火力發電廠滑壓優化技術研究

朱 宇， 李千軍， 李德波， 馮永新， 廖宏楷， 胡 勇

(南方電網電力科技股份有限公司，廣州 510080)

隨著電網峰谷差的日益增大，越來越多的火電機組不得不參與調峰運行，機組的深度調峰也成為常態[1-3]。為了提高機組在變工況下運行的經濟性，電廠一般采用滑壓方式運行[4-5]。

目前，國內常用的滑壓曲線測試方法主要有以負荷為基準、以閥位為基準及聯合使用負荷和閥位為基準的滑壓優化測試方法。單純以負荷為基準而不考慮閥位的極端情況有可能會因為選取的壓力間隔較大導致試驗不能尋優得到使熱耗率最小的最佳壓力[6-7]。單純以閥位為基準，則忽略了熱耗率最小有可能出現在主蒸汽壓力適中的復合滑壓運行方式中，導致試驗也可能無法尋優得到最佳結果[8-9]。聯合使用負荷和閥位為基準的滑壓優化測試方法，既包含了壓力適中的復合滑壓運行方式，又考慮了閥位的極端情況，因此能夠通過試驗綜合對比各負荷段熱耗率最小對應的主蒸汽壓力，準確找到機組最佳的滑壓運行方式[10-11]。

筆者通過聯合使用負荷和閥位為基準的滑壓優化測試方法，確定了機組最佳的滑壓運行方式。同時，考慮到凝汽器真空、回熱系統運行狀況和鍋爐燃燒變化等均會對滑壓曲線造成影響，提出通過采用基于調節級壓力的最佳滑壓運行方式可以使機組始終保持在最佳滑壓運行曲線上運行，有利于實現機組變工況下長期安全、經濟運行的目的。

1 汽輪機設備概況

某電廠機組1號汽輪機為CCLN600-25/600/600型超超臨界單軸、雙缸、雙排汽、一次中間再熱、凝汽式汽輪機。汽輪機總通流級數為28級，高壓缸通流級數為11級，包含1個單列調節級和10個壓力級，中壓缸通流級數為7級，低壓缸通流級數為2×5級。回熱系統由3臺高壓加熱器、1臺除氧器和4臺低壓加熱器組成。汽輪機主要設計參數見表1。

表1 汽輪機主要設計規范

該機組有4個高壓調節閥，分別為GV1、GV2、GV3和GV4，目前在30%～100%額定負荷下采用廠家提供的滑壓運行方式對主蒸汽壓力進行調節。由于機組長期參與調峰運行，偏離設計工況，導致現有的滑壓運行方式已經無法匹配機組實際的變工況運行特性，對機組的經濟運行造成不利影響。為了有效提高汽輪機在變工況下的運行經濟性，對機組開展滑壓運行方式優化測試試驗，準確找到匹配機組變工況運行特性的最佳滑壓運行方式，有利于降低機組能耗水平，實現機組變工況下的安全、經濟運行。

2 最佳滑壓曲線測試方法

2.1 擬測試工況與工況定義

為了得到機組在50%～100%額定負荷內的最佳滑壓運行方式。選定600 MW、三閥位定壓下功率、550 MW、500 MW、465 MW、兩閥位定壓下功率、400 MW、350 MW和300 MW 9個負荷點，整個滑壓優化運行試驗采用ASME PTC6—2004 《汽輪機性能試驗規程》簡化試驗方法[12]共進行23個工況的試驗(見表2)。

表2 擬測試試驗工況

在表2中根據調節閥的開啟情況和主蒸汽壓力對定、滑壓運行的測試工況定義如下：

(1) 定壓工況：汽輪機側主蒸汽壓力維持額定壓力25 MPa，不考慮調速汽門的狀態。

(2) 復合滑壓1工況：調節閥未全開、主蒸汽壓力非額定壓力，即僅確定負荷與主蒸汽壓力，調節閥開度由當前集散控制系統(DCS)設定的滑壓曲線而定。

(3) 復合滑壓2工況：調節閥未全開、主蒸汽壓力非額定壓力，即僅確定負荷，主蒸汽壓力比復合滑壓1工況對應主蒸汽壓力低0.1 MPa左右，調節閥開度由當前DCS設定的滑壓曲線而定。

(4) 三閥位滑壓工況：GV1和GV2全開，GV3閥位控制在GV4即將開啟時的開度。

(5) 兩閥位滑壓工況：GV4全關，GV1和GV2閥位控制在GV3即將開啟時的開度。

(6) 三閥位定壓工況：負荷為三閥位滑壓工況與定壓工況的負荷重合點，汽輪機側主蒸汽壓力維持額定壓力25 MPa，GV1和GV2全開，GV3閥位控制在GV4即將開啟時的開度。

(7) 兩閥位定壓工況：負荷為兩閥位滑壓工況與定壓工況的負荷重合點，汽輪機側主蒸汽壓力維持額定壓力25 MPa，GV4全關， GV1和 GV2閥位控制在GV3即將開啟時的開度。

2.2 測試方法

采用ASME PTC6—2004的簡化試驗方法，機組按原則性熱力系統的方式運行，輔機按設計要求投運。試驗前對機組進行隔離，確定試驗負荷之后，由運行工程師調整機組運行方式。試驗時退出機爐協調系統(CCS)，鍋爐手動給煤，且保持給煤速率不變，并根據試驗工況要求給出指令控制GV1、GV2和GV3的開度和汽輪機側主蒸汽壓力，完成定壓、兩閥位滑壓、三閥位滑壓和復合滑壓的試驗工況。

2.3 試驗結果修正

為便于各負荷工況下不同運行方式的比較，根據制造廠提供的修正曲線對試驗熱耗率和電功率進行修正：定壓運行工況進行主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度、再熱器減溫水流量、低壓缸排汽壓力5項修正，滑壓運行工況進行除主蒸汽壓力外的4項修正。

2.4 最佳滑壓曲線的確定

在各負荷工況下對比不同運行方式的機組熱耗率，選取機組熱耗率最小的運行方式對應的主蒸汽壓力即為機組在該負荷下的最經濟主蒸汽壓力，各工況的最經濟主蒸汽壓力隨負荷變化的曲線即為機組基于負荷的最佳滑壓運行曲線。將各工況對應的調節級壓力作為自變量，將最佳主蒸汽壓力作為因變量，其隨調節級壓力變化的曲線即為機組基于調節級壓力的最優滑壓運行曲線。

3 最佳滑壓運行曲線測試結果分析與討論

3.1 各負荷點運行方式經濟性比較

該電廠1號機組當前DCS設定的滑壓運行曲線見圖1，在515 MW以上采用定壓運行方式，在180～515 MW采用復合滑壓運行方式，在180 MW以下采用定壓運行方式。

圖1 DCS設計滑壓運行曲線

2018年聯合使用負荷和閥位為基準的滑壓優化測試方法對1號機組開展了最佳滑壓運行曲線的測試工作，結果見表3。

表3 各運行工況熱耗率(修正后)對比

由表3可知：與現有DCS設定的滑壓運行曲線相比，采用新的最佳滑壓運行曲線在變工況運行的時，熱耗率將降低0.2%～0.6%。

3.2 熱耗率和負荷的關系曲線

根據各運行工況修正后的熱耗率按定壓、兩閥位滑壓、三閥位滑壓、復合滑壓繪制成曲線便可得到各種運行方式經濟運行的拐點。修正后熱耗率和負荷的關系曲線見圖2。

由圖2可以看出，在300～600 MW日常調峰負荷段，對于不同運行方式，對提高汽輪發電機組的經濟性而言應遵循以下2點：

圖2 各種運行方式下熱耗率和負荷關系曲線

(1) 450～600 MW負荷按三閥位滑壓運行時機組的熱耗率最低(主蒸汽壓力≤25 MPa)。

(2) 450 MW以下負荷按兩閥位滑壓方式運行時機組的熱耗率最低。

3.3 主蒸汽壓力和調節級壓力與負荷的關系曲線

各種運行方式下的主蒸汽壓力隨負荷的變化關系見圖3。在相同負荷工況下，定壓和兩閥位滑壓運行方式的主蒸汽壓力最高，復合滑壓運行方式的主蒸汽壓力次之，三閥位滑壓運行方式的主蒸汽壓力最低。

圖3 各種運行方式下主蒸汽壓力和負荷關系曲線

各種運行方式下的調節級壓力隨負荷的變化關系見圖4。

圖4 各種運行方式下調節級壓力和負荷關系曲線

3.4 基于負荷的最佳滑壓運行曲線

根據圖2中最經濟的運行方式，結合圖3得到基于負荷的最佳滑壓運行曲線(見圖5)。從圖5可以看出：主蒸汽壓力在438～450 MW負荷段存在較大變化，高壓調節閥閥位也會在三閥全開與兩閥全開間切換，這樣會造成主蒸汽流量產生較大波動。因此，在438～450 MW負荷段應該優先考慮機組運行的安全性，即主蒸汽壓力和主蒸汽流量的運行平穩性，而不應該優先考慮運行的經濟性。在438～450 MW升負荷過程中，應該先緩慢控制GV3的開啟速率，直至三閥全開，然后根據火電廠自動發電控制(AGC)系統的負荷指令將主蒸汽壓力調整至最優。在450～438 MW降負荷過程中，應該先緩慢關小GV1、GV2和GV3，直至將閥位調整為兩閥全開工況，然后根據AGC系統負荷指令將主蒸汽壓力調整至最優。

圖5 基于負荷的最佳滑壓運行曲線

3.5 基于調節級壓力的最佳滑壓運行曲線

圖5中的滑壓運行曲線是在試驗狀態下將熱力系統隔離及參數修正后得到的。圖5中對應某負荷的主蒸汽壓力會因凝汽器的真空情況、熱力系統設備運行狀況(包括泄漏狀況)、鍋爐吹灰情況、鍋爐燃燒情況(再熱器減溫水量、汽溫偏差)、向外供輔助蒸汽情況等因素產生明顯偏差。當偏差較大時，可采取對最佳滑壓運行曲線進行修正的方法，得到新的滑壓運行曲線。但由于這些偏差很難定量計算，因此通過修正的方法計算得到的最優主蒸汽壓力會存在較大的誤差[13-15]。

汽輪機系統和運行參數的變化都將導致調節級壓力的變化，以調節級壓力作為自變量，得到基于調節級壓力的最優滑壓運行曲線(見圖6)，可以保證機組始終運行在最經濟的狀態。

圖6 基于調節級壓力的最佳滑壓運行曲線

由圖6可以看出：當調節級壓力為13.01～17.36 MPa時，采用三閥位滑壓運行方式；當調節級壓力小于13.01 MPa時，采用兩閥位滑壓運行方式。

考慮到電網調度以負荷指令為準，電廠實際控制過程中可以先根據AGC系統負荷指令，采用基于負荷的最佳滑壓運行曲線初步調整主蒸汽壓力和高壓調節閥閥位，然后再根據基于調節級壓力的最佳滑壓運行曲線進一步優化主蒸汽壓力，從而保證機組始終運行于最經濟的狀態。

4 結語

針對該電廠低負荷能耗偏高的問題，通過聯合使用負荷和閥位為基準的滑壓優化測試方法，確定了機組最佳的滑壓運行方式。主要結論如下：

(1) 考慮到基于負荷的最佳滑壓運行曲線會受到熱力參數偏差和熱力系統變化的影響，采用了基于調節級壓力的最佳滑壓運行曲線，可以使機組長期穩定地運行于最佳滑壓運行曲線。

(2) 采用新的最佳滑壓運行曲線與現有運行方式相比，在變工況運行時可以降低機組熱耗率0.2%～0.6%，有利于推動該廠節能降耗工作的開展。