汽輪機運行調節方式優化策略探析

高清林，高嘉锜，黃慶專，陳敦炳

(1.福建電力職業技術學院，福建泉州362000；2.國網福建省電力有限公司泉州供電公司，福建泉州362000；3.福建華電邵武發電有限公司，福建邵武354000)

0 引言

化石能源的大規模開發利用,在推動人類文明進步的同時,也帶來了資源匱乏、環境污染、氣候惡化等問題[1]。要保障能源安全,實現人類的可持續發展,就必須積極推動能源結構向低碳綠色轉型。因此,近年來我國在加大煤電退出力度的同時,也加快了風電和光電等可再生清潔能源的發展。然而,風電和光電等新能源都具有較強的隨機性、間歇性和波動性,其大規模的集中并網,加大了電網的峰谷差,導致棄風棄光現象日益嚴重。

要破解具有強隨機波動性的新能源電量規模化并網的困境,就得極力提升電網的調峰能力,為新能源消納提供足夠的容量空間,因此,電源結構中裝機容量占60%左右的燃煤火電機組開展快速深度調峰已然勢在必行。但是,煤電機組調峰運行時工況的頻繁變化帶來一定問題,一方面因運行工況經常偏離設計工況而導致汽輪機熱效率降低；另一方面因溫度場頻繁變化引發的熱應力、熱膨脹和熱變形影響汽輪機設備安全穩定運行。因此,優化汽輪機運行調節方式,確保煤電機組安全、經濟、靈活、快速地參與深度調峰,破解新能源電量規模化消納困境。

1 汽輪機調節的基本方式

汽輪發電機組的功率方程式為[2]:

式中,Pel為汽輪發電機組的電功率,kW；G為汽輪機的進汽量,kg/s；ΔHt為汽輪機的理想焓降,kJ/kg；ηri為汽輪機的相對內效率,%；ηm為汽輪機的機械效率,%；ηg為發電機效率,%。

由式 (1)可知,通過改變汽輪機的進汽量G或改變汽輪機的理想焓降ΔHt,可以達到調節機組功率的目的。

目前,汽輪發電機組常用的功率調節的基本方式,從結構上可分為噴嘴調節、節流調節和旁通調節,從運行方式上又可分為滑壓調節和定壓調節。

1)噴嘴調節。汽輪機第一級的噴嘴依調節閥個數分組布置在各自的噴嘴室里,每一噴嘴組各由一個調節閥控制。依次啟閉各調節閥,改變第一級噴嘴的通流面積,進而改變汽輪機的進汽量[3],達到調節機組功率的目的,如圖1所示。

圖1 汽輪機噴嘴調節示意圖

2)節流調節。所有進入汽輪機的蒸汽經過一個或幾個同時啟閉的調節閥后,在通流部分逐級膨脹做功[4],如圖2所示。節流調節通過改變調節閥開度,改變汽輪機的進汽壓力,進而改變汽輪機的進汽量和理想焓降,以達到調節機組功率的目的。

圖2 汽輪機節流調節示意圖

3)旁通調節。在自動主汽閥后、調節閥前引出一旁通管,接到高壓某一級動葉后的旁通汽室X,在旁通管上設置旁通閥,如圖3所示。在經濟負荷以下,旁通閥全關,蒸汽經調節閥進入汽輪機通流部分逐級膨脹做功；當超出經濟負荷時,保持調節閥全開,打開旁通閥,旁通蒸汽經旁通閥節流降壓、降溫后,進入旁通汽室X與通過調節閥并流經旁通級組膨脹做功后的主流蒸汽混合后繼續往后逐級膨脹做功。

圖3 汽輪機旁通調節示意圖

4)滑壓調節。保持汽輪機的調節閥全開或基本全開,根據負荷大小調節鍋爐的燃料量、給水量和空氣量[5],進而改變汽輪機的進汽壓力和流量(新汽溫度盡可能保持不變),達到調節機組功率的目的。

5)定壓調節。保持自動主汽閥前的主蒸汽壓力和溫度等蒸汽初參數不變,通過改變調節閥的開度來改變汽輪機的進汽量,達到調節機組功率的目的。

2 汽輪機調節的特點

2.1 噴嘴調節的特點

1)汽輪機第一級為調節級,其噴嘴分組布置在各自的噴嘴室里,因相鄰兩噴嘴室之間存在著間壁 (如圖1(b)所示),調節級在任何工況下都是部分進汽,既存在著部分進汽損失,又使高壓缸進汽部分在圓周方向受熱不均,導致高壓缸產生較大的熱應力和熱變形[6]。

2)因為調節級與第一壓力級之間部分進汽度不同、軸向間隙較大和流道過渡不平滑等因素,所以調節級的余速動能難以被第一壓力級所利用,存在較大的余速損失。

3)調節級因部分進汽而使汽流參數沿圓周方向分布不均,該級動葉片除受離心力和穩定汽流力的作用外,還受到周期性的汽流激振力的作用,該汽流激振力是引起汽輪機強烈振動和軸瓦溫度偏高的重要因素[7]。

4)工況的變化會引起調節級焓降較大的變化,導致調節級后 (即調節汽室)溫度較大的變化,增加因溫度變化引起的熱應力和熱變形,降低機組運行的可靠性和對負荷變化的適應性[8]。

5)調節級最危險的工況并非是在汽輪機最大負荷時,而是在第一調節閥全開而第二調節閥尚未開啟時。因為此時調節級的焓降、級前后壓差和(流過第一組噴嘴組的)蒸汽流量均達最大值,而級的部分進汽度卻最小,調節級葉片處于最大的應力狀態,加之部分進汽時的沖擊載荷等因素[9],所以調節級處于最危險的工況。

6)任何工況下只可能有一個調節閥因部分開啟存在節流損失,因此,低負荷下的節流損失比節流調節的小[10],效率高。

7)雖然其進汽機構的節流損失較小,但因調節級存在著部分進汽損失和較大的余速損失,調節級效率較低,所以高壓缸的相對內效率較低。

2.2 節流調節的特點

1)汽輪機沒有調節級,任何工況下其第一級都是全周進汽,既消除了部分進汽損失,又使高壓缸進汽部分在圓周方向上受熱均勻[11],有利于高壓缸減小熱應力和熱變形。

3)汽輪機的相對內效率為:

式中,η′ri為汽輪機通流部分的相對內效率,%；ηth為汽輪機進汽機構的節流效率,%。

在部分負荷下,所有進入汽輪機的蒸汽都受到調節閥同樣的節流作用,其節流效率ηth較低；但因汽輪機沒有調節級,其第一級不存在部分進汽損失和余速損失,其通流部分的相對內效率η′ri較高。因此,只要調節閥開度不太小,其部分負荷下的相對內效率都能保持較高的水平。

4)調節閥全開的運行方式雖然減小了進汽的節流損失,但是此時調節閥只能在電網高頻時單方向減負荷參與一次調頻,無法滿足電網低頻下一次調頻加負荷的功能。因此,多數機組不得不采取在穩定工況下調節閥預留5%～15%開度裕量的調節閥節流運行方式,以犧牲部分經濟性來保證一定的調頻能力[12]。

2.3 旁通調節的特點

1)通過旁通閥的啟閉可快速響應電網負荷變化的需要,彌補了鍋爐動態特性較差的缺陷[9],提高了機組一次調頻的能力。

2)在經濟負荷之前,調節閥全開進行全程滑壓調節,無須預留調節閥節流開度就具備良好的調頻功能[9],避免了相應的節流損失,也消除了部分進汽損失,因而具有較高的經濟性。

3)在超過經濟負荷之后,旁通閥開啟,此時,一方面因部分蒸汽流經旁通閥產生了節流損失[9],相當于損失了這部分旁通蒸汽在旁通級組的做功量；另一方面因旁通汽室壓力隨旁通閥的開大而升高,旁通級組各級理想焓降減小,速比增大,效率下降。因此,采用旁通調節的汽輪機不宜在過載階段長期運行,以免降低其運行經濟性[9]。

4)在經濟負荷之后的過載階段,由于旁通蒸汽流量跨越了全機壓力和溫度都最高的旁通級組,因而這些強度要求均較高的級的運行工況相對穩定[9]。同時,由于旁通汽室壓力的提高減小了旁通級組前后的壓差,這些級運行的安全可靠性得到改善,這對于超超臨界的汽輪機更顯優越性。

說到這里，又想起張居正。他以權謀私，為兒子科場舞弊，硬是幫兒子撈個狀元。結果他一死，立即被清算，幾個兒子都被剝奪功名，充軍流放。這樣一比，沒當上狀元的趙楷一點也不冤，他們父子較之張居正父子的情商、智商都要高得多啊！

5)旁通調節作為機組功率調節的一種輔助手段,不能獨立使用,只能聯合使用。

2.4 滑壓調節的特點

1)滑壓調節時新汽溫度基本不變,汽輪機在啟停及變負荷時高壓缸各金屬溫度變化很小,減小了熱應力和熱變形,也減小了動靜部件之間差脹的變化,提高了機組運行的可靠性和對負荷變化的適應性[13],改善了機組的調峰性能。

2)提高了機組在部分負荷下運行的經濟性,究其原因:

①一方面,滑壓調節時,所有調節閥全開,避免了部分負荷下的節流損失；另一方面,由于負荷變動時,蒸汽的質量流量隨壓力的變化基本上是成比例的,而蒸汽溫度又基本保持不變,故蒸汽的容積流量基本不變[14]。因此,各級速比、焓降、效率也基本不變,部分負荷下高壓缸的相對內效率保持在較高的水平。

②滑壓調節時,隨著機組負荷的降低,蒸汽壓力的降低引起了蒸汽比熱的下降,高壓缸排汽溫度有所提高,熱蒸汽溫度也隨之升高,從而改善了部分負荷下汽輪機的循環熱效率[14]。

③滑壓調節時,隨著機組負荷的降低,蒸汽壓力隨之降低,所需的鍋爐給水壓力相應下降,若給水泵采用變速調節,將使低負荷下給水泵的耗功大大減少[14]。

3)在高負荷區采用滑壓調節時,隨著機組負荷的降低,蒸汽初壓的降低將導致汽輪機循環熱效率較大幅度地下降,因此較高負荷區采用滑壓調節是不經濟的[14]。只有當負荷降低到一定水平,繼續采用定壓調節將會造成較大的節流損失,此時采用滑壓調節,因新蒸汽壓力的下降而導致循環熱效率的降低開始小于高壓缸相對內效率的提高、給水泵耗功的減小和再熱蒸汽溫度升高帶來循環熱效率提高的三者之和時,采用滑壓調節才能提高機組的經濟性[4]。

4)因為汽輪機的滑壓調節主要是依靠調整鍋爐燃燒來實現的,但由于鍋爐熱慣性大,反應遲緩,純粹的滑壓調節不但不能適應負荷的快速變化,而且對較小的負荷變化也不敏感,即使是直流鍋爐的熱慣性已較汽包爐小,仍難以滿足電網調頻的需求。

2.5 定壓調節的特點

1)在部分負荷下,因閥門關小使進汽機構的節流損失增大 (節流配汽),或因調節級的部分進汽度減小使部分進汽損失增大 (噴嘴配汽)；同時,為了維持鍋爐必須保持的額定給水壓力,給水泵的耗功無法隨機組負荷的降低而降低,這都將導致部分負荷下機組的經濟性較差。

2)工況變化時,調節汽室溫度和高壓缸排汽溫度會發生較大的變化,將在汽輪機相應的金屬部件中產生較大的熱應力和熱變形。這不僅會影響機組的安全穩定運行,也限制了機組的變負荷速率和機組的啟停速度,削弱了機組的調頻能力。

3 汽輪機調節方式的優化組合

綜上所述,汽輪機的幾種基本調節方式雖各具優勢,卻也存在著自身所無法彌補的不足,唯有通過優化組合,采用復合調節方式,揚長避短,才能滿足煤電機組安全經濟運行和靈活、快速地參與電網深度調峰的要求。

3.1 優化的復合調節方式

綜合考慮煤電機組參與電網深度調峰在安全、經濟、靈活、快速等方面的要求,建議亞臨界及以上的高參數大容量汽輪機原則上采用 “(節流)定壓—滑壓— (噴嘴)定壓—旁通”的復合調節方式 (以下簡稱復合調節)。根據機組容量和參數的不同,一般在35%THA以下進行較低壓力水平的(節流)定壓調節,在35%THA～85%THA區間進行滑壓調節,在85%THA～100%THA區間進行額定壓力下的 (噴嘴)定壓調節,超過THA后進行旁通調節。

汽輪機復合調節如圖4所示。該汽輪機設有一個自動主汽閥、四個調節閥和一個旁通閥,第一級(調節級)的噴嘴分為四個噴嘴組分別安裝在四個噴嘴室里,并分別受控于四個調節閥。機組負荷低于35%THA時,隨著機組的啟動→升速→升負荷過程的推進,維持蒸汽一定的初壓恒定,保持Ⅳ調節閥全關,逐漸同時開啟Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ調節閥,進行較低壓力水平的 (節流)定壓調節。機組負荷至35%THA時,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ調節閥同時達到全開,而Ⅳ調節閥仍保持全關。機組負荷從35%THA逐漸向85%THA增加的過程中,進行滑壓運行,保持Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ調節閥全開而Ⅳ調節閥全關,主汽壓力逐漸滑升至額定壓力。隨著機組負荷逐漸從85%THA繼續向100%THA增加,主汽壓力維持額定壓力不變,Ⅳ調節閥逐漸開啟；至四個調節閥都全開時,機組負荷達到100%THA,此時通過調節級的蒸汽流量達到了最大值。當機組負荷自THA繼續增加時,旁通閥開啟,一部分新蒸汽經旁通閥節流降溫降壓后被引入旁通汽室X,與通過調節閥并流經旁通級組膨脹做功后的主流蒸汽混合后繼續往后逐級膨脹做功,滿足機組超負荷運行的要求。當旁通閥全開時,汽輪機達到VWO工況,機組負荷達到最大值。

圖4 汽輪機復合調節示意圖

3.2 復合調節方式分析

1)在35%THA以下的極低負荷區間,維持一定的蒸汽初壓恒定,保持Ⅳ調節閥全關,同時啟閉Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ調節閥,進行節流定壓運行。第一,維持一定的蒸汽初壓恒定,確保了鍋爐的水循環工況和燃燒工況的穩定。第二,維持一定的初壓進行定壓運行,避免了在極低負荷下繼續滑壓運行可能導致的給水泵軸系落入臨界共振的情況。第三,維持一定的初壓定壓運行,機組保持了較高的循環熱效率。第四,采用節流調節,避免了極低負荷下采用噴嘴調節造成的調節級的部分進汽損失過大。第五,因極低負荷下主蒸汽壓力也隨負荷滑降到較低的水平,調節閥開度相對較大,采用節流調節所造成的節流損失并不大。第六,機組啟動過程中采用三閥同時開啟的模式,有利于機組啟動的安全。

2)在35THA%～85%THA的低負荷區間,保持Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ調節閥全開而Ⅳ調節閥全關,進行部分調節閥全開的滑壓運行。在此滑壓運行區間,既可借助靜態關閉的Ⅳ調節閥的暫態快開,使機組具有快速向上的調頻能力；亦可應用靜態全開的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ調節閥的暫態關小,使機組具有快速向下的調頻能力[9]。如此,既充分發揮了滑壓運行的安全可靠性和在低負荷下的較高經濟性的優勢,又彌補了滑壓運行期間因鍋爐熱慣性而使機組不能適應負荷快速變化的不足,還避免了采用節流滑壓調節在穩定工況下由于調節閥必須保留一定的節流開度裕量而造成的節流損失,使機組在保持較高運行經濟性的同時具有較強的一次調頻能力。

3)在85%THA～100%THA的高負荷區間進行額定壓力下的噴嘴定壓調節,通過啟閉Ⅳ調節閥改變調節級的通流面積來調整機組負荷,避免了在高負荷區間采用滑壓調節時因蒸汽初壓下降導致機組循環熱效率降低,使機組保持了較高的效率。

4)以旁通調節作為汽輪機的輔助調節手段,在THA負荷以內的正常變工況下,旁通閥保持關閉狀態,在不同負荷區段進行 (節流)定壓—滑壓— (噴嘴)定壓的復合滑壓調節。在THA之后,可根據需要開啟旁通閥,實現機組超負荷運行,或在電網低頻下實現機組一次調頻加負荷的功能。例如,機組在滿負荷工況下遭遇電網頻率大、頻差下降時,為滿足機組快速增加功率的需要,可暫態快開旁通閥,利用鍋爐蓄熱暫態快速增加蒸汽流量與功率[9]；待鍋爐燃燒增強,蒸發量增加,主汽壓力回升到相應的額定壓力水平后,旁通閥重又回復到全關位置。

因此,復合滑壓調節與旁通調節的合理組合,不僅使機組具有一定的過載能力,而且可使機組在帶滿負荷時仍具有較強的快速向上的調頻能力,有利于改善機組的負荷響應特性[9]。同時,兩者合理組合還可使汽輪機在滑壓運行階段除Ⅳ調節閥全關之外,其余各調節閥均保持全開,使進汽節流損失降至最小。機組運行具有較好的經濟性、較高的安全可靠性和良好的調頻能力。

4 結語

破解風電和光電等具有強隨機波動性的新能源電量大規模消納的困境,有賴于燃煤火電機組靈活、快速地參與電網的深度調峰。而汽輪機調節方式的優化,是對煤電機組進行靈活性改造的主要研究方向。汽輪機的噴嘴調節、節流調節、旁通調節、定壓調節和滑壓調節等幾種基本調節運行方式雖各具優勢,卻也都存在著自身所難以克服的不足,唯有合理地優化組合多種調節方式,充分揚長避短,才能使煤電機組在安全、穩定、經濟運行的前提下,靈活、快速地參與電網深度調峰——在電網低谷時段,充分挖掘煤電機組的深度調峰能力,在保證新能源電量消納的同時,盡量減少煤電機組啟停調峰次數；在電網高峰時段,盡量使運行煤電機組帶滿負荷甚至適量的超負荷運行,充分發揮煤電機組的頂峰能力,保障電網供電的可靠。