1000MW高效寬負荷超超臨界汽輪機系統優化技術研究

王晨瑜 張懷宇 葉菲

摘要：受電力消費需求放緩、非化石能源發電量高速增長等因素影響，提高大容量超超臨界機組在低負荷運行時的效率，實現機組的寬負荷高效運行是十分必要的。通過分析汽輪機結構及典型工況點的參數變化，研究1000MW高效寬負荷超超臨界汽輪機系統優化技術，在保證額定負荷現有超超臨界機組效率的同時，提高部分負荷時段汽輪機的效率。

關鍵詞：高效寬負荷；汽輪機；系統優化

1000MW wide high load of ultra supercritical steam turbine system optimization technology research

Wang Chenyu1 Zhang Huaiyu1 Fang Lian 2

（1 State Power Investment Corporation Research Institute，Beijing，102209，China；

2 Northeast Electric Power Design Institute Co.，Ltd of China Power Engineering Consulting Group，Changchun 130021，China）

Abstract：By the slowdown in demand for electricity consumption and influence factors of non fossil energy generating capacity growth，improve the efficiency of large capacity ultra supercritical unit in low load operation，to achieve the efficient operation of unit wide load is very necessary. Through the analysis of parameters of turbine structure and typical operating point，wide load of 1000MW ultra supercritical steam turbine system optimization technology，to ensure the rated load current efficiency of ultra supercritical units at the same time，improving the efficiency of steam turbine at partial load.

Key words：High load；steam turbine；system optimization

1 概述

受電力消費需求放緩、非化石能源發電量高速增長等因素影響，火電市場受到明顯擠壓。截止2016年底，全國全口徑統計火電裝機容量10.5億千瓦，全年火電利用小時4165小時，為1964年以來年度最低。同時，隨著經濟結構優化，居民用電和商業用電的比重逐年增加，導致用電負荷峰谷差激增，使得按照帶基本負荷設計的大容量火電機組被迫參與調峰，且通常處于較低負荷運行。

根據機組的運行實際情況，一般寬負荷高效運行指50%～100%額定功率之間。研究汽輪機寬負荷高效運行，就是通過優化設計、制造、運行等各環節，在保證主機在額定工況下最高效率的同時，負荷降低后同樣處于較高效率，從而達到節能降耗的目的。如何提高大容量超超臨界機組在低負荷運行時的效率和運行靈活性，是整個火電行業繼續研究解決的問題。

2 1000MW高效超超臨界汽輪機寬負荷高效優化的主要內容

汽輪機寬負荷高效運行，其優化技術主要包括以下幾方面內容，一是汽機本體優化，提高汽機效率、減少損失，如缸體結構優化、進汽方式優化、汽機葉片優化、汽封優化等。二是汽機回熱系統優化，提高部分負荷的效率，如回熱級數優化、設置零號高加、設置外置蒸汽冷卻器、設置低加疏水泵等。三是與汽機回熱系統相關優化，如采用煙氣余熱梯級利用、回收熱量至回熱系統、提高機組全負荷工況的熱效率，降低抽汽管道壓降，提高機組熱效率等。

汽輪機寬負荷高效優化的原則為，在保證額定負荷高效的同時提高部分負荷的運行效率。

3 高效超超臨界1000MW機組寬負荷高效優化措施

3.1 汽輪機本體設備優化

3.1.1 缸體結構優化

1000MW高效超超臨界機組采用四缸四排汽，圓筒形高壓缸，高壓缸和中壓缸可以整體發運，減少安裝時間、提高安裝質量。無高壓蒸汽聯通管道，閥門直接安裝在汽缸上。閥門與汽缸采用大型螺紋連接方式；閥門直接支撐在基礎上、對汽缸附加作用力小；布置在汽缸兩側；切向進汽，損失小，壓損至少減少1%；起吊高度低。高壓第一級斜置靜葉級，流道簡捷、無徑向漏汽損失；單流程、端損小，級效率91.7%，比其他高15%；無雙流180度大回轉，壓損1%。

單軸承支撐，軸承數量N+1，可使軸系緊湊、穩定，與常規機組相比軸向尺寸縮短一個低壓缸長度，約8～10m。單軸承比壓大，采用高粘度油，抗干擾穩定性好。轉子支撐落地，不受背壓變化及汽缸變形影響，機組軸系穩定。高壓轉子剛性大，抗汽隙激振的穩定性好。

優化膨脹系統設計。通流部分動靜差脹小，有利于機組快速啟動；動靜葉片軸向間隙設計小，減少損失；中壓外缸與低壓內缸有推拉桿連接，連續滑動；所有汽缸通過貓爪支撐在軸承座上；汽缸與軸承之間有耐磨、滑動性能良好的金屬介質。

3.1.2 汽輪機進汽方式優化

針對大型汽輪機寬負荷工況運行的特點，將傳統的噴嘴調節方式改為全周進汽+補汽調節的方式，避免了部分進汽損失和葉高損失，額定工況下效率提高了12.9%，75%THA工況下效率提高了15.3%，且75%負荷時全周進汽結構的效率僅降低0.4%，遠小于部分進汽結構的2.8%，變負荷運行能力更高。

3.2 汽輪機回熱系統優化

在一定的給水溫度條件下，回熱循環的效率是隨著回熱級數的增多而提高，如圖3.2-1。但是隨著回熱級數的增多，回熱循環效率的增量將逐漸減少，如圖3.2-1。因此采用過多的回熱級數效率增加的益處將不明顯，且級數的增多使系統復雜、投資增加，所以合理的回熱級數也應通過技術經濟比較來確定。

經過對回熱系統的優化后，國內某制造廠新型1000MW機組采用一次再熱、九級回熱系統。相比原機組的八級回熱系統經濟效益明顯，在THA工況及75%THA、50%THA工況，機組熱耗整體均降低約10kJ/kW·h。

3.3 設置零號高加

3.3.1 系統設置

對于一次再熱機組，在高壓缸補汽閥與高壓缸接口之間引出抽汽管道送至零號高加。在抽汽管道上設置快關調節閥、關斷閥、逆止閥，部分負荷運行時補汽閥處于關閉狀態，從高壓缸補汽閥接口抽出的高壓蒸汽通過調節閥調節抽汽量和抽汽參數，維持所需要的給水溫度。

3.3.2 增設零號高加后對對汽輪機部分負荷時運行經濟性的影響

汽輪機在部分負荷時投入零號高加，由于回熱系統級數增加，提高了回熱系統效率，提高了汽輪機給水溫度，汽輪機在部分負荷工況時汽輪機熱耗得以降低。

采用零號高加方案后，汽輪機在75%THA工況的熱耗降低約17kJ/kW·h；在50%THA工況的熱耗降低約29kJ/kW·h。

3.4 設置外置式蒸汽冷卻器

外置式蒸汽冷卻器是回熱系統一個獨立的加熱器，當前大多數的超超臨界機組都設置至少1級的串聯外置式蒸汽冷卻器。高效1000MW超超臨界機組采用一次中間再熱循環，再熱溫度為620℃，其第3級回熱抽汽設置在中壓缸第5級后。由于該級回熱抽汽是再熱后首次抽汽，蒸汽的過熱度很大，100%負荷時可達～269℃。因此，可在3號高壓加熱器設置單級串聯外置式蒸汽冷卻器，以有效利用蒸汽的這一部分過熱度，提高機組的給水溫度。

機組在變負荷時通常采用滑壓運行的方式。當負荷降低時，蒸汽壓力降低，但是蒸汽溫度不變，隨著負荷的降低，抽汽過熱度迅速升高。因此，外置式蒸汽冷卻器系統在低負荷時改善過熱度的效果更加明顯。

3.5其他相關的優化措施

3.5.1 壓降優化研究

根據目前國內1000MW超超臨界機組的設計經驗，如果將主蒸汽管道的壓降優化在一個合理范圍（不高于額定工況下的約3%），則機組熱耗較低；將再熱系統的壓降控制在高壓缸排汽壓力的7%左右，機組的運行經濟性將明顯提高。

按通常設計，1段至3段抽汽管道的阻力損失一般為汽輪機抽汽口的3%，4段以后的各級抽汽管道阻力損失一般為抽汽口壓力的5%。通過STEAM PRO軟件分別計算當1、2、3段抽汽壓力損失為2.5%，4、5、6段抽汽管道壓力損失為4%時的熱平衡，機組熱耗降低約9kJ/kW·h。

3.5.2 煙氣余熱的高能利用

煙氣余熱的高能級利用是指鍋爐排煙余熱同時加熱凝結水、冷風與給水，將低溫煙氣能級提升，大幅度提高余熱利用效率。此項技術在國外已經成功應用于Lagisza等多家電廠，運行實踐表明，設備可靠性高，可提高全廠效率超過1個百分點。

高能級的煙氣余熱利用，就是在鍋爐尾部空預器設置煙氣旁路，因空預器入口煙氣較高，抽取的部分煙氣可用來加熱汽機高壓給水及進入除氧器的凝結水，其回收的煙氣余熱排擠汽機高級抽汽，更進一步降低機組的標煤耗。這種系統在國外十年前就有類似的設計，并已經安全運行至今。例如德國的Niederaussem發電廠950MW鍋爐使用了此種系統設置，其系統示意如下圖所示：

如上圖所示，鍋爐空預器煙氣旁路可設置兩級高能級的低溫省煤器，一級加熱汽機給水泵出口高壓給水，將給水加熱至省煤器入口溫度；一級加熱凝結水將凝結水加熱至除氧器入口溫度。通過設置在除塵器前低低溫省煤器，煙氣溫度進一步降低到90℃。

鍋爐排煙余熱高能級深度利用系統由如下幾部分組成：

1）通過設置在除塵器前低低溫省煤器，加熱進入空預器的冷空氣。

2）空預器前主煙道上設置空預器的旁通煙道，在旁路上設置兩級低溫省煤器，分別為旁路一級高溫加熱器、旁路二級低溫加熱器。一級高溫加熱器加熱給水，二級低溫加熱器加熱凝結水。

煙氣余熱高能級利用方案的節能效果顯著，可使機組在全負荷運行期間熱耗降低，機組在75%THA及50%THA工況的熱耗降低約30 kJ/kW·h。

4 設計工況點選擇

國內汽輪機的工況定義按《固定式發電用汽輪機規范》（GB/T 5578-2007）執行（以下稱“國標”），規定了汽輪機的TRL工況（即銘牌工況）、TMCR工況、THA工況和VWO工況。按國標選擇汽輪機，通常汽輪機的最大通流能力（VWO工況）相比設計工況（THA工況）有10%的通流余量。

相比國內選用“國標”作為設備選型標準，國外通常采用IEC 60045-1（以下簡稱“IEC標準”）作為設備選型標準。“IEC標準”僅規定了TMCR工況（即銘牌工況）和VWO工況，且兩工況除進汽量外其他條件相同。按此種方式選型，則通流余量僅為3～5%。

眾所周知，設計余量越大，機組通流則偏離最佳經濟點越多。近年來隨著國內總裝機容量不斷攀升，各個電廠年利用小時數一直在降低。按照設計年利用小時數6500小時計算，2016年全國火電機組平均為64%負荷運行。因此通過改變工況定義的方式來縮小通流面積，對于提高寬負荷范圍內的經濟性都是巧妙且行之有效的。

現以國內某制造廠新型1000MW機組為例，按照“國標”和“IEC標準”的工況定義方式設計通流，以表4-1中參數為邊界條件進行對比計算。

從表4-2可以看出，“國標”工況定義的VWO進汽量為2955t/h，“IEC”工況定義的VWO進汽量為2770t/h，最大通流能力減小6.3%，相應的從THA至30%THA負荷的主汽壓力均提高約5.5%，提高了熱力循環的初參數。從圖5中可以看出，“IEC”工況定義下，30%～100%負荷區間內熱耗均低于“國標”工況定義，其中100%負荷低12.8 kJ/kW·h，75%負荷低16.4kJ/kW·h，50%負荷低19.3kJ/kW·h。隨著負荷越來越低，熱耗差值逐漸增大。可見通過改變工況定義方式，改善寬負荷范圍內的經濟性，是既方便簡單又效果明顯的手段。

5 結論

在目前的國內機組運行形勢下，提高機組在部分負荷的運行效率是十分必要的。高效寬負荷汽輪機技術優化，主要從汽機本體優化、汽機回熱系統及相關系統幾個方面進行。通過以上優化措施，在75%THA工況下，機組熱耗可以從7329 kJ/kW·h下降到7246.6kJ/kW·h，熱耗降低82.4kJ/kW·h，發電廠熱效率提高約0.52%；在50%THA工況下，機組熱耗可以從7584.6kJ/kW·h下降到7487.3kJ/kW·h，熱耗降低97.3kJ/kW·h，發電廠熱效率提高0.57%。

參考文獻

[1] 張懷宇，王晨瑜，謝雷，等. 大型汽輪機寬負荷運行時進汽部分性能對比分析[J].汽輪機技術，2016（6）：459-460

基金項目：受“十二五”國家科技支撐計劃項目“高效寬負荷超超臨界火電機組開發與應用（項目編號：2015BAA03B00）資助”

作者簡介：王晨瑜（1968-），男，學士，高級工程師，享受國務院政府津貼專家，主要研究方向為發電廠設備節能環保技術。

通訊地址：北京市昌平區北七家未來科技城南區，國家電投集團科研院

作者簡介：葉菲，高級工程師，從事火力發電廠設計。

（1作者單位：國家電投集團科學技術研究院有限公司；

2中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司）