超臨界600MW汽輪機運行方式的優化研究

范 鑫， 秦建明， 李 明， 付晨鵬

（1.河南電力試驗研究院，鄭州450052；2.河南工業大學 電氣工程學院，鄭州450007）

滑壓運行是目前汽輪機組低負荷運行時經常采用的運行方式，大多數發電廠均按汽輪機生產廠家提供的滑壓曲線運行.但是廠家的滑壓曲線是根據理論計算得出的，不可能考慮到機組實際的設備運行效率、系統條件及系統環境的變化，在經濟性上并不一定是最優的.

通過近年來多次熱力性能試驗，對影響機組效率的各個環節進行分析和對比發現，低負荷超臨界汽輪機設計滑壓曲線的主蒸汽壓力設定值偏低，對機組低負荷運行時的經濟性有一定影響.所以有必要對超臨界汽輪機進行變負荷運行優化試驗，來確定不同負荷運行時的最佳閥門開度及主蒸汽壓力，提高機組低負荷運行時的經濟性，從而可以進一步挖掘機組節能潛力，降低機組供電煤耗.

1 汽輪機變負荷運行的優化原理

從熱力循環的角度分析，影響機組經濟性的主要因素有循環的熱效率和汽輪機的相對內效率.

機組在低負荷運行時，當主蒸汽壓力較高時，進汽節流損失大，汽輪機相對內效率較低，給水泵耗功較大，但是循環的熱效率較高；當主蒸汽壓力較低時，進汽節流損失小，汽輪機相對內效率較高，給水泵耗功較小，但是循環的熱效率較低.所以只有在汽輪機相對內效率提高所帶來的效益大于循環熱效率降低的影響時，單元機組汽輪機的絕對內效率才有可能提高［1］.也就是說，低負荷運行的壓力參數必然存在一個最佳值，使機組在不同負荷下都保持較高的經濟性.

根據以上理論分析，在不同典型負荷下采用熱力試驗的方法來確定單元機組最佳運行參數；在同一負荷下，通過試驗計算出不同壓力下機組的熱耗率；以此為比較基準，修正后熱耗率（主汽壓不做修正）最低時對應的壓力點即為最佳壓力點.

2 變負荷運行優化試驗過程

某電廠1號汽輪機為600MW超臨界汽輪機，機組型號為 CLN600－24.2／566／566，給水泵驅動方式為蒸汽驅動，給水泵小汽輪機用汽由四段抽汽供給.廠家提供的設計滑壓參數是按照閥點工況設計的，這種設計理論上沒有節流損失，但會使汽輪機進汽壓力偏低.在實際運行中，從保證機組運行的安全性和汽輪機進汽流量的平滑性考慮，閥門開啟過程中均有一定的重疊度，若按原設計的滑壓參數運行并不經濟.所以很有必要按照機組實際的閥門流量特性進行變負荷運行參數的優化，從而確定當前閥門流量特性下汽輪機的最佳運行主蒸汽壓力［2－3］.

為了得到不同負荷下機組的最佳運行參數，提高機組低負荷下的運行經濟性，于2011年10月進行了變負荷運行優化試驗.優化時采用改變主汽壓進行熱效率對比試驗的方法，在機組通常運行范圍內選取若干個典型負荷點，分別在540MW、480 MW、420MW、360MW、330MW 和300MW 共6個負荷下進行了汽輪機熱效率試驗，采用負荷作為試驗基準.在每個負荷點上分別選取不同的主蒸汽壓力以及高壓調門開度對應關系.試驗中主機、輔機設備正常投入運行，按照相關試驗標準要求進行了系統隔離［4－5］.機組優化試驗在試驗條件接近（即蒸汽溫度、機組真空及各輔機運行狀況變化不大）的情況下進行，每個工況進行30min左右，在不同壓力下求得各工況下的高壓缸效率和熱耗率［6］，以機組修正后熱耗率［7］最小為原則來選取機組最佳運行主蒸汽壓力.

3 運行優化試驗曲線

根據機組在540MW、480MW、420MW、360 MW、330MW和300MW負荷下的優化試驗結果（見表1～表6），可繪制出對應負荷下的運行優化試驗曲線，見圖1～圖6.

圖1 540MW負荷下運行優化試驗曲線Fig.1 Optimized operating curves at 540MW

表1 540MW負荷下運行優化試驗主要數據Tab.1 Main data of operation optimization test at 540MW

圖2 480MW負荷下運行優化試驗曲線Fig.2 Optimized operating curves at 480MW

表2 480MW負荷下運行優化試驗主要數據Tab.2 Main data of operation optimization test at 480MW

圖3 420MW負荷下運行優化試驗曲線Fig.3 Optimized operating curves at 420MW

圖4 360MW負荷下運行優化試驗曲線Fig.4 Optimized operating curves at 360MW

表3 420MW負荷下運行優化試驗主要數據Tab.3 Main data of operation optimization test at 420MW

表4 360MW負荷下運行優化試驗主要數據Tab.4 Main data of operation optimization test at 360MW

圖5 330MW負荷下運行優化試驗曲線Fig.5 Optimized operating curves at 330MW

圖6 300MW負荷下運行優化試驗曲線Fig.6 Optimized operating curves at 300MW

表5 330MW負荷下運行優化試驗主要數據Tab.5 Main data of operation optimization test at 330MW

表6 300MW負荷下運行優化試驗主要數據Tab.6 Main data of operation optimization test at 300MW

由圖1～圖6中的運行優化試驗曲線可以看出：540MW負荷時，汽輪機在額定主蒸汽壓力下運行最經濟；480MW負荷時，汽輪機在主蒸汽壓力為22.0MPa左右下運行最經濟；420MW負荷時，汽輪機在主蒸汽壓力為19.7MPa左右下運行最經濟；360MW負荷時，汽輪機在主蒸汽壓力為17.4 MPa左右下運行最經濟；330MW負荷時，汽輪機在主蒸汽壓力為16.3MPa左右運行最經濟；300 MW負荷時，汽輪機在主蒸汽壓力為15.1MPa左右運行最經濟.

4 優化后主蒸汽壓力運行曲線與設計值的比較

通過不同負荷下的熱效率對比試驗得到了機組相應的最佳運行主蒸汽壓力，相關數據見表7.可以看出與原設計滑壓參數相比，試驗得出的最佳運行主蒸汽壓力均有所提高，而且隨著負荷的降低，優化后取得的節能效果越來越明顯.

優化后主蒸汽壓力運行曲線見圖7.圖7中下方曲線是制造廠的設計滑壓運行曲線，上方曲線是試驗得到的優化后主蒸汽壓力運行曲線.

由表7可以看出，與原設計滑壓參數相比，優化后的運行參數在低負荷下節能效果較明顯：360 MW工況下主蒸汽壓力由原設計的15.16MPa提高到17.4MPa，優化后熱耗率下降了25.52kJ／（kW·h），供電煤耗率下降約1.02g／（kW·h）［8］.

表7 不同負荷下的最佳主蒸汽壓力Tab.7 Optimal main steam pressure at different loads

圖7 機組變負荷主蒸汽壓力運行曲線Fig.7 Operation curves of main steam pressure under varying load conditions

該機組年平均負荷率約為60%，對應負荷360 MW，如按年利用4 500h、平均標煤煤價800元／t計算，該負荷率下年節約標準煤約2 754t，折合人民幣約220萬元.

5 不同排汽壓力下的主蒸汽壓力運行曲線

以上運行曲線是在汽輪機排汽壓力（真空）修正到設計值的情況下得出的.但是由于不同氣溫下循環水溫度的變化會影響汽輪機的排汽壓力，進而使機組實際功率和主蒸汽流量的對應關系發生變化.因此，機組排汽壓力發生變化時，對應的最佳主蒸汽壓力也會變化.根據汽輪機排汽壓力修正曲線［9］，經過計算可以得到不同排汽壓力下的主蒸汽壓力運行曲線.圖8為考慮機組排汽壓力修正后的運行曲線，排汽壓力一年中大部分時間在4.9～11.8kPa，不同負荷下機組的最佳主蒸汽壓力運行點涵蓋在圖中這兩段曲線之間.可以根據不同的排汽壓力，選取圖8中相應的主蒸汽壓力運行曲線.

圖8 不同排汽壓力下機組主蒸汽壓力運行曲線Fig.8 Operation curves of main steam pressure at different exhaust pressures

6 運行曲線的擬合函數

由圖8可以看出：機組運行的最佳主蒸汽壓力不僅與發電機功率有關，還與汽輪機的排汽壓力有關，是由排汽壓力和發電機功率共同決定的.由于現場汽輪機排汽壓力不易準確測量，為了便于現場使用，用測量準確度相對較高的排汽溫度求出對應的排汽壓力，再根據發電機功率來共同進行函數擬合.因此，得到的最佳主蒸汽壓力是發電機功率和排汽溫度的函數，即

式中：pzq為最佳主蒸汽壓力，MPa；Q為發電機功率，MW；t為排汽溫度，℃.

按照上述方法，對圖8中的運行曲線進行分段擬合，得出的函數共分為三段：

（1）發電機功率在280～505MW時

式中：15.1＜pzq≤24.2；pk為排汽壓力，MPa，pk＝見文獻［10］；0＜t＜60.

（2）發電機功率在505～540MW時

（3）發電機功率在540～660MW時

7 結 論

通過對超臨界600MW汽輪機進行變負荷運行優化試驗，得到了機組優化后的主蒸汽壓力運行控制曲線，新的運行方式考慮了不同季節環境溫度對機組真空（排汽壓力）的影響.與原設計滑壓運行方式相比，優化后的運行方式在機組低負荷運行時，汽輪機熱耗率明顯降低.所以，用優化后的運行曲線來指導機組運行能取得顯著的節能降耗效果.試驗得到的優化運行結果對同類型超臨界汽輪機組也具有一定的參考價值.

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