汽輪機組調峰技術經濟性研究

孫海穎

（京能（赤峰）能源發展有限公司）

0 引言

近年來隨著我國經濟的快速發展，人民生活水平日益提高，居民生活用電和商業用電占總用電量的占比顯著上升，引起了用電負荷峰谷效應的進一步加劇，這就使得通常參與基本負荷控制的發電機組必須參與電網的調峰控制中，并且一般情況下都處于低負荷運行狀態[1-2]。所以，十分有必要對汽輪機組的調峰技術展開深入研究，設計出高效的汽輪機組，參與到電網的調峰控制中，實現整個電力行業技術水平的總體提升，創造更多的經濟價值和社會價值[3]。

1 汽輪機組循環效率

一般情況下通過兩種方法能夠提高汽輪機組的循環效率，第一種方法是加大蒸汽初參數和終參數的差值，即提高初參數，并且降低終參數[4]；第二種方法是對熱循環系統進行改造，從熱力學的角度進行分析，熱循環系統入口參數值越高，出口參數值越低，就能夠實現熱循環效率的提高[5]。進口參數值與負荷為正向關聯關系，當汽輪機組運行在基本負荷狀態時，其進口參數值與設計參數是相匹配的，此時的循環效率較高，但是隨著負荷的逐步降低，進口參數也會隨著降低，熱循環效率也就隨著下降[6-7]。對于普通的汽輪機組，熱耗率為：

通常情況下，汽輪機組的運行負荷不足滿負荷的一半時，汽輪機組的循環效率相對于額定工況來說，降低程度為5%左右[8]。如果在非滿負荷工況下酌情降低汽輪機系統的通流面積，將汽輪機系統在此時工況下的進口參數保持在較高的狀態，則能夠在一定程度上提高汽輪機系統的循環效率[9-10]。正是基于上述分析，再結合電網的峰谷特性效應，本文提出了一種新型的調峰汽輪機組。

2 新型調峰汽輪機組結構

根據燃煤型發電機組的運行數據，調峰汽輪機組的工作負荷主要分布在兩個區間，分別是高負荷區間（75%～90%）和低負荷區間（40%～55%）[11-12]。在進行調峰汽輪機組的結構設計時，必須要以電網的峰谷特性效應為基礎，進行工況點的設計。新型調峰汽輪機組主要包括兩個部分，即汽輪機系統和調峰汽缸，調峰汽輪機組的基本結構如圖1 所示。圖中的導向線和數字表示了流動的方向和流動的順序。

圖1 新型調峰汽輪機組結構

汽輪機系統包含了五個部分，分別是編號為A的汽輪機高壓汽缸、編號為B 的汽輪機中壓汽缸、編號為C 的汽輪機低壓汽缸、編號為D 的汽輪機低壓汽缸、編號為G 的發電機；調峰汽缸包含了兩個部分，分別是編號為E 的高壓缸和編號為F 的中壓缸，閥門a 和閥門b 分別為汽輪機系統低壓缸的進汽調節閥門。主汽輪機系統還配置了抽汽單元，對進入鍋爐的給水進行預加熱，調峰汽缸將高壓汽缸和中壓汽缸集成在一起，沒有配置抽汽單元。汽輪機系統和調峰汽缸一起配置在同軸上，兩部分之間配置有同步離合器（S）。

調峰汽輪機組一共有三種工作模式：

（1）模式一

汽缸A、汽缸B、汽缸C 串接在一起，汽缸D、汽缸E、汽缸F 同樣串接在一起，控制汽缸A 的閥門保持在全開通狀態，調節汽缸E 的進汽量。

（2）模式二

直接將汽缸E 和汽缸F 切除掉，將汽缸C 和汽缸D 并接在一起，再與汽缸B 串接在一起，即控制閥門a 處于全開通狀態，閥門b 處于全關閉狀態。

（3）模式三

汽缸A、汽缸B、汽缸C 串接在一起，汽缸D、汽缸E、汽缸F 同樣串接在一起，對汽缸A 和汽缸E進行同步調節。

當調峰汽輪機組以高負荷狀態運行時，可以選擇模式一和模式三；當調峰汽輪機組以低負荷狀態運行時，可以選擇模式二。

調峰汽輪機組的全負荷工況可以歸納為兩種運行模式：

（1）同步調節模式

汽缸A、汽缸B、汽缸C 串接在一起，汽缸D、汽缸E、汽缸F 同樣串接在一起，對汽缸A 和汽缸E進行同步調節。

（2）分段調節模式

當調峰汽輪機組以高負荷狀態運行時，汽缸A、汽缸B、汽缸C 串接在一起，汽缸D、汽缸E、汽缸F 同樣串接在一起，控制汽缸A 的閥門保持在全開通狀態，調節汽缸E 的進汽量；當調峰汽輪機的符合低于一定閾值時，直接將汽缸E 和汽缸F 切除掉，將汽缸C 和汽缸D 并接在一起，再與汽缸B 串接在一起，即控制閥門a 處于全開通狀態，閥門b 處于全關閉狀態。

同步調節模式下，調峰汽輪機組與普通汽輪機組的運行方式一致；分段調節模式下，低負荷工況下切除調峰氣缸后，通流截面積降低，進口參數顯著提升。

3 新型調峰汽輪機組熱平衡分析

根據電網的峰谷特性效應，再結合雙工況點的基本概念，對1000MW 等級的超超臨界機組進行了設計，工況點X 狀態描述為汽輪機系統和調峰汽缸的進汽閥門處于全開狀態，進汽口參數與額定參數相匹配，此時調峰汽輪機組的輸出電功率為1000MW；工況點Y 狀態描述為調峰汽缸處于切除狀態，汽輪機系統的閥門處于全開狀態，進汽口參數與額定參數相匹配，此時調峰汽輪機組的輸出電功率為650MW。下表給出了普通汽輪機組與調峰汽輪機組在額定工況點的輸出功率分配情況，從表中可以看出調峰汽輪機組在額定工況點，高壓汽缸和中壓汽缸的輸出功率相對于普通的汽輪機組降低了30% 以上，低壓汽缸的輸出功率基本保持不變。

表 額定工況點輸出功率分配

如圖2 所示，在滿負荷工況時，調峰汽輪機組兩種運行模式下和普通汽輪機組的熱耗率分析。它們在額定工況點（即1000MW）的熱耗率完全一致，隨著負荷的逐步降低，同步調節模式與普通汽輪機組的熱耗率變化情況完全一致（熱耗值絕對值的差異與調峰汽輪機組的實際設計情況相關聯，與曲線中的熱耗相比有一定程度的偏差）。分段調節模式下，在高負荷運行狀態時，調峰汽輪機組的熱耗率要比普通汽輪機組要高，這是由于在高負荷運行狀態時，要靠調峰汽缸獨立調節，而對于汽輪機汽缸而言，參數變化幅度放大，所以對性能的影響程度也隨之放大，影響尚在可控范圍可接受范圍內。當調峰汽輪機組的實際運行負荷低于調峰汽輪機組的設計負荷時，將調峰汽缸切除，保證其處于熱備用狀態，其熱耗率開始明顯低于同步調節模式和普通汽輪機組；當低于一般的額定負荷時，分段調節模式下的熱耗率要比普通的汽輪機組要低3%左右，這個帶來的經濟效益十分可觀。

圖2 滿負荷時熱耗率變化曲線

如圖3 所示，在滿負荷工況時，調峰汽輪機組與普通汽輪機組的主蒸汽壓力相對于額定工況點的變化趨勢分析。當調峰汽輪機組的運行負荷要高于調峰汽輪機組的設計負荷時，主蒸汽壓力值通常都會與設計壓力值相匹配，通過調節汽輪機的進汽流來控制功率的輸出，造成了一定程度的節流損失；當調峰汽輪機組的運行負荷要低于調峰汽輪機組的設計負荷時，調峰汽缸被完全切除，保證其處于熱備用狀態，主蒸汽壓力值隨著負荷的變化而逐步降低。

圖3 調峰汽輪機組主蒸汽壓力變化對應曲線

普通汽輪機組在低負荷工況時，由于主蒸汽壓力的降低，進入鍋爐前的給水溫度也會降低，這就是造成低負荷工況時循環效率低的關鍵原因之一。當前很多汽輪機組都是通過配置額外的加熱器來提高給水溫度，這就導致了采購和運營成本的升高，同時也需要在汽輪機的高壓汽缸上配置抽汽單元，同樣也會對循環效率造成影響。調峰汽輪機組，在低負荷工況下的進汽壓力要明顯高于普通汽輪機組，這樣就導致了給水溫度升高，這樣不需要額外配置加熱器也能夠使得給水保持較高的溫度。給水溫度與負荷變化情況的關系如圖4 所示，調峰汽輪機組與不帶加熱器的普通汽輪機組和帶加熱器的普通汽輪機組相比，回熱性能都更優，這也就是造成分段調節模式下調峰汽輪機組的熱耗率要比普通的汽輪機組要低3%左右的其中一個原因。

圖4 給水溫度與負荷變化對應曲線

4 結束語

調峰汽輪機組是與電網調峰需求相匹配的新型汽輪機組，在不同的負荷情況下采取不用的運行模式，這樣就能夠降低汽輪機組在低負荷工況時主蒸汽參數降低、進汽量減少等因素對于汽缸循環效率的影響。分析結果表明，在充分保證額定負荷工況熱耗率不升高的前提下，調峰汽輪機組的熱耗率能夠降低3%左右，熱耗收益顯著。