汽輪機滑壓曲線優化方案比較與分析

鄭衛東，李曉燕，熊志成

（華能國際電力股份有限公司玉環電廠，浙江　臺州　317604）

0　引言

隨著新能源發電及特高壓交直流輸電技術的發展，火電機組的深度調峰勢在必行，火電機組部分負荷運行的經濟性問題越來越突出。目前國內的火力發電機組，汽輪機調門都存在不同程度的節流現象，即保留有一定的蓄熱能力以應付電網的調頻和調峰。汽輪機調門節流的大小與調門開度及機組壓力設定密切相關，選擇不同工況下的閥點及合適的滑壓曲線，是可調性、經濟性的關鍵。如何使汽輪機既能滿足AGC（自動發電系統）響應的需求，又能實現最大程度節能的雙重控制目標，是減小節流損失及提高部分負荷經濟性的關鍵性難點問題，其實質就是如何確定汽輪機閥點工作位置。

汽輪機閥點的工作位置，與汽輪機滑壓曲線密切相關，滑壓曲線的設定通常依據廠家的初始設計，是一條理論工況下的理想曲線。理論的滑壓曲線，難以滿足因機組運行工況偏離設計的需要，實際運行中往往難以達到應有的節能功效，極端情況可能引起安全問題。確保汽輪機調門工作在最佳閥點位置，是滑壓曲線優化的核心目標。

1　滑壓曲線優化與最佳閥位關系分析

熱力系統運行參數不變的情況下，汽輪機的負荷、主蒸汽流量、汽輪機高壓調閥開度之間的關系可表達為

式中：Ne為機組負荷；P0為主蒸汽壓力；Cv為線性化的高壓調門開度。可見，負荷一定時主蒸汽壓力越小，高壓調閥開度越大。

汽輪機降壓運行雖然降低整體熱循環效率，但是是否增加能耗，要對比循環效率降低值與節流損失減少值兩者之間的大小關系，對大多數機組而言，降低效率損失小于節流產生的能耗，所以完全從節能的角度看，如果降低汽輪機滑壓運行設定值，使調門全開節能效果最佳。但調門全開將使機組無法對負荷進行精確控制，不能滿足AGC和一次調頻的需求。

如果滑壓運行曲線設定壓力過高，將導致閥門工作位置偏離設計的經濟閥位。高壓調閥開度越小，主蒸汽壓力P0越高，循環熱效率提高，對經濟性有利，但高壓調門開度越小節流損失越大，還會引起高壓缸效率下降及給水泵功耗的上升。

因此，滑壓曲線優化的實質是根據P0與Cv的最佳匹配關系，確定最佳的滑壓曲線。怎么樣得到最優運行結果，有2種觀點，從這2種觀點出發有多種做法：

（1）以主蒸汽壓力為標準，負荷一定時，最佳壓力對應最佳汽耗率。

（2）以閥點為目標，在閥點運行時必定能獲得最佳的經濟性，最佳閥點選擇在調門的拐點附近，并保留適當的裕量。

單閥運行閥點1個，順序閥閥點多個，如果機組為4只高壓調門配置，其閥點目標值與負荷如圖1所示。

2　最佳滑壓曲線獲得方法

圖1　閥點目標值與負荷關系

汽輪機設計滑壓曲線依據汽輪機運行在設計工況時的進汽量與機前壓力正好匹配而定，最佳滑壓優化曲線的獲取方法有多種，例如試驗法、變工況計算法、閥點分析法、重點因素分析法等。

以試驗法為例，在機組各特定負荷下，通過高精度試驗以確定機組不同負荷下采用不同滑壓曲線的發電熱耗率。依據試驗數據得出機組熱力特性，通過綜合計算和比較，得出最優的壓力曲線值。該方法在機組運行中比較容易進行，設定機組的邊界條件。鍋爐燃燒指令手動調整，選取不同負荷段，記錄各典型負荷點的實際主蒸汽壓力，手動修改壓力設定值（也可以設計滑壓曲線偏置操作端），記錄壓力設定值與調門開度的關系。當最經濟的閥位確定后，最佳壓力曲線即可獲得。在特定的條件下，試驗比較法比較準確，簡單易行，在火電廠得到了較多運用。

從節能的角度看，無論哪種方法獲得的最佳滑壓曲線，其適用范圍都比較小，難以兼顧機組運行方式和參數的影響。例如，運行機組受季節的影響帶負荷能力變化較大，試驗在夏季進行和在冬季運行差異明顯。運行中如何確保機組始終維持在最佳滑壓曲線上或者調門維持在某一閥點上，這需要對基本的滑壓曲線進行動態優化補償。

3　幾種滑壓曲線的運行修正方案

運行機組受主蒸汽溫度、凝汽器真空、抽汽量變化、再熱減溫水流量、供熱機組供熱量變化等因素影響，相同的電功率時汽耗存在差異，使運行機組難以始終維持在最佳滑壓曲線上。因此需要對滑壓曲線進行動態修正，利用給定壓力的變化，力求汽輪機調門始終工作在最佳經濟閥位。

機組的汽耗率是確定最佳滑壓曲線的關鍵因素，理論上可以根據機組的實際汽耗率與設計汽耗率的差異，得到滑壓曲線的修正量。因實際汽耗率在線計算困難，可以用影響汽耗率的主要因素，即背壓和抽汽量來修正。

3.1　基于背壓補償的滑壓曲線動態修正方案

在機組實際運行中，隨著夏季、冬季環境溫度的變化循環水溫度發生改變，對凝汽器壓力影響較大，引起機組帶負荷能力的變化，進而影響汽輪機閥門開度。非供熱機組受抽汽變化影響較小，所以可以利用凝汽器壓力對滑壓曲線進行修正。實際應用中，可依據公式（2），用機組背壓對滑壓曲線進行修正：

式中：P為背壓修正后負荷；PG為機組實際負荷；Pb為排汽溫度對應的飽和壓力。

背壓采用絕壓變送器時可直接運用，采用真空變送器時，用排汽溫度折算其對應的飽和壓力，獲得的凝汽器壓力具有足夠的精度，完全可以滿足機組滑壓運行控制過程中計算“凝汽器壓力修正因子”的需要。具體修正滑壓曲線邏輯見圖2。

圖2　背壓修正邏輯示意

3.2　基于主蒸汽流量補償的滑壓曲線動態修正方案

供熱汽輪機的熱效率與調門最佳閥位的對應關系受影響因素更多，不僅需要考慮背壓影響，還需要考慮抽汽量變化的影響。

有研究表明，以主蒸汽流量為變量的汽輪機滑壓曲線優化方法，可以兼顧背壓及抽汽量變化的影響，基于主蒸汽流量補償的滑壓曲線可以通過試驗的方法獲得。其試驗步驟如下：

（1）按蒸汽流量大小順序，選取4個及以上主蒸汽流量， 分別進行步驟（2）—（4）。

（2）在選取的主蒸汽流量下，維持背壓及抽汽量不變，選取4個及以上不同主蒸汽壓力值。

（3）每個壓力點，在主蒸汽流量不變情況下核算熱耗值。

（4）把以上幾個主蒸汽壓力和對應的熱耗率進行曲線擬合（最小二乘法法則），得出該主蒸汽流量下1條主蒸汽壓力與熱耗率關系曲線，根據最佳熱耗率值，從而確定該主蒸汽流量下最佳壓力值，如圖3所示。

圖3　熱耗率與主蒸汽壓力擬合曲線

（5）把試驗得到的最佳主蒸汽壓力數據進行處理，擬合出最佳滑壓曲線，如圖4所示。

圖4　滑壓曲線示意

3.3　基于閥點給定的定閥點滑壓曲線修正方案

定閥點滑壓即以汽輪機調門閥位為目標的滑壓優化。理論上講，根據相關運行參數，對定閥點滑壓試驗確定的基本滑壓曲線進行修正，可以確保汽輪機調閥工作在設定閥位，實際運行中存在不可測干擾因素和修正誤差。此問題可以用閥位給定作為修正因子來解決，設計一個閥點給定的閉環修正回路。即根據設定閥位、實際閥位偏差，閉環修正設計壓力的設定值，有效解決壓力設定曲線偏離實際運行工況補償，具體見圖5。

圖5　定閥點滑壓閥位給定閉環修正原理示意

其原理為：試驗得出最佳的閥位給定值（例如設置為45%），與實際閥位進行比較，當閥門位置小于給定值時，壓力修正減小壓力設定值，壓力降低導致負荷降低，為滿足負荷需要，調門開大，直到達到閥位給定值為止，反之亦然。實現了汽輪機調門定閥點給定的閉環修正，在機組運行中，既能控制負荷，又能修正調門開度。

3.4　基于閥點動態優化的滑壓曲線修正方案

比較在線測量得到的容易影響機組汽耗率的2個明顯因素，即凝汽器的真空值和機組的抽汽量（供熱機組），可以用來修正滑壓曲線。將真空和抽汽量對應壓力的修正量作為前饋來粗調，如圖6所示，最佳閥位為控制目標的閉環回路為細調，這樣結合了關鍵參數修正方案和閥點給定的定閥點滑壓優化方案的優點。采用一個閉環的PID控制回路，以最佳滑壓閥點作為控制目標，實時修正壓力設定值（調整偏置量），實現最佳滑壓曲線動態修正。為防止調節回路反復動作、需要注意以下情況：

（1）要設置閥位控制偏差死區。

（2）壓力控制對閥位控制回路的閉鎖（壓力偏差小時參與調節）。

（3）前饋信號的處理。

（4）設置負荷變化對該回路的閉鎖（負荷穩定時閥位回路參與調節）。

（5）考慮動態限幅，防止積分飽和。

4　幾種修正方案的比較

圖6　定閥點滑壓最佳閥位控制原理

（1）基于背壓補償的滑壓曲線動態修正方案依據關鍵參數優化，可行性較好，可以補償季節的影響，對于抽汽量變化較大的供熱機組不適用，該方案在浙江省某大型機組有實際運用。運用中，要注意背壓測量的準確性及試驗的邊界條件。

（2）基于主蒸汽流量補償的滑壓曲線動態修正方案對試驗準確性的要求較高，對試驗數據處理的要求也較高。該方案兼顧了背壓、抽汽量兩個關鍵參數的影響，適用于各類型火電機組，該方案在北方某發電廠有實際運用，優化中要注意試驗和數據處理的準確性。

（3）基于閥點給定的定閥點滑壓曲線修正方案比較實用，利用較簡單的閉環回路達到了定閥點滑壓的目的。該方案需要試驗確定最佳閥點，運行中可以手動設定閥位，比較靈活，節能效果較好，在浙江省某大型機組有實際運用。運用中，要處理好壓力修正的速度和幅度，防止調門反復調節。

（4）基于閥點動態優化的滑壓曲線修正方案結合了參數修正和定閥點給定修正的思想，節能效果好，在廣東省某大型機組有實際運用。運用中，要處理好關鍵參數粗調與最佳閥位閉環調節的配合，防止調門來回動作。

5　結語

滑壓曲線優化是提高機組經濟性的有效手段，優化中要兼顧AGC性能的影響。滑壓曲線優化的方法有多種，關鍵參數的動態修正方法可以實現不同工況、不同季節的需求。閥點給定的定閥點滑壓曲線優化，是一種以最佳閥位確定滑壓曲線的手段，思路較好。閥點動態優化是一種比較精確的方案，對機組節能有較好的預期。

以上介紹的不同優化方案在國內火電機組均有成功運用，可為火電廠汽輪機滑壓曲線優化提供借鑒。