超臨界火電機組滑壓運行優化與節能性分析

張伶俐，李紅燕，張兆生

(1.江蘇航空職業技術學院 航空工程學院，江蘇 鎮江 212134; 2.江蘇鎮江發電有限公司，江蘇 鎮江 212100)

0 引 言

通常情況下，低負荷工況對汽輪發電機組的熱經濟效益影響比較大。為盡可能減少汽輪機能耗，該種工況下集控運行工程師會將機組的運行方式切換為滑壓運行模式[1]。以某火力發電廠630 MW超臨界火力發電機組為例，通過變負荷滑壓運行試驗，為確定汽輪機組在變負荷時最優運行主汽壓力提供依據，對原設計壓力數值進行修正，使機組匹配最優運行方式，可提升運行經濟性，降低供電煤耗。

1 機組概況

某火力發電廠5號機組鍋爐部分為上海鍋爐廠生產的引進美國ALSTOM公司技術制造的超臨界變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風。汽輪機為上海汽輪機廠生產的N600-24.2/566/566型超臨界、一次中間再熱、單軸、反動式、凝汽式汽輪機。發電機由上海電機廠制造。

單元機組控制采用上海FOXBORO公司IA’S分散控制系統，設計包含DAS、BMS、MCS、SCS系統。汽機控制系統采用上海汽輪機有限公司DEH控制系統。

2 試驗過程

依據該廠機組實際參與電網調峰范圍和正常運行規程，此次選取540 MW、480 MW、420 MW、360 MW 4個負荷節點進行不同主汽壓力下機組運行調整試驗，并根據試驗結果分析機組熱耗率等經濟指標，找出最佳運行值。

試驗開始前，關閉凝汽器補水調整門、旁路電動門。將機組負荷調整至設定試驗值，保持機組功率，主汽、再熱汽壓力和溫度等參數穩定，隨后進行系統隔離操作，使得機組成單元制運行[2]。同時，系統隔離前要保證汽水系統儲水補足，并關閉機組所有非正常疏放水門、排汽門，切除廠用汽及對外供汽管路。汽輪機高壓缸調門采用順序閥模式，系統內主、輔設備按照常規方式運行[3]。

試驗期間，協調CCS控制系統投入，機組采用順序閥方式運行。為保證負荷工況穩定，AGC控制、一次調頻功能切除，爐膛停止吹灰，汽輪機停止補水。待機組負荷和參數穩定后，維持該工況并進行數據采集。

試驗結束后，恢復所有設備為試驗前狀態。

3 數據處理及分析

試驗采集到的數據，經過正確性檢查后，按照不同工況下的時間段算出各測量段的平均值。為保證試驗采集數據的準確性，對于同一參數多重測點開展數據測量，取其算數平均值。對于牽涉到的壓力測量值，均根據所測數據進行儀表零位、取樣點高差和大氣壓力修正，并計算得出測量點的絕對壓力。

汽輪機熱耗率計算式如下[4]：

(1)

式中：Dm為主蒸汽流量，kg/h；Dr為再熱蒸汽流量kg/h；Dfw為給水流量，kg/h；Dcr為冷再熱蒸汽流量，kg/h；Drhs為再熱汽減溫水流量，kg/h；hm為主蒸汽焓,kJ/kg；hhr為熱再熱蒸汽焓,kJ/kg；hcr為冷再熱蒸汽焓,kJ/kg；hfw為給水焓,kJ/kg；hrhs為再熱器減溫水焓,kJ/kg；Pe為發電機功率,MW。

3.1 540 MW工況試驗結果分析

在540 MW工況下，試驗測得數據結果見表1。依據表1，可以給出540 MW工況熱耗與主汽壓力關系曲線圖，見圖1。

表1 540 MW工況下試驗數據

圖1 540 MW工況熱耗率與主汽壓力關系曲線

由上述數據得知，在540 MW工況下，主汽壓力在23.08 MPa時對應的熱耗最低。

3.2 480 MW工況試驗結果分析

在480 MW工況下，試驗測得數據結果見表2。依據表2，同樣給出480 MW工況熱耗與主汽壓力關系曲線圖，見圖2。

圖2 480 MW工況熱耗率與主汽壓力關系曲線

表2 480 MW工況下試驗數據

由上述數據得知，在480 MW工況下，主汽壓力在21.06 MPa時對應的熱耗率最低。

3.3 420 MW工況試驗結果分析

在420 MW工況下，試驗測得數據結果見表3。依據表3，可以給出420 MW工況熱耗與主汽壓力關系曲線圖，見圖3。

表3 420 MW工況下試驗數據

特別說明，由于在試驗過程中，難以測取所有主汽壓力值，因此，在參照汽輪機通流改造后設計值與遵循選點原則的前提下，依據圖3曲線，認為在420 MW工況下，主汽壓力在18.07 MPa時對應的熱耗最低。即便這不是真實最優值，但是對于實際生產來講，這種選值優化已經具有了可觀的經濟效益。

圖3 420 MW工況熱耗率與主汽壓力關系曲線

3.4 360 MW工況試驗結果分析

在360 MW工況下，試驗測得數據結果見表4。依據表4，可以給出360 MW工況熱耗率與主汽壓力關系曲線圖，見圖4。

圖4 360 MW工況熱耗率與主汽壓力關系曲線

表4 360 MW工況下試驗數據

參照420 MW工況下選點原則，結合試驗測定述數據得知，在360 MW工況下，主汽壓力在15.69 MPa 時對應的熱耗率最低。

3.5 滑壓運行公式擬合

取上述試驗結果最優值，得到不同負荷工況下最佳主汽壓力值，見表5。

表5 各負荷工況下最優參數值

依據表5，得到4種工況下最經濟主汽壓力擬合曲線，如圖5所示。不同工況下負荷最經濟主汽壓力對應熱耗率如圖6所示。

圖5 不同工況下最經濟主汽壓力擬合曲線

圖6 不同負荷最經濟主汽壓力對應熱耗率

依據上述數據，同時結合汽輪機通流改造后原設計值方案，給出不同負荷下機組定—滑壓運行最經濟主汽壓力分段函數。

(2)

式中：pms為主汽壓力，MPa；Pe為發電機功率，MW。

采用分段函數，計算出滑壓運行方式下負荷與主汽壓力插值對應表，見表6。

表6 滑壓運行方式下負荷與主汽壓力值對應表

結合DCS原設計值、汽輪機通流改造后設計值、此次優化設計值，以上三種滑壓運行值對比見表7。

表7 三次改造后滑壓運行值對比

3.6 節能量評估

540 MW工況下，DCS原設計主汽壓力滑壓值為24.2 MPa，對應修正后熱耗率為7 917 kJ/(kW·h)(根據該試驗數據插值得出，下同)。更改為23.23 MPa，對應修正后熱耗率為7 886 kJ/(kW·h)。熱耗率降低31 kJ/(kW·h)。廠用電率為4.02%，管道效率取99%，鍋爐效率取94.52%(根據該火電廠提供報告數據插值得出，下同)。據以上數據，得到540 MW工況滑壓優化后，降低煤耗1.18 g/(kW·h)[5]。

480 MW工況下，DCS原設計主汽壓力滑壓值為23.94 MPa，對應修正后熱耗率為7 967 kJ/(kW·h)。更改為20.72 MPa，對應修正后熱耗率為7 956 kJ/(kW·h)。熱耗率降低11 kJ/(kW·h)。廠用電率為4.2%，管道效率取99%，鍋爐效率取94.55%。據以上數據，得到480 MW工況滑壓優化后，降低煤耗0.42 g/(kW·h)。

420 MW工況下，DCS原設計主汽壓力滑壓值為21.05 MPa，對應修正后熱耗率為8 003 kJ/(kW·h)。更改為18.2 MPa，對應修正后熱耗率為7 982 kJ/(kW·h)。熱耗率降低21 kJ/(kW·h)。廠用電率為4.58%，管道效率取99%，鍋爐效率取94.5%。據以上數據，得到420 MW工況滑壓優化后，降低煤耗0.8 g/(kW·h)。

360 MW工況下，DCS原設計主汽壓力滑壓值為18.16 MPa，對應修正后熱耗率為8 062 kJ/(kW·h)。更改為15.69 MPa，對應修正后熱耗率為8 046 kJ/(kW·h)。熱耗率降低16 kJ/(kW·h)。廠用電率為4.87%，管道效率取99%，鍋爐效率取94.42%。據以上數據，得到360 MW工況滑壓優化后，降低煤耗0.61 g/(kW·h)。

4 結 語

以630 MW超臨界火電機組為例，通過540、480、420、360 MW負荷工況下不同主汽壓力下熱耗對比，尋找最經濟主汽壓力，同時依據試驗結果，修正負荷與主汽壓力滑壓值對應數值，更好地指導了機組的運行，即機組功率Pe≥563.13 MW時采用原定壓運行，機前主汽壓力維持在24.2 MPa；機組功率處于300～563.13 MW區間時采用滑壓運行方式，依據修正后滑壓曲線控制機前壓力。對于機組負荷低于300 MW的工況比較少見，該種狀況下應當將機組設備安全放置于首要位置，防止低壓級蒸汽濕度過大引起汽輪機葉片水蝕，依據運行規程保持機組水動力特性，機前主汽壓力保持在10.2 MPa定壓運行。

通過此次滑壓運行優化后，機組平均供電煤耗降低0.75 g/(kW·h)，為同類型超臨界機組滑壓優化運行提供參考案例。