調峰及低負荷運行對汽機側設備的影響分析

廣西華磊新材料有限公司發電廠 王旭安

1 引言

在能源結構優化調整的大背景下，電力生產過程中機組的調峰壓力越來越大，這種情況對相關機組的運行安全性和穩定性形成負面影響，對汽機側設備的影響比較顯著。針對這種情況，系統性地分析調峰和低負荷運行對汽機側設備的具體影響。

2 調峰及低負荷運行與機組的關系

當前我國電力市場不斷變革，供熱機組也被納入調峰的范圍之中。低負荷工況運行的整體時長不斷增加，在低負荷運行工況下會對相應的機組設備的安全性和穩定性形成影響。以汽機的為例，在對應機組供熱抽氣量一定的情況下，對應的供熱機組電負荷與主蒸汽流量之間存在著密切的關聯。隨著當前機組的整體負荷降低，則進入汽機做功的蒸汽量將會顯著降低。這種情況下，流過末幾級的蒸汽可能會出現無法全面對流道實現填充現象，進而導致相關汽機設備的中壓缸末級陷入鼓風工況，會造成對應的葉片與空氣產生較為強烈的摩擦，并形成多余熱量的現象，致使葉片的溫度異常升高。如果溫度過高，則有可能引發缸體變形的現象，嚴重危害到設備的正常運行過程和安全性。同時相關情況也會對低壓缸末級安全流量形成影響，以現階段的350MW機組為例，其供熱方式是從中、低壓缸連接管作為汽源來進行采暖供熱，而在抽氣量增加的且主汽量不變的情況，進入低壓缸之中的蒸汽量將會持續減少[1]。末級陷入下流量工況的時候，葉片將進入鼓風工況，葉片溫度也會出現升高，導致材料性能降低，增加汽機的安全隱患。

在現階段的電力生產過程中，新能源的大量使用減少了煤電的整體發電量，需要相關設備形成更低的調峰運行范圍，不過一切的前提都是以安全為核心的。現階段調峰和低負荷運行狀態下影響汽機側設備安全性的主要因素為如下幾個方面。

一是低負荷工況下的穩燃蒸發量是否得到保障；二是為了避免對應設備排汽過高，汽機最小進汽量是否能夠與現階段的最低發電負荷相適應；三是電負荷降低的情況下，設備的末級溫是否與安全蒸汽流量相適應。在對這些因素進行系統性把握之后，基本可以確保設備在低負荷狀態運行的安全性。分析350MW機組的具體情況，在對應供熱抽氣量增加的過程中，相應機組的變負荷范圍將會逐步縮小，而在抽氣量達到最大的時候，則機組失去調峰能力。某350MW機組負荷及調峰能力變化情況如圖1所示。

3 調峰和低負荷對于汽機側設備的影響

汽機測設備主要為加熱器和給水系統。從加熱器的情況來看，目前針對不同等級的機組，其加熱器的配置數量是存在一定差異的，常見的火電機組在進行配置的過程中所采取的是三個高壓加熱器+四個低壓加熱器+一個除氧器的配置，在其運行過程中，對應設備的疏水方式所采取的往往是自流方式，逐步流入到上一級的設備之中，并最后回到凝汽器熱井。在調峰和低負荷運行的狀態之下，尤其是對應的機組設備電負荷降低較快的時候，相關的設備之間壓差將會降低，而這種情況將會導致疏水過程受到較大的阻礙，不利于設備正常安全地運行[2]。

在某超臨界機組的運行過程中，當其電負荷為100%的情況下，一抽、二抽之間的壓差可以達到3.5MPa左右，二抽、三抽之間的壓差也可以保證處在2.0～2.5MPa，三抽、四抽之間的壓差則在1.0MPa以上，而當機組的發電負荷僅為30%左右的情況下，其一抽、二抽之間的壓差則往往只有1.5MPa左右，二抽、三抽之間的壓差則基本在1.0MPa以下，三抽、四抽之間的壓差則通常不足0.5Mpa，見表1。現階段的火力發電過程中，發電負荷情況對汽機側的加熱器影響是比較大的，當然如果在發電過程中整體負荷降低的速度較快，則會導致這種現象更為明顯，因此在應對時候，應當充分控制發電負荷降低的速度，確保對應的設備在運行過程中保持相對穩定的狀態。

表1 某電廠機組發電負荷與加熱器抽汽壓差之間的關系

從表1中可以比較清晰地了解到相關發電機組發電負荷與加熱器抽汽壓差之間的關系。隨著發電負荷的逐步降低，相關設備的抽汽壓差將會顯著降低，而這種情況產生之后必然會導致汽機側設備的疏水方法不暢現象，影響設備的正常運行過程。

同時，在相關設備運行過程中壓差也有可能受到除氧器的影響，部分單位在除氧器使用的過程中采用的是混合式加熱器，如果在發電過程中負荷降低的速度過快，將會導致設備的氣壓快速降低，并造除氧器的再沸騰現象，最終促進壓差的進一步縮小，嚴重影設備的疏水過程。部分電廠在生產過程中會產生加熱器的水位波動現象，這種現象產生的根本原因往往是因為機組調峰和低負荷運行所致，實際上，因為調峰和低負荷的影響而產生的疏水不暢問題，將會造加熱器之中水量的增加，從而導致水位升高。

針對這一系列問題在進行防范的過程中，相關單位除了對調峰和低壓運行情況進行把握和優化之外，還應當通過對現階段輸水管的整體布置狀況進行優化，充分地增加疏水管路閥門通流面積，降低疏水阻力，在這些方式之下，實現對現存問題的妥善解決。

4 調峰及低負荷對給水系統的影響

調峰及低負荷運行往往也會對汽機側的給水系統形成影響，這種情況一般集中體現在對給水泵、給水泵汽輪機、最小流量閥方面。首先從最小流量閥的角度來看，給水泵的最小流量閥通常連接在除氧器和給水泵的出口位置，相關設備是各類管路之中承受壓差最大的設備，在正常的發電負荷之下，其承受的前后壓差通常為20MPa左右，而對于超臨界機組而言，其前后壓差甚至可以達到28MPa左右。

當相關的機組在運行過程中需要進行深度調峰或者是啟停調峰的時候，為了確保對應設備的最小流量，避免設備因為相關操作出現汽蝕現象，則必須頻繁地進行最小流量閥的開啟，這種操作之下將會直接影響到設備的性能，甚至可能造成設備最終關閉不嚴等情況發生[3]。調峰和低負荷情況對最小流量閥的影響實際上是比較突出的，為了改善這種情況，在參與深度調峰或者是啟停調峰的需求下，相關設備可以通過加裝關斷球閥的方式，來充分地降低設備的整體沖刷強度，從而保障對應設備的安全性。

調峰和低負荷發電對于給水泵的影響也是比較突出的，在采用水密封的給水泵之中，相關設備的密封水主要是來源于電廠之中的自凝結水母管，如果機組處于低負荷的狀態之下，則對應的管道將會出現壓力不足的現象，無法為給水泵提供密封水，從而將會引發給水泵的整體密封性能顯著降低，出現漏水的情況等。

在處置過程中，部分單位采取的方式是通過增加凝泵的出力，來達到提升管道壓力從而保證給水泵密封性能的作用，這種方法通常可以相對有效地解決給水泵的密封問題，讓相關設備在低負荷發電的情況下保證比較良好的使用效果。

小機排汽溫度也會受到調峰和低負荷的影響，在實際的生產過程中，小汽輪機驅動給水泵機組，如果發電負荷相對較低，則會造成葉片與空氣之間的摩擦強度增加，從而導致排汽的溫度上升。針對這一問題進行處置的時候，相關單位可以通過提高最小流量閥的開度，在這種措施之下充分地增加小汽輪機的進汽量，從而避免葉片末級進入到鼓風工況而引發溫度升高的現象。當然，相關單位也可以采取噴水降溫的方式，來進行對應問題的有效處置[4]。

5 調峰及低負荷運行對機組啟動的影響

在一些350MW超臨界機組中，無汽輪機旁路僅在對應的鍋爐側配置過熱器小旁路，在方啟動的過程中溫度和壓力比較難以進行有效的控制，而對應的再熱器在該過程中則需承受一定時間的干燒，且由于相關系統之中的整體蒸汽流量相對較低，過熱系統之中積存的水汽將無法實現有效的排出，最終將可能導致在高負荷狀態下出現水塞的情況，并導致爆管等問題的出現。

為了避免危險問題的發生，相關單位和人員應當對機組在啟動階段的整體燃燒率進行充分的控制，從而充分地保證機組運行的安全性[5]。我國的深度調峰和低負荷運行趨勢還將延續，在后續的工作之中也可以采取在參與啟停調峰的過程中，通過發電機解列、汽輪機空轉等方式來規避對應的問題，或者是針對設備進行系統性的改造，以保證其能夠充分地適應現階段的社會需求。

軸封供汽溫度在運行過程中也比較容易受到調峰和低負荷運行的影響。從實際情況來看，傳統的350MW超臨界機組軸封供汽溫度普遍是比較低的，但隨著現階段相關單位整體機組容量方面的進一步增加，對軸封供汽溫度的要求也在提升，如果相應的溫度無法充分地達到要求，則會導致機組設備受到比較嚴重的影響。特別是對一些大容量的機組而言，在生產過程中相關的設備通常是處在極熱的狀態，或是需要進行熱啟動的，例如啟停調峰時對應的機組所采取的啟動方式一般為熱啟動，在這個過程中，相關汽機設備的溫度會保持在比較高的狀態，而軸封供汽溫度則會相對較低，兩者之間存在比較大的溫差，這種情況下將有可能導致汽機因為受冷而出現變形的現象，當變形產生之后將會導致動靜摩碰問題的進一步突出，從而嚴重影響到設備的使用正常性和安全性。

針對這種情況，相關單位有必要在進行整體設計的階段對該問題形成關注，如針對軸封母管供汽管路進行溫度測點的加裝，通過這種方式實時了解軸封供汽的具體溫度，當對應的設備在極熱狀態或者是熱啟動的時候，依托主蒸汽進行供汽，這種方式將能夠顯著地降低供汽溫度和設備之間的溫差，避免設備受冷而出現變形等現象，最終保障設備的運行安全性。當然，相關單位在工作之中也可以通過對軸封母管供氣管路上進行電加熱器的安裝，通過這種方式來達到提升軸封供汽整體溫度的目的，保證設備的整體運行安全。

6 結語

汽機側設備在參與調峰和低負荷運行的過程中可能遇到各類問題，這些問題的出現將會對設備的運行和使用安全形成較大的影響，不利于電廠經濟效益的實現。但是同時隨著我國經濟社會的發展，未來調峰和低負荷運行的趨勢還將持續，在這種情況下要實現對設備安全性和穩定性的保障，相關單位就必須針對自身的生產情況、社會用電需求和電力結構調整需求等進行充分分析，并在此基礎上對現有的設備進行相應的改造，確保設備能夠在調峰和低負荷狀態下穩定運行。