將這部分功率輸送至廠用電，降低了廠用電率，可以有效降低機組熱耗，使熱經濟性達到最佳[8-9]。

雙機回熱系統使機組回熱系統變得復雜，但是BEST回熱系統的優化，會對機組運行的可靠性及經濟性產生顯著的影響[10]。回熱系統利用汽輪機抽汽加熱鍋爐給水和凝結水，可提高電廠熱效率，節省燃料，并有助于機組安全運行[11]。在機組實際運行中，BEST回熱系統的投運方式會對BEST回熱系統的正常運行及機組經濟性產生較大的影響。

因此，筆者主要針對2種BEST回熱系統投運方式進行對比分析，探討BEST回熱系統投運方式對機組系統運行的影響，并且提出相應的建議，為類似機組BEST回熱系統的投運提供參考。

1 系統概況

某電廠主汽輪機型號為N1000-31/605/622/620，采用超超臨界、二次中間再熱、五缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式汽輪機。回熱系統為主汽輪機與BEST共同構成的雙機回熱系統，共有12級非調整抽汽。BEST型號為B57-12.26/0.8/448.9，采用單缸、單流、反動式、全周進汽、背壓式汽輪機，其運行方式為變參數、變功率、變轉速。BEST有5級抽汽(對應機組的2～6級抽汽)，分別供給2號、3號、4號、5號高壓加熱器(簡稱高加)和除氧器。BEST的排汽可供至7號低壓加熱器(簡稱低加)、溢流至8號低加或排至凝汽器。高加疏水逐級自流至除氧器，7號低加疏水自流至8號低加。機組正常運行時，BEST進汽來自一次低溫再熱蒸汽。BEST回熱系統示意圖見圖1。

圖1 BEST及其回熱系統示意圖

BEST轉速可在給水泵汽輪機數字式電液控制系統(MEH)主控或變流器主控2種模式下進行控制，并且2種主控模式可以進行切換。MEH主控是通過調節進汽調節閥開度進行轉速調節；變流器主控是通過改變發電機轉矩從而對軸系轉速進行調節。變流器主控方式下，BEST進汽調節閥全開，避免了節流損失，提高了經濟性[9]。

通過控制背壓從而對BEST的功率進行控制，當電機組功率超限時，BEST的主控方式將由變流器主控切換為MEH主控。BEST背壓在額定背壓(0.8 MPa)時，BEST剩余功率及電機組最大功率曲線見圖2。

圖2 BEST剩余功率及電機組最大功率曲線

2 BEST回熱系統投運方式

2.1 加熱器隨機投運

常規汽輪發電機組通常在汽輪機沖轉、定速及并網過程中，根據鍋爐給水溫度要求，率先投運與主汽輪機本體抽汽無關的加熱器，然后根據抽汽參數隨機投運與主汽輪機抽汽相連接的高加及低加。

在該機組整套啟動過程中，隨著鍋爐點火及升溫升壓，先投運1號高加提高鍋爐給水溫度，此時由輔助蒸汽加熱除氧器給水。隨著BEST進汽汽源切換至一次低溫再熱蒸汽，投運7號低加暖管并逐漸關閉排汽旁路。機組并網帶負荷后，隨機投運2號至5號高加、8號至10號低加及除氧器，各級疏水在投運初期先排至凝汽器，加熱器全部投運后根據壓差將疏水管路逐漸切換至正常疏水。當機組負荷達到300 MW時，高加和低加全部投運正常運行，各級疏水均已切換至正常疏水。當機組負荷達到360 MW時，電機組功率達到14.8 MW(當前工況下額定負荷為14.7 MW)超限，BEST控制模式由變流器主控切換至MEH主控。為了控制BEST功率，進汽調節閥開度減小。不同負荷下BEST各級抽汽的壓力和溫度見表1(一冷為一次再熱蒸汽冷段管道抽汽，2～8抽為2～8級抽汽)，BEST回熱系統相關參數見表2。

表1 加熱器隨機投運時不同負荷下BEST各級抽汽的壓力和溫度

表2 加熱器隨機投運時BEST回熱系統相關參數

2.2 先投運低加后投運高加

在某次啟動過程中對BEST回熱系統投運方式進行了調整。首先投運與BEST相連的低加，然后按照抽汽壓力等級由低到高投運高加。與加熱器隨機投運相同的是，在鍋爐升溫升壓的過程中投運1號高加，除氧器的給水加熱由輔助蒸汽供給。主汽輪機沖轉定速后，將BEST進汽汽源切換至一次低溫再熱蒸汽，并且及時按次序投運8號、7號低加暖管。等到8號低加水側溫度升高后，逐漸投運8號低加。等到7號低加水側溫度升高后，逐漸關閉BEST排汽旁路，投運7號低加，并投運6級抽汽至除氧器暖管。7號低加壓力建立后，及時將疏水切換至正常疏水至8號低加，以避免危急疏水影響BEST背壓的建立。機組并網后，隨著機組負荷的上升，逐漸將除氧器的給水加熱由輔助蒸汽切換至6級抽汽，再依次投運5號、4號、3號高加，以及2號高加暖管。暖管結束后按照壓力等級由低到高投運高加，并且根據各加熱器之間的壓差，將加熱器疏水切換至正常疏水。投運加熱器的原則是加熱器水側溫度升高后，逐漸開大抽汽電動閥，直至抽汽電動閥完全打開，抽汽電動閥的開啟以BEST背壓穩定為前提。當機組負荷為400 MW時，BEST回熱系統全部投運，各級疏水逐級自流。與加熱器隨機投運方式相比，在先投運低加后投運高加的過程中，BEST進汽調節閥始終保持全開，變流器未出現過負荷保護動作，但是該方式需要更長的時間。先投運低加后投運高加時，不同負荷下BEST各級抽汽的壓力及溫度見表3，BEST回熱系統相關參數見表4。

表3 先投運低加后投運高加時不同負荷下BEST各級抽汽的壓力及溫度

表4 先投運低加后投運高加時BEST回熱系統相關參數

3 對比與分析

針對2種投運方式對BEST回熱系統及電機組產生的影響進行綜合對比分析。

3.1 BEST背壓

BEST回熱系統投運過程中，不同負荷下進汽壓力與背壓的變化見圖3。BEST進汽壓力在各負荷段均與設計進汽壓力基本保持一致，并且在2種投運方式下，BEST進汽壓力參數幾乎相同，但BEST背壓卻與設計背壓有較大的偏差。

圖3 2種投運方式下BEST進汽壓力與背壓的變化

根據投運過程中機組運行工況的變化可知：采取加熱器隨機投運方式時，機組負荷為360 MW情況下，BEST由于電機組過負荷保護導致BEST運行控制模式切換為MEH主控模式，進汽調節閥對BEST轉速進行調節造成節流損失；隨著機組負荷的升高，進而導致BEST實際背壓與設計背壓有較大的差距。機組負荷為300 MW時BEST背壓為0.08 MPa，此時BEST回熱系統已完全投運。在機組負荷為500～700 MW的升負荷過程中，BEST背壓由0.17 MPa增加至0.45 MPa，增加了0.28 MPa。當機組負荷達到1 000 MW時，背壓最終達到0.59 MPa，但是仍與設計背壓相差0.21 MPa。

采用先投運低加后投運高加方式，在機組負荷為400 MW時，BEST回熱系統完全投運，此時BEST背壓為0.38 MPa。在機組負荷增加至500 MW的過程中，BEST背壓由0.38 MPa增加至0.66 MPa，增加了0.28 MPa。當機組滿負荷時，BEST背壓達到了0.85 MPa。

由于BEST排汽與回熱系統中的7號低加相連，與常規背壓式汽輪機相比，BEST背壓不穩定因素較多，運行中背壓波動范圍比常規背壓式汽輪機要大，并且受凝結水量、凝結水溫度的影響更頻繁[7，12]。BEST背壓的變化會引起功率的變化[13]。當進汽參數相同時，排汽參數越低，BEST背壓越低，功率越大，導致驅動給水泵后的剩余功率增大，造成電機組功率超限。

采取加熱器隨機投運時，電機組功率超限說明BEST在驅動給水泵后的剩余功率大于設計功率。對于BEST而言，其功率與熱用戶的熱負荷密切相關，BEST的背壓則直接反映了熱負荷的大小。BEST背壓越高，說明熱用戶的熱負荷較低，BEST功率降低。在BEST回熱系統中，與其相關的加熱器為2號至5號高加、除氧器、7號至8號低加。BEST回熱系統中各加熱器熱負荷的變化直接影響了BEST的功率。BEST回熱系統工況的變化對機組的運行經濟性存在較大的影響[14-19]。因此，進一步對2種投運方式下機組運行過程中BEST回熱系統的參數進行對比分析。

3.2 BEST回熱系統參數

加熱器隨機投運時及加熱器的出口水溫及抽汽壓力見圖4。

圖4 加熱器隨機投運時加熱器的出口水溫及抽汽壓力

由圖4(a)可得：加熱器隨機投運時，在各負荷段，各加熱器出口水溫均與設計溫度有一定的差距。機組負荷為300 MW時，BEST在變流器主控下進汽調節閥全開。負荷一定時，BEST進汽壓力不變，總進汽量不變。此時，給水溫度較低，各級高加所需熱量增加，大量抽汽用于加熱各高加給水。

由圖4(b)可得：加熱器隨機投運導致各級抽汽壓力均與設計壓力有較大差距，進而造成BEST背壓降低。此外，由于7號低加進口水溫較低，BEST排汽大量用于加熱凝結水，進一步導致背壓降低。

在機組負荷的提升過程中，凝結水及給水流量增加，為維持加熱器的溫升，各加熱器的抽汽量增加，造成BEST無法正常建立背壓；同時，BEST功率也逐漸增大。當剩余功率超過當前工況電機組額定功率時，造成電機組功率超限，BEST控制方式由變流器主控方式切換至MEH主控，通過進汽調節閥控制BEST轉速。機組負荷為360 MW時，由于電機組功率超限，BEST控制方式切為MEH主控。進汽調節閥節流使各級抽汽壓力及背壓進一步降低，造成加熱器無法正常加熱給水和凝結水。該現象導致了BEST回熱系統出現惡性循環，當機組達到滿負荷時，各加熱器抽汽壓力和出口水溫仍與設計值有明顯的差距。

此外，機組在高負荷穩定運行時，通過關小BEST排汽至7號低加的抽汽電動閥，雖然BEST背壓得到一定程度的提升，同時電機組功率受到抑制，但7號低加凝結水側溫升出現了相應的下降。無論怎樣對BEST回熱系統進行調整，都無法使BEST背壓、凝結水溫度及給水溫度等參數接近設計值。

先投運低加后投運高加時加熱器的出口水溫及抽汽壓力見圖5。

圖5 先投運低加后投運高加時加熱器的出口水溫及抽汽壓力

機組負荷為300 MW時，8號低加在主汽輪機定速后立即投運，8號低加出口凝結水溫度與設計溫度基本一致(見圖5(a))。因此，在投運7號低加時，7號低加出口實際凝結水溫度與設計溫度的偏差較小，進入除氧器的給水溫度明顯提升。此時，至除氧器的6級抽汽的閥門已全開。因此，除氧器水溫也有明顯的提升，給水初溫提升。但是，此時機組負荷偏低，主蒸汽參數偏低，導致7號低加出口水溫和除氧器水溫與設計溫度相比，仍有較大的差距。機組負荷為300 MW時，2號至5號高加尚未投運，因此各加熱器出口水溫與設計溫度具有較大的偏差。7號低加進口水溫的提升，使BEST建立起一定的排汽背壓。

隨著機組負荷的提升，BEST進汽參數提升，除氧器水溫及7號低加出口凝結水溫度隨之升高。按照壓力等級由低到高的方式投運5號至2號高加，5號至2號高加出口水溫顯著提升。凝結水溫度及給水初溫的提升，使得BEST背壓提高。當BEST回熱系統投運正常后，隨著負荷的提升，各加熱器抽汽壓力及出口水溫逐漸接近設計值。尤其是加熱器出口水溫在機組滿負荷時達到設計值。同時，在機組升負荷過程中，BEST轉速均由變流器主控，未出現電機組功率超限的情況。

4 經濟效益

BEST回熱系統是整個電廠熱力系統中至關緊要的環節，高加是其中的重要組成部分，它對鍋爐、汽輪機的效率有著非常大的影響，充分利用高加加熱給水是提高熱效率和經濟性的關鍵。在機組負荷為1 000 MW時，加熱器隨機投運方式下給水溫度為310.76 ℃，先投運低加后投運高加方式下給水溫度為325.37 ℃。采用先投運低加后投運高加方式，給水溫度更接近設計溫度。

給水溫度增加1 K，機組供電煤耗率大約降低0.071 g/(kW·h)[20]。在2種投運方式下，機組負荷為1 000 MW時，與加熱器隨機投運方式相比，采用先投運低加后投運高加方式，供電煤耗率可降低1.036 6 g/(kW·h)。

5 結語

通過對比目前2種BEST回熱系統投運方式，得出采用先投運低加后投運高加的方式，可以有效提高凝結水溫度和BEST背壓，避免了電機組功率超限的發生，保證了機組的安全穩定運行。

此外，針對BEST回熱系統的投運提出以下建議：(1)在機組低負荷階段，盡可能提高主蒸汽參數，不僅有利于BEST回熱系統中低加的投運，并且盡早提高凝結水溫度及給水初溫，還有利于機組冷態啟動時BEST的暖機；(2)在投運抽汽壓力等級較高的高加時，以該級高加水側溫度緩慢上升且BEST背壓不大幅波動為原則，緩慢投運高加。