百萬千瓦級燃煤機組低煤耗運行特性研究

叢星亮，李 勇，余永生，陳 鑫

(國網安徽省電力公司電力科學研究院，合肥 230601)

百萬千瓦級燃煤機組低煤耗運行特性研究

叢星亮，李 勇，余永生，陳 鑫

(國網安徽省電力公司電力科學研究院，合肥 230601)

機組的負荷對百萬千瓦級超超臨界機組的低煤耗運行特性具有較大的影響。通過試驗的手段研究了機組負荷對鍋爐熱效率和汽輪機熱耗的影響，以反平衡法分析了百萬機組的鍋爐運行的經濟特性。研究發現負荷對鍋爐熱效率的影響程度較低，而對汽輪機的熱耗影響程度較大。根據試驗結果推導出百萬機組低煤耗運行的最佳負荷區間。

百萬千瓦級機組；供電煤耗；負荷；鍋爐熱效率；汽輪機熱耗

我國燃煤火電技術發展已經進入超超臨界參數大裝機容量時期。文獻[1]認為超超臨界機組由于蒸汽壓力和溫度的提高，熱效率比國內現有機組平均水平提高約10%。雖然百萬千瓦級機組以其高參數的優勢具備較低煤耗水平運行的特性，但是較低的負荷可能導致百萬千瓦級機組不能保持這樣的優勢。在較低的負荷下，百萬千瓦級超超臨界機組運行的經濟性可能比不上600 MW超超臨界機組。本文通過試驗的手段研究了負荷對百萬千瓦級超超臨界機組低煤耗運行特性的影響。從鍋爐熱效率和汽輪機熱耗兩方面詳細分析了負荷對百萬千瓦級機組產生影響程度，推導出百萬千瓦級超超臨界機組低煤耗運行的最佳負荷區間。

1 試驗方法

試驗選取了三個具有代表性的工況：1 000 MW負荷工況、750 MW負荷工況和500 MW負荷工況。汽輪機和鍋爐的試驗在每個試驗工況下都同步進行。本試驗主要依據GB10184—1988《電站鍋爐性能試驗規程》和GB 8117.2—2008《汽輪機熱力性能驗收試驗規程》以及電廠集控運行規程及汽輪機、鍋爐《熱力計算匯總表》。試驗采用IAPWS-IF97公式計算水和水蒸汽特性。

在鍋爐熱效率試驗中，煙氣成分分析和排煙溫度是非常重要的測量參數。由于空氣預熱器進口和出口的煙氣溫度和煙氣成分在煙道中的分布極不均勻，試驗采用等截面網格法同時測量，主要測量方法如圖1所示。將改進型的煙氣取樣槍和熱電阻按照網格法均勻布置在煙道中，利用橡膠管將前置預處理裝置、NOVA PLUS煙氣分析儀和煙氣分析取樣槍聯接在一起。試驗通過前置預處理裝置保證進入每根煙氣取樣槍的煙氣流量相等；利用煙氣分析儀測量和記錄不同時刻的煙氣成分，如煙氣中氧含量、一氧化碳含量和二氧化碳含量等數據；借助溫度采集系統測量和記錄不同時刻的煙氣溫度。

圖1 煙氣成分分析和煙氣溫度測量方式

汽輪機試驗測量的關鍵參數見圖2。大部分電廠都預留了這些試驗測點位置。這些主要測點全部安裝了更高精度等級的試驗儀表，在除氧器進口安裝了標定過的ASME噴嘴，以獲得最佳試驗精度。試驗中汽輪機側所有壓力和溫度都采用雙測點測量；密封水供水和密封水回水的流量都采用超聲波流量計進行現場測量；過熱減溫水和再熱減溫水的流量采用孔板流量計進行測量；發電機功率采用WT3000電功率表自動測量。

圖2 汽輪機側主要測點布置圖

2 試驗結果分析與討論

2.1 鍋爐熱效率與負荷的關系

兩臺百萬機組的鍋爐熱效率與負荷的關系曲線如圖3所示。由圖3可知，3號機組和4號機組的鍋爐熱效率都較高，在不同的負荷下達到94.6%； 3號機組的鍋爐熱效率在三個不同的負荷下都略低于4號機組；鍋爐的熱效率隨著機組負荷的增加并不是完全線性的增大趨勢，而是呈現先增加后降低的趨勢。試驗表明百萬超超臨界燃煤火電機組的鍋爐熱效率最大(鍋爐最經濟運行工況)對應的機組負荷約為800 MW。

由于電廠在燃煤煤種管理方面，鍋爐優化燃燒調整方面以及機組運行管理方面已經做了很多改進的工作，因此，3號鍋爐和4鍋爐的熱效率已經達到很高的水平。

圖3 鍋爐的熱效率與機組的負荷

2.2 鍋爐熱損失

圖4和圖5示出了某電廠3號鍋爐和4號鍋爐在負荷1 000、750和500 MW的三個工況下各種熱損失，包括排煙熱損失(q2)，未完全燃燒氣體的熱損失(q3)，固體未完全燃燒損失(q4)，散熱損失(q5)和灰渣物理熱量損失(q6)。由圖4和圖5可知，鍋爐熱損失中占最大份額的是排煙損失(q2)，約占到總熱損失的86%～90%。散熱損失(q5)占總熱損失的5.8%～11.8%。其他的熱損失占總熱損失的比例都較低，不到1.5%。

圖4 某電廠3號鍋爐的各種熱損失

圖5 某電廠4號鍋爐各種熱損失

由此可知，百萬超超臨界機組的鍋爐熱效率很大程度上取決于排煙熱損失。由于750 MW負荷工況的鍋爐排煙熱損失最小，該工況的鍋爐熱效率最高。鍋爐的排煙熱損失與排煙溫度和煙氣中的O2含量密切相關。在保證煙氣中CO含量較低以及灰渣中的碳含量較低的情況下(保證煤完全充分燃燒)，降低排煙溫度和煙氣中O2含量能夠進一步提升鍋爐熱效率。

2.3 鍋爐關鍵測量參數

排煙的O2含量與機組負荷的關系如圖6所示。由圖6可知，隨著機組負荷的升高，排煙的O2的含量逐漸降低。修正的排煙溫度與機組負荷的關系如圖7所示。由圖7可知，隨著機組負荷的升高，修正的排煙溫度逐漸增大。由圖6和圖7的變化趨勢可知必然存在最佳機組負荷使鍋爐熱效率達到最大，圖3的結果也印證這一點。

圖6 排煙的O2含量與機組負荷的關系

圖7 修正的排煙溫度與機組負荷的關系

2.4 汽輪機熱耗與負荷

汽輪機修正后的熱耗與機組負荷的關系見圖8。隨著負荷的降低，汽輪機熱耗增加。在較高負荷段時，隨著負荷的降低汽輪機熱耗增加緩慢；在較低負荷段時，隨著負荷的降低汽輪機熱耗急劇增大。機組負荷從1000 MW到750 MW，熱耗降低了100 kJ/kWh左右，而從750 MW到500 MW機組熱耗降了近300 kJ/kWh。

圖8 汽輪機修正后的熱耗與機組負荷的關系

汽輪機采用單閥調節方式，在75%以上負荷，閥門開度較大 ，節流損失很小，充分發揮單閥調節的優勢，熱耗隨負荷降低增加緩慢，而且在這一負荷段，熱力參數較高，充分體現機組高參數、大容量的特點，汽輪機都能保持較高的水平運行，經濟性能非常好。隨著負荷繼續下降，節流損失增加比較快，機組性能降低越來越明顯，熱耗急劇增加。因此保持較高負荷運行才能充分發揮機組超超臨界參數和超大容量的特點以及單閥調節的優勢。

2.5 最佳運行區間

假設鍋爐熱效率、汽機熱耗與機組負荷呈現類似于二次曲線的規律。由于廠用電率也隨負荷的變化程度相對較小，假定為常數3.1%。通過數據擬合的方式獲得鍋爐熱效率、汽機熱耗與機組負荷的關系式，外推不同負荷條件下的鍋爐熱效率、汽機熱耗以及供電煤耗，如圖9、圖10和圖11所示。由于3號機組和4號機組的規律相同，以3號機組的數據進行展示。由圖9可知，供電煤耗隨機組負荷的變化規律與汽機的熱耗隨機組負荷的變化規律完全一致。這表明機組運行經濟性很大程度上與汽機的熱耗相關。鍋爐的熱效率在不同負荷條件下，變化程度相對較低，與廠用電率類似可以假定為常數。

圖9 汽機熱耗與機組負荷的外推

圖10 鍋爐熱效率與機組負荷的外推

由圖11可知，機組整體運行在負荷850 MW以上，供電煤耗基本不變。當負荷低于700 MW后，供電煤耗隨著機組負荷的降低呈現大幅度增加的趨勢。因此，百萬機組最經濟的運行負荷在850 MW以上，如果機組運行700 MW以下，將不能很好的發揮百萬機組高參數和大容量的優勢。文獻[2]的研究也發現當機組的負荷低于75%THA工況后，機組煤耗將大幅度增加。

圖11 供電煤耗與機組負荷的外推

3 結語

(1) 百萬機組的鍋爐熱效率隨著機組負荷的增加呈現先升高后降低的趨勢，鍋爐的熱效率很大程度上取決于排煙損失。鍋爐的排煙損失與排煙溫度和煙氣中的O2含量密切相關。

(2) 隨著機組負荷的升高，汽輪機修正后的熱耗降低，且熱耗降低的幅度逐漸減小。這表明機組負荷越高，其運行經濟性越好。

(3) 百萬超超臨界機組低煤耗運行的最佳在負荷850 MW及以上。當負荷低于700 MW后，供電煤耗隨著機組負荷的降低呈現較大幅度增加。

[1] 高正陽,宋 瑋,方立軍,等. 1000MW超超臨界機組雙切圓鍋爐NO排放特性的數值模擬[J].中國電機工程學報, 2009,29(32):12-18.

[2]李 冉. 1 000 MW超超臨界機組能耗分析與優化[D].北京：華北電力大學,2013.

(本文編輯：趙艷粉)

Operation Characteristics of 1000 MW Coal-Fired Units with Low Coal Consumption

CONG Xing-liang, LI Yong, YU Yong-sheng, CHEN Xin

(State Grid Electric Power Research Institute, Anhui Electric Power Company, Hefei 230601, China)

The load of the units has a great impact on the operation characteristics of 1000 MW ultra-supercritical coal-fired units with low coal consumption. The influence of the load on boiler thermal efficiency and turbine heat rate had been researched in experiments. The economic characteristics of the boiler were analyzed on the basis of the negative equation. It was found that the load had lower effect on boiler thermal efficiency, but larger influence on turbine heat rate. The optimal load range of the 1000 MW units was deduced based on the experimental data.

1 000 MW coal-fired units; net coal consumption rate; load; boiler thermal efficiency; turbine heat rate

10.11973/dlyny201606017

叢星亮(1985)，男，博士，研究方向電站鍋爐性能試驗及其燃燒優化。

TK225

A

2095-1256(2016)06-0746-04

2016-09-17