張 勇，尹金亮，易小蘭，楊建道

(1.國(guó)家電投集團(tuán)河南電力有限公司，鄭州 450000； 2.國(guó)家電投集團(tuán)河南電力有限公司沁陽發(fā)電分公司，沁陽 454550； 3.上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海 200240)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，居民用電和商業(yè)用電的比重逐年增加，這導(dǎo)致用電負(fù)荷峰谷差激增，使得按照帶基本負(fù)荷設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)組不得不參與調(diào)峰，且通常處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。因此，對(duì)發(fā)電機(jī)組展開研究，突破機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)效率低、無法發(fā)揮機(jī)組優(yōu)勢(shì)的技術(shù)瓶頸，開發(fā)高效調(diào)峰燃煤鍋爐、汽輪機(jī)的成套技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備，提升電力工業(yè)的技術(shù)水平，具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

通常提高汽輪機(jī)系統(tǒng)循環(huán)效率有兩種途徑：一是提高蒸汽初參數(shù)，降低終參數(shù)，如超超臨界機(jī)組建設(shè)、700 ℃高超超臨界技術(shù)發(fā)電技術(shù)研制，超低背壓深海取水項(xiàng)目研制等[1]；二是改進(jìn)熱力循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如多級(jí)再熱循環(huán)系統(tǒng)和新型回?zé)嵯到y(tǒng)等[2-3]。從熱力學(xué)角度看，汽輪機(jī)熱力循環(huán)進(jìn)口參數(shù)越高，出口參數(shù)越低，則系統(tǒng)循環(huán)效率越高。進(jìn)口參數(shù)與運(yùn)行負(fù)荷正相關(guān)，汽輪機(jī)在基本負(fù)荷工況下，進(jìn)口參數(shù)與設(shè)計(jì)值相當(dāng)，系統(tǒng)循環(huán)效率較高；隨著負(fù)荷降低，進(jìn)口參數(shù)大幅降低，效率隨之下降。一般來說，在50%負(fù)荷下汽輪機(jī)系統(tǒng)循環(huán)效率相對(duì)額定工況降低達(dá)5%。

如果在部分負(fù)荷工況下適當(dāng)減小汽輪機(jī)通流面積，保持汽輪機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)仍運(yùn)行在較高的進(jìn)口參數(shù)下，則可以提高汽輪機(jī)在部分負(fù)荷工況下的系統(tǒng)循環(huán)效率?；谶@樣的原理，結(jié)合電網(wǎng)負(fù)荷峰谷特性，本文提出了一種新型高效調(diào)峰汽輪機(jī)機(jī)組，該汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)采用了雙工況點(diǎn)設(shè)計(jì)概念，由主汽輪機(jī)系統(tǒng)和調(diào)峰汽缸組成，本文將重點(diǎn)研究此新型高效調(diào)峰汽輪機(jī)機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。

1 高效寬負(fù)荷汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)

燃煤發(fā)電機(jī)組運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，調(diào)峰機(jī)組工作負(fù)荷主要分布在75%～90%(高負(fù)荷)和40%～55%(低負(fù)荷)兩個(gè)區(qū)間。新型高效調(diào)峰汽輪機(jī)機(jī)組在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合電網(wǎng)的峰谷特性，選定設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。新型高效調(diào)峰汽輪機(jī)機(jī)組由主汽輪機(jī)系統(tǒng)和調(diào)峰汽缸組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中引線和數(shù)字表示工質(zhì)流動(dòng)方向和順序。

圖1 新型高效調(diào)峰汽輪機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

主汽輪機(jī)系統(tǒng)包括汽輪機(jī)高壓缸(A)、汽輪機(jī)中壓缸(B)、汽輪機(jī)1號(hào)低壓缸(C)、汽輪機(jī)2號(hào)低壓缸(D)、發(fā)電機(jī)(G)。調(diào)峰汽缸采用高中壓合缸設(shè)計(jì)，包括高壓缸(E)和中壓缸(F)，閥門a、b為主汽輪機(jī)系統(tǒng)的低壓缸進(jìn)汽調(diào)門。主汽輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)有抽汽系統(tǒng)，加熱進(jìn)入鍋爐的給水，調(diào)峰汽缸采用高中壓合缸設(shè)計(jì)，沒有抽汽系統(tǒng)。主汽輪機(jī)系統(tǒng)和調(diào)峰汽缸采用同軸布置，通過自同步離合器(S)連接。

新型高效調(diào)峰汽輪機(jī)組有三種運(yùn)行模式可選：

1)保持汽缸A、B、C串聯(lián)，E、F、D串聯(lián)，維持汽缸A閥門全開，調(diào)整汽缸E的進(jìn)汽量；

2)切除汽缸E、F，汽缸C、D并聯(lián)于B之后(即閥門a開啟，b關(guān)閉)；

3)保持汽缸A、B、C串聯(lián)，E、F、D串聯(lián)，汽缸A和E同步調(diào)整。

在高負(fù)荷運(yùn)行區(qū)間，可以選擇第1種或第3種運(yùn)行模式，在低負(fù)荷區(qū)間，宜采用第2種運(yùn)行模式。全負(fù)荷工況可歸為兩種運(yùn)行方式：(1)同步調(diào)節(jié)，保持汽缸A、B、C串聯(lián)，E、F、D串聯(lián)，汽缸A和E同步調(diào)整；(2)分段調(diào)節(jié)，在高負(fù)荷段，保持汽缸A、B、C串聯(lián)，E、F、D串聯(lián)，維持汽缸A閥門全開，調(diào)整汽缸E的進(jìn)汽量，當(dāng)負(fù)荷低于一定值后，切除汽缸E、F，汽缸C、D并聯(lián)于B之后(即閥門a開啟，b關(guān)閉)。同步調(diào)節(jié)方式與常規(guī)機(jī)組運(yùn)行基本沒有區(qū)別，分段調(diào)節(jié)方式在低負(fù)荷工況下切除調(diào)峰汽缸后，通流面積減少，進(jìn)汽參數(shù)將明顯提高。

2 1 000 MW等級(jí)高效調(diào)峰汽輪機(jī)機(jī)組設(shè)計(jì)

圖2是采用新型高效調(diào)峰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的1 000 MW等級(jí)超超臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)圖，圖3是采用常規(guī)設(shè)計(jì)的1 000 MW等級(jí)超超臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)圖。新型高效調(diào)峰汽輪機(jī)組與常規(guī)機(jī)組的差異主要在于前者配置上多出了一組調(diào)峰汽缸和用于連接的自同步離合器，以及用于低壓缸進(jìn)汽控制的閥門a和閥門b。二者還在機(jī)組的四大管道、低壓連通管、機(jī)組抽汽系統(tǒng)、鍋爐再熱系統(tǒng)以及控制和保護(hù)系統(tǒng)、運(yùn)行模式方面有所不同。

圖2 采用新型高效調(diào)峰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的1 000 MW等級(jí)機(jī)組熱力系統(tǒng)

圖3 常規(guī)1 000 MW超超臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)

3 1 000 MW等級(jí)高效調(diào)峰汽輪機(jī)熱經(jīng)濟(jì)性分析

結(jié)合電網(wǎng)的峰谷特性，依據(jù)雙工況點(diǎn)設(shè)計(jì)概念，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行了1 000 MW超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)。工況點(diǎn)1為主汽輪機(jī)系統(tǒng)和調(diào)峰汽缸進(jìn)汽閥門全開，進(jìn)汽參數(shù)為額定參數(shù)，機(jī)組輸出電功率為1 000 MW；工況點(diǎn)2為調(diào)峰汽缸切除，主汽輪機(jī)系統(tǒng)閥門全開，進(jìn)汽參數(shù)為額定參數(shù)，機(jī)組輸出電功率為650 MW。

表1給出了常規(guī)設(shè)計(jì)機(jī)組與新型設(shè)計(jì)機(jī)組(即采用高效調(diào)峰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的機(jī)組自同步離合器)在額定負(fù)荷點(diǎn)的出力分配情況。從表1中可以看到，新型設(shè)計(jì)機(jī)組在額定負(fù)荷點(diǎn)，高壓缸和中壓缸的出力相對(duì)于常規(guī)機(jī)組降低了1/3以上；低壓缸的出力基本保持不變。

表1 額定負(fù)荷點(diǎn)出力分配

3.1 機(jī)組熱耗率對(duì)比

如上文所述，高效調(diào)峰汽輪機(jī)機(jī)組在全負(fù)荷工況段有兩種運(yùn)行方式，圖 4給出了兩種運(yùn)行方式和常規(guī)機(jī)組運(yùn)行熱耗率的對(duì)比情況。三者在額定負(fù)荷點(diǎn)(1 000 MW)熱耗率相同，隨著機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷的下降，同步調(diào)節(jié)模式與常規(guī)機(jī)組熱耗變化規(guī)律基本一致(熱耗絕對(duì)值的差異根據(jù)實(shí)際調(diào)峰機(jī)組設(shè)計(jì)情況而定，與曲線中的熱耗偏差會(huì)有一些差異)。

分段調(diào)節(jié)模式在高負(fù)荷段熱耗略高于常規(guī)機(jī)組，主要是由于在高負(fù)荷段僅靠調(diào)峰汽缸單個(gè)調(diào)節(jié)，對(duì)于單個(gè)汽輪機(jī)汽缸而言，參數(shù)變化的百分比被放大，因而對(duì)性能的影響也會(huì)被放大，不過這種被放大的影響在可接受范圍內(nèi)。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷低于主汽輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷后，調(diào)峰汽缸切除，盤車熱備用，熱耗開始明顯低于常規(guī)機(jī)組和同步調(diào)節(jié)模式。在50%額定負(fù)荷點(diǎn)，分段調(diào)節(jié)模式的熱效率比常規(guī)設(shè)計(jì)機(jī)組降低2.6%。對(duì)于常年運(yùn)行在低負(fù)荷工況的機(jī)組，高效調(diào)峰機(jī)組帶來的經(jīng)濟(jì)收益是非?？捎^的。

圖4 全負(fù)荷段熱耗率變化曲線

3.2 主蒸汽壓力對(duì)比

圖5給出常規(guī)設(shè)計(jì)與新型設(shè)計(jì)的主蒸汽壓力相對(duì)額定負(fù)荷點(diǎn)的變化情況。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷高于主汽輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，主汽壓力基本維持在設(shè)計(jì)壓力值，調(diào)節(jié)汽輪機(jī)通過進(jìn)汽節(jié)流進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，帶來了一定的節(jié)流損失。當(dāng)負(fù)荷低于主汽輪機(jī)系統(tǒng)額定負(fù)荷后，調(diào)峰汽缸被完全切除，機(jī)組進(jìn)入盤車熱備用狀態(tài)，主蒸汽的壓力跟隨負(fù)荷的變化逐漸降低。

圖5 高效調(diào)峰汽輪機(jī)組主蒸汽壓力變化量

3.3 給水溫度對(duì)比

常規(guī)設(shè)計(jì)機(jī)組在低負(fù)荷段，由于主蒸汽壓力降低，進(jìn)入鍋爐的給水溫度也隨之降低，這是造成低負(fù)荷工況循環(huán)效率下降的重要因素之一?，F(xiàn)在很多常規(guī)設(shè)計(jì)機(jī)組通過設(shè)置零號(hào)高壓加熱器來提高低負(fù)荷工況的給水溫度。零號(hào)高壓加熱器的設(shè)置不可避免地會(huì)增加設(shè)備采購和運(yùn)行維護(hù)成本，同時(shí)需要在汽輪機(jī)高壓缸上增加抽汽口，這對(duì)汽輪機(jī)循環(huán)效率也會(huì)有一定影響。

采用新型高效調(diào)峰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的機(jī)組，低負(fù)荷工況段進(jìn)汽壓力明顯高于常規(guī)設(shè)計(jì)機(jī)組，給水溫度隨之提高，低負(fù)荷工況段無需添加零號(hào)高加即能保持較高的給水溫度。圖6給出了給水溫度隨負(fù)荷變化的對(duì)比情況。無論是與不帶零號(hào)高加的常規(guī)設(shè)計(jì)機(jī)組相比，還是與帶零號(hào)高加的常規(guī)設(shè)計(jì)機(jī)組相比， 采用新型高效調(diào)峰設(shè)計(jì)的機(jī)組的回?zé)嵯到y(tǒng)性能都更優(yōu)，這也是在50%負(fù)荷點(diǎn)熱耗率能降低2.6%的原因之一。

圖6 給水溫度對(duì)比

4 結(jié) 論

高效調(diào)峰汽輪機(jī)機(jī)組是根據(jù)調(diào)峰需求趨勢(shì)而設(shè)計(jì)的一種全新機(jī)型，不同的負(fù)荷區(qū)間采取不同的運(yùn)行策略，這樣可以減少機(jī)組在低負(fù)荷工況下主蒸汽參數(shù)下降、進(jìn)汽流量減少等對(duì)汽缸效率的影響。通過上述的分析可以看到，在充分保證額定負(fù)荷工況熱耗不升高的同時(shí)，新的結(jié)構(gòu)形式低負(fù)荷工況的熱耗收益顯著，50%負(fù)荷的熱耗率降低2.6%。新型機(jī)組的研發(fā)對(duì)于開發(fā)新一代高效寬負(fù)荷調(diào)峰機(jī)組具有重要意義。