超超臨界汽輪機(jī)組定功率變壓運(yùn)行仿真研究

李志勇，熊 輝，陳 昊，凌學(xué)超，王小波

（1.國家電投集團(tuán)江西電力有限公司景德鎮(zhèn)發(fā)電廠，江西 景德鎮(zhèn) 333036；2.南昌科晨電力試驗(yàn)研究有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

伴隨著社會用電峰谷差幅日益擴(kuò)大以及新能源發(fā)電和特高壓輸電等非調(diào)頻電量占比逐年迅猛攀升，煤電汽輪機(jī)組深度調(diào)頻調(diào)峰運(yùn)行已成為常態(tài)，這對部分負(fù)荷下汽輪機(jī)組變工況特性產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響。眾所周知，汽輪機(jī)組的配汽方式和運(yùn)行方式影響著汽輪機(jī)的動態(tài)調(diào)節(jié)特性和變工況特性，對設(shè)備運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、安全性以及機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)等均具有顯著作用。文中以某超超臨界機(jī)組為例，借助德國STEAG 電站能源公司Ebsilon Professional 電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，開展汽輪機(jī)組變壓運(yùn)行仿真研究。

1 變壓熱經(jīng)濟(jì)特性初探

依據(jù)汽輪機(jī)組原理，部分負(fù)荷下滑壓運(yùn)行相比定壓運(yùn)行有利之處在于高壓缸相對內(nèi)效率高且給水泵耗功少，不利之處在于理想循環(huán)熱效率低，也就是說，部分負(fù)荷下主汽壓力的選擇直接影響到機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。關(guān)于部分負(fù)荷下汽輪機(jī)組運(yùn)行特性的理論論述與試驗(yàn)研究，一直是科研工作者與現(xiàn)場技術(shù)人員關(guān)注的重要課題。早期理論研究分別詳述了低負(fù)荷下噴嘴調(diào)節(jié)與節(jié)流調(diào)節(jié)之間的熱經(jīng)濟(jì)性差異[1]，噴嘴調(diào)節(jié)定壓順序閥運(yùn)行與全滑壓運(yùn)行之間的熱經(jīng)濟(jì)性差異[2]，超臨界參數(shù)機(jī)組與亞臨界參數(shù)機(jī)組采用全滑壓運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性差異[3]，以及噴嘴調(diào)節(jié)下閥點(diǎn)滑壓與全滑壓運(yùn)行之間的熱經(jīng)濟(jì)性差異[4]，形成了較為完備的部分負(fù)荷下汽輪機(jī)組運(yùn)行特性的理論研究體系。圖1 展示出某噴嘴配汽機(jī)組處于不同閥序或運(yùn)行方式下熱經(jīng)濟(jì)性的大致變化規(guī)律。依據(jù)汽輪機(jī)原理及該圖，可預(yù)知圖中未給出的三步序（噴嘴-節(jié)流，定滑壓）方式不僅能實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的熱經(jīng)濟(jì)性，而且具備更佳的一、二次調(diào)頻潛力。因而，探究某一汽輪機(jī)組的變壓運(yùn)行特性，并不需要面對其所有可能存在的閥序方式[5]。文中以某660 MW 等級超超臨界四閥噴嘴配汽機(jī)組為例，著重研究其在“三步序”閥門開啟順序（GV1/2 同步→GV3→GV4）下的變壓運(yùn)行特性。

圖1 汽輪機(jī)組變壓運(yùn)行特性

2 仿真模型簡介

對于噴嘴配汽汽輪機(jī)，其調(diào)節(jié)級分成若干個相互間隔獨(dú)立的噴嘴弧段。通常，每個調(diào)節(jié)閥控制一個噴嘴弧段的進(jìn)汽量。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，依次開啟或關(guān)閉若干個調(diào)節(jié)閥，改變調(diào)節(jié)級的通流面積，以控制汽輪機(jī)總進(jìn)汽量。為了改善蒸汽的流動性能，提高級的效率，調(diào)節(jié)級的動葉和靜葉都設(shè)計(jì)成有少量的反動度，并且反動度的數(shù)值是隨工況變化的，因此噴嘴后的壓力與動葉后的壓力是不相等的。調(diào)節(jié)級變工況計(jì)算是噴嘴配汽汽輪機(jī)組熱力核算中最常遇到的問題之一。在調(diào)節(jié)級變工況計(jì)算中，必須分別討論兩部分汽流的工作：一是通過全開調(diào)門的汽流；另一部分是通過部分開啟調(diào)門的汽流。鑒于調(diào)節(jié)級在變工況下的熱力計(jì)算比較復(fù)雜，通常需藉助制造廠家所提供的調(diào)節(jié)級通用特性曲線，通過查圖得出有關(guān)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。

由于單個調(diào)節(jié)閥往往控制單個噴嘴組（即單個噴嘴弧段和與之對應(yīng)的動葉），因此，可將單個調(diào)節(jié)閥和與之連接的噴嘴組視為一個配汽單元。仿真中，若將多個配汽單元并聯(lián)即可構(gòu)建汽輪機(jī)組的配汽端（如圖2），此種形式將極大地豐富噴嘴配汽汽輪機(jī)組變工況特性的研究。建模過程中，調(diào)門模型根據(jù)國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC 534-22確定調(diào)門流量系數(shù)和開度，噴嘴組模型則根據(jù)制造廠提供的調(diào)節(jié)級通用特性數(shù)據(jù)進(jìn)行變工況計(jì)算。如此一來，仿真模型即可實(shí)現(xiàn)包含調(diào)節(jié)閥行程信息的汽輪機(jī)組變負(fù)荷熱經(jīng)濟(jì)特性、定功率變壓運(yùn)行熱經(jīng)濟(jì)特性、調(diào)節(jié)閥流量特性以及調(diào)節(jié)閥重疊度特性等多種仿真應(yīng)用功能。

圖2 配汽端模型結(jié)構(gòu)示意圖

案例機(jī)組在四閥全開工況（valve wide open，VWO）下的主汽壓力/主汽溫度/熱再溫度/背壓等參數(shù)依次為25.0 MPa/600 ℃/600 ℃/5.5 kPa。在Ebsilon軟件中，將VWO 工況視為Design 工況，按照汽輪機(jī)組調(diào)門配汽曲線（見圖3）依次在各Off-design 工況下設(shè)定各調(diào)門的開度。

圖3 無重疊度配汽曲線

如圖3 所示，總閥位指令74.51%對應(yīng)該機(jī)組的兩閥點(diǎn)，總閥位指令91.79%對應(yīng)該機(jī)組的三閥點(diǎn)。

3 變壓熱經(jīng)濟(jì)特性仿真

仿真計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)在于可人為選擇主汽壓力的變化幅度，一般采用“窮舉法”[6]。故而，可行滑壓區(qū)間主汽壓力變化幅度較大，樣本充足，工況豐富仿真。當(dāng)汽輪機(jī)組定功率運(yùn)行時(shí)，其在既定配汽方式與閥門開啟順序下主汽壓力與機(jī)組熱耗率之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系，可稱為汽輪機(jī)組變壓熱經(jīng)濟(jì)特性（下文簡稱變壓熱經(jīng)濟(jì)特性）[5]。圖4 至圖6 分別給出了600 MW、480 MW 以及300 MW 等工況在額定主汽壓力25.00 MPa 以下不同負(fù)荷下定功率可行閥位區(qū)間內(nèi)不同初壓下機(jī)組熱耗率的連續(xù)變化趨勢。

圖4 600 MW工況變壓熱經(jīng)濟(jì)特性

圖6 300 MW工況變壓熱經(jīng)濟(jì)特性

由圖4 可知，在600 MW 工況下，當(dāng)主汽壓力為22.18 MPa 時(shí)，機(jī)組熱耗率達(dá)到最優(yōu)值7 492.91 kJ·（kW·h）-1。

由圖5 可知，在480 MW 工況下，當(dāng)主汽壓力為17.69 MPa 時(shí)，機(jī)組熱耗率達(dá)到局部最優(yōu)值7 610.54 kJ·（kW·h）-1；當(dāng)主汽壓力為21.24 MPa 時(shí)，機(jī)組熱耗率達(dá)到全局最優(yōu)值7 578.29 kJ·（kW·h）-1。

圖5 480 MW工況變壓熱經(jīng)濟(jì)特性

由圖6 可知，在300 MW 工況下，當(dāng)主汽壓力為11.14 MPa 時(shí)，機(jī)組熱耗率達(dá)到局部最優(yōu)值7 952.00 kJ·（kW·h）-1；當(dāng)主汽壓力為13.37 MPa 時(shí)，機(jī)組熱耗率達(dá)到全局最優(yōu)值7 900.66 kJ·（kW·h）-1。

若以總閥位指令為橫坐標(biāo)，機(jī)組熱耗率為縱坐標(biāo)，則可得到汽輪機(jī)組變閥位熱經(jīng)濟(jì)特性（下文簡稱變閥位熱經(jīng)濟(jì)特性）。圖7 至圖9 分別給出了600 MW、480 MW 以及300 MW 等工況在額定主汽壓力25.00 MPa 以下不同負(fù)荷下定功率可行閥位區(qū)間內(nèi)不同總閥位指令下機(jī)組熱耗率的連續(xù)變化趨勢。

圖7 600 MW工況變閥位熱經(jīng)濟(jì)特性

圖9 300 MW工況變閥位熱經(jīng)濟(jì)特性

由圖7可知，在600 MW工況下，總閥位指令91.79%（即三閥點(diǎn)位置）對應(yīng)的該機(jī)組熱耗率達(dá)到最優(yōu)值。

由圖8 可知，在480 MW 工況下，總閥位指令91.79%（即三閥點(diǎn)位置）對應(yīng)的該機(jī)組熱耗率達(dá)到局部最優(yōu)值，總閥位指令74.51%（即兩閥點(diǎn)位置）對應(yīng)的該機(jī)組熱耗率達(dá)到全局最優(yōu)值。

圖8 480 MW工況變閥位熱經(jīng)濟(jì)特性

由圖9可知，與480 MW 工況類似，在300 MW 工況下，總閥位指令91.79%（即三閥點(diǎn)位置）對應(yīng)的該機(jī)組熱耗率達(dá)到局部最優(yōu)值，總閥位指令74.51%（即兩閥點(diǎn)位置）對應(yīng)的該機(jī)組熱耗率達(dá)到全局最優(yōu)值。

顯然，相較變壓熱經(jīng)濟(jì)特性曲線而言，變閥位熱經(jīng)濟(jì)特性曲線更為直觀展現(xiàn)出案例機(jī)組定功率變壓運(yùn)行的內(nèi)在固有規(guī)律。對于噴嘴配汽機(jī)組，其熱耗率的局部或全局最優(yōu)值均出現(xiàn)在閥點(diǎn)位置。

4 結(jié)語

文中以某超超臨界機(jī)組為例，開展汽輪機(jī)組定功率變壓運(yùn)行仿真研究，獲取了汽輪機(jī)組在定功率下可行閥位區(qū)間內(nèi)不同初壓下熱耗率的連續(xù)變化趨勢。相較變壓熱經(jīng)濟(jì)特性而言，變閥位熱經(jīng)濟(jì)特性更適于展現(xiàn)噴嘴配汽機(jī)組變壓運(yùn)行的內(nèi)在固有規(guī)律，可為該類型機(jī)組寬負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較、汽輪機(jī)組配汽端綜合優(yōu)化及其控制策略等方面的研究提供技術(shù)參考。