汽輪機(jī)深度調(diào)峰能力研究

宋勇

摘 要：國(guó)內(nèi)燃煤發(fā)電機(jī)組容量不斷增大，同時(shí)隨著國(guó)內(nèi)用電總量的變化，對(duì)大機(jī)組調(diào)峰能力的要求越來(lái)越高。特別是電網(wǎng)容量的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)負(fù)荷峰谷變化區(qū)間，600MW及以上火電機(jī)組參與深度調(diào)峰已勢(shì)在必行。文章從汽輪機(jī)深度調(diào)峰能力入手，對(duì)影響汽輪機(jī)調(diào)峰能力的因素進(jìn)行闡述，并且詳細(xì)地分析汽輪機(jī)深度調(diào)峰的技術(shù)途徑以及優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；深度調(diào)峰；途徑；措施

中圖分類(lèi)號(hào)：TK26 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）29-0189-02

前言

國(guó)內(nèi)新能源發(fā)電機(jī)組總?cè)萘靠焖僭黾樱蟛糠中履茉礄C(jī)組均受季節(jié)和天氣影響較大，負(fù)荷變化具有不可預(yù)見(jiàn)性。特別是新能源機(jī)組容量占比較大的地區(qū)，要求火力發(fā)電機(jī)組參與深度調(diào)峰。根據(jù)電規(guī)總院報(bào)告，2016年上半年，甘肅棄風(fēng)率47%，新疆棄風(fēng)率45%，吉林43%，內(nèi)蒙古30%。根據(jù)中電聯(lián)《2016年全國(guó)電力行業(yè)供需形勢(shì)報(bào)告》分析，2015年全口徑火電發(fā)電量同比下降2.3%，已連續(xù)兩年負(fù)增長(zhǎng)，火電發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)創(chuàng)1969年以來(lái)的年度最低值4329小時(shí)。這表明我國(guó)電力行業(yè)即將進(jìn)入供大于求的局面。針對(duì)這一情況，目前采取的對(duì)策是關(guān)停、降低小機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間，采用大型發(fā)電機(jī)組進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)峰并提高已有煤電機(jī)組的深度調(diào)峰能力、快速爬坡能力以及快速啟停能力，為消納更多波動(dòng)性的可再生能源，靈活參與電力市場(chǎng)創(chuàng)造條件。

1 深度調(diào)峰主要技術(shù)路線

1.1 機(jī)組背壓供熱。機(jī)組背壓供熱就是通過(guò)對(duì)導(dǎo)汽管蝶閥、真空系統(tǒng)、低壓轉(zhuǎn)子以及控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，在機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)關(guān)閉中低壓缸導(dǎo)汽管蝶閥，大幅減少進(jìn)入低壓缸蒸汽量[1]。

1.2 蓄熱罐供熱。在儲(chǔ)熱思路上發(fā)展出外置“蓄熱裝置”能提高機(jī)組深度調(diào)峰能力的技術(shù)路線。以現(xiàn)世界上最大蓄熱儲(chǔ)水罐為例，最大容量70000m3，進(jìn)水溫度92℃，能滿(mǎn)足400MW機(jī)組鍋爐9小時(shí)滿(mǎn)負(fù)荷出力能量存儲(chǔ)[2]。

1.3 熱泵+蓄熱罐。利用電能（蒸汽）作為熱泵直接驅(qū)動(dòng)力，以汽輪機(jī)乏汽冷凝熱為熱源，吸收汽輪機(jī)凝汽器冷卻水中的低品位熱能。將熱泵回收的余熱作為機(jī)組基礎(chǔ)熱源，并與蓄熱罐結(jié)合實(shí)現(xiàn)熱電解耦。

1.4 旁路供熱。對(duì)旁路系統(tǒng)進(jìn)行改造，并進(jìn)行增容。當(dāng)電網(wǎng)需求降低時(shí)，如汽輪機(jī)采暖抽汽供熱量不能滿(mǎn)足供熱需求，可以通過(guò)汽輪機(jī)的旁路進(jìn)行供熱彌補(bǔ)供熱的不足，達(dá)到既滿(mǎn)足電網(wǎng)的需求，又能夠滿(mǎn)足熱網(wǎng)的需求的目的。

1.5 電鍋爐供熱。增加電鍋爐，當(dāng)電網(wǎng)需求降低時(shí)可增大電鍋爐用電量，實(shí)現(xiàn)熱電解耦，達(dá)到滿(mǎn)足電熱需求的目的。

2 汽輪機(jī)專(zhuān)業(yè)面臨的主要問(wèn)題

2.1 機(jī)組振動(dòng)影響。在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，流入低壓缸的蒸汽量減少，鼓風(fēng)效應(yīng)明顯，可能導(dǎo)致低壓缸排汽室溫度升高。排汽溫度的上升會(huì)引起低壓缸的變形和軸承位置的變化，從而可能導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)異常增大。長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，這種可能性不能忽略。

2.2 調(diào)門(mén)運(yùn)行。負(fù)荷迅速升降時(shí)，調(diào)門(mén)的安全運(yùn)行策略和自動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式，以及汽輪機(jī)通流部分熱應(yīng)力的安全性。低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，調(diào)門(mén)開(kāi)度很小的條件下，調(diào)節(jié)級(jí)安全性需確認(rèn)。負(fù)荷率對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響也是極其明顯的，主要是蒸汽初參數(shù)和閥門(mén)的節(jié)流損失的影響。低負(fù)荷下主蒸汽流量降低，如果關(guān)小閥門(mén)開(kāi)度，節(jié)流損失非線性增加；而若維持閥門(mén)開(kāi)度，降低蒸汽參數(shù)，此時(shí)機(jī)組循環(huán)效率降低，經(jīng)濟(jì)性下降。故汽輪機(jī)熱耗與負(fù)荷始終存在一個(gè)近似反比的關(guān)系。

2.3 低負(fù)荷時(shí)低加疏水。在低負(fù)荷時(shí)，低壓加熱器抽汽壓力降低，可能導(dǎo)致低壓加熱器疏水困難，引起各加熱器水位出現(xiàn)報(bào)警。

2.4 給水系統(tǒng)。負(fù)荷降低，除氧器進(jìn)汽壓力降低，前置泵的有限汽蝕余量降低，有可能造成前置泵汽蝕。給水流量的降低會(huì)使再循環(huán)調(diào)門(mén)開(kāi)啟以滿(mǎn)足給水泵最小流量要求，會(huì)造成對(duì)調(diào)門(mén)閥芯的嚴(yán)重沖刷，使閥門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)，降低了給水泵帶負(fù)荷能力。由于深度調(diào)峰時(shí)對(duì)機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間的不確定，導(dǎo)致給水泵在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)一般保持備用。低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，對(duì)汽泵的控制，水位的控制難度增加，存在給水泵搶水、給水波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 輔機(jī)的安全運(yùn)行。在低負(fù)荷下，眾多配備變頻器的輔機(jī)在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，需要確認(rèn)振動(dòng)安全性；未配備變頻器的輔機(jī)在變頻器改造的時(shí)候應(yīng)注意原來(lái)這些輔機(jī)被設(shè)計(jì)為定速運(yùn)行，改為變速運(yùn)行，有可能發(fā)生軸系振動(dòng)、裂紋甚至轉(zhuǎn)子斷裂、葉片飛出等事故；各輔機(jī)和系統(tǒng)的自動(dòng)控制在深度調(diào)峰時(shí)不能投入，這些問(wèn)題都需要進(jìn)行深入研究和提出解決方案。

3 深度調(diào)峰試驗(yàn)

深度調(diào)峰試驗(yàn)是深度調(diào)峰操作的基礎(chǔ)，只有在完成深度調(diào)峰試驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)、分析并深入研究機(jī)組在低負(fù)荷工況下的運(yùn)行特性，才能做好深度調(diào)峰汽機(jī)的運(yùn)行操作與事故處理。某廠2x660MW機(jī)組汽輪機(jī)型號(hào)為CLN600-24.2/566/566超臨界一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。該廠于2017年7月7日完成了深度調(diào)峰試驗(yàn)。

3.1 汽輪機(jī)專(zhuān)業(yè)深度調(diào)峰的邊界條件。（1）汽輪機(jī)軸振、瓦振過(guò)大。（2）汽輪機(jī)軸承瓦溫過(guò)大。（3）高、中壓缸脹差異常。（4）低壓缸排汽溫度高。（5）小機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低、給水流量過(guò)低。當(dāng)任一參數(shù)達(dá)到邊界條件后應(yīng)暫停降負(fù)荷或終止試驗(yàn)，由運(yùn)行人員由運(yùn)行人員按規(guī)程處理。條件改善后繼續(xù)試驗(yàn)，若無(wú)改善則本負(fù)荷為試驗(yàn)最終負(fù)荷[4]。

3.2 試驗(yàn)方法。（1）機(jī)組由330MW（50Pe%）以上負(fù)荷手動(dòng)降至265MW（40Pe%）。（2）機(jī)組在265MW負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行不少于2小時(shí)。（3）機(jī)組由265MW手動(dòng)降負(fù)荷，以確認(rèn)當(dāng)前最低深度調(diào)峰能力，直至任一參數(shù)達(dá)到深度調(diào)峰邊界條件。

3.3 試驗(yàn)過(guò)程。機(jī)組于2017年7月7日進(jìn)行了深度調(diào)峰試驗(yàn)，主要的操作有在470MW負(fù)荷運(yùn)行時(shí)切為單閥運(yùn)行，415MW負(fù)荷運(yùn)行時(shí)小機(jī)氣源切為輔汽并保持四段抽汽熱備用；340MW負(fù)荷運(yùn)行時(shí)給水泵再循環(huán)調(diào)門(mén)全開(kāi)。負(fù)荷降至235MW，脫硝B側(cè)入口煙氣溫度293℃，調(diào)整鍋爐燃燒，脫硝B側(cè)入口煙氣溫度仍降低至289℃，停止試驗(yàn)，觸發(fā)試驗(yàn)下限的邊界條件是脫硝系統(tǒng)入口煙溫低。

3.4 試驗(yàn)分析。觸發(fā)最低試驗(yàn)負(fù)荷的邊界條件是脫硝系統(tǒng)入口煙溫低，在最低深度調(diào)峰負(fù)荷邊界條件處，汽輪機(jī)及其輔機(jī)在最低深度調(diào)峰負(fù)荷下運(yùn)行穩(wěn)定，完全滿(mǎn)足深度調(diào)峰的要求并還有進(jìn)一步調(diào)峰的能力。但仍需進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)行以暴露問(wèn)題，提出改善措施。

4 技術(shù)改造路線建議

本文重點(diǎn)闡述了深度調(diào)峰的技術(shù)路徑、汽輪機(jī)的影響因素并詳細(xì)說(shuō)明了某廠深度調(diào)峰試驗(yàn)，對(duì)大型煤機(jī)深度調(diào)峰具有重要的借鑒和指導(dǎo)作用。以下總結(jié)了常用改造技術(shù)路線和建議。

4.1 自身調(diào)峰潛力挖掘。所有火電企業(yè)無(wú)論是供熱機(jī)組還是純凝機(jī)組，首選的火電靈活性方案是在不進(jìn)行任何投資改造基礎(chǔ)上，挖掘機(jī)組本身的深度調(diào)峰潛力。

4.2 機(jī)組背壓供熱。在背壓供熱方式下如果機(jī)組可以長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，則此方案為機(jī)組深度調(diào)峰的最佳方案，考慮到機(jī)組調(diào)峰負(fù)荷初末期受鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷、深寒期受外界供熱負(fù)荷的影響，可以增加儲(chǔ)熱罐，并與之配合運(yùn)行，以滿(mǎn)足機(jī)組深度調(diào)峰的需求。對(duì)于汽輪機(jī)專(zhuān)業(yè)，真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)需優(yōu)化，低壓轉(zhuǎn)子改造。

4.3 儲(chǔ)熱罐供熱。不受廠區(qū)空間限制，且供熱期大部分時(shí)間機(jī)組在非熱電解耦時(shí)段抽汽余量滿(mǎn)足解耦時(shí)段需求，當(dāng)前首選的機(jī)組深度調(diào)峰技術(shù)方案為蓄熱罐改造方案。

4.4 熱泵+儲(chǔ)熱罐供熱。在現(xiàn)有供熱負(fù)荷不變或新增熱負(fù)荷沒(méi)有超出機(jī)組供熱能力的情況下，采取熱泵改造增加了機(jī)組的供熱能力，對(duì)機(jī)組實(shí)現(xiàn)熱電解耦、提升調(diào)峰能力有積極作用。對(duì)于汽輪機(jī)專(zhuān)業(yè)，此方案改造最少、最安全。

4.5 旁路供熱。旁路改造投資較少，但高低壓旁路聯(lián)合運(yùn)行控制復(fù)雜，且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后存在閥門(mén)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，考慮到機(jī)組旁路設(shè)計(jì)容量有限，對(duì)于采暖抽汽量不高的機(jī)組，可考慮采用再熱蒸汽冷段或熱段減溫減壓進(jìn)行供熱。對(duì)于汽輪機(jī)專(zhuān)業(yè)，主要考慮軸向推力、轉(zhuǎn)子冷卻以及優(yōu)化控制。

4.6 電鍋爐供熱。電鍋爐改造對(duì)輔助調(diào)峰政策依賴(lài)性大，一旦調(diào)峰補(bǔ)償政策不能延續(xù)，對(duì)電廠經(jīng)濟(jì)收益造成損失。從政策風(fēng)險(xiǎn)及能源的有效利用方面考慮，機(jī)組在采取其他方案改造后不能達(dá)到調(diào)峰基準(zhǔn)要求時(shí)，推薦采取電鍋爐改造方案。此方案適用各種邊界條件機(jī)組的改造，對(duì)機(jī)組系統(tǒng)影響最小。

5 汽輪機(jī)優(yōu)化措施

5.1 優(yōu)化運(yùn)行方式。機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行時(shí)采用滑壓運(yùn)行與定壓運(yùn)行比具有明顯優(yōu)勢(shì)：無(wú)節(jié)流損失或節(jié)流損失較小；部分負(fù)荷下高壓缸效率下降較少；給水泵功耗小；溫度基本不隨負(fù)荷變化，汽輪機(jī)熱應(yīng)力小；有利于再熱汽溫的調(diào)節(jié)。

5.2 輔機(jī)節(jié)能優(yōu)化。開(kāi)展冷端優(yōu)化分析，尋求在不同的環(huán)境溫度和運(yùn)行負(fù)荷下選取機(jī)組真空和循泵運(yùn)行方式的最優(yōu)組合；對(duì)大型輔機(jī)進(jìn)行變頻改造，有效降低廠用電率。

參考文獻(xiàn)：

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[2]田立順.蓄熱罐在熱電聯(lián)供集中供熱系統(tǒng)的應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2016（11）.