蔣尋寒

（大唐華東電力試驗研究所，合肥 230088）

基于自身的資源稟賦和電網(wǎng)的調(diào)峰需求，在中國，燃煤火電的地位30年內(nèi)難以改變。發(fā)展高參數(shù)大機組，是國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的關(guān)鍵組成部分。中國已經(jīng)是世界上超超臨界機組最多的國家，機組數(shù)量大大超過其它國家的總和，建設(shè)規(guī)模和速度前所未有。由于發(fā)展700℃發(fā)電技術(shù)尚需時日，因此，完善現(xiàn)有的超超臨界發(fā)電技術(shù)，大力降低機組能耗，是今后較長時期內(nèi)的重要課題。本文從電廠應(yīng)用的角度出發(fā)，系統(tǒng)地探討了汽輪機初、終參數(shù)選擇的現(xiàn)狀，以及冷端設(shè)計和設(shè)備配置的一些要點，提出了一些目前存在的重要問題及對策，指出相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計所存在的節(jié)能潛力。

1 初參數(shù)的提高

1.1 主汽壓力

傳統(tǒng)上認(rèn)為，設(shè)置主汽壓力，本質(zhì)是個技術(shù)經(jīng)濟比較問題：增加主汽壓力，機組煤耗降低，而鍋爐、給水泵和給水、主汽管道投資則增加。

西門子和阿爾斯通的筒形高壓缸，對于26～30MPa范圍內(nèi)的主汽壓，不需要改變設(shè)計。

主汽壓力增加，往往需要配合升高再熱汽溫，以降低能耗，同時減少低壓缸排汽濕度。

提高主汽壓力有另外的重要意義。原因是，給水溫度相應(yīng)提高，不僅節(jié)能，而且鍋爐省煤器出口煙溫也相應(yīng)提高，冬季或機組低負(fù)荷時有利于脫硝設(shè)備安全運行，并能夠延長催化劑壽命，有很大的經(jīng)濟價值。為了適應(yīng)27MPa及以上的主汽壓力，東方及哈爾濱的汽輪機產(chǎn)品已經(jīng)轉(zhuǎn)向采用筒形高壓內(nèi)缸。

1.2 再熱汽溫度

從2012年以來，新機組設(shè)計中普遍采用610℃甚至620℃的再熱汽溫。但業(yè)內(nèi)對620℃存在爭論，因為對相關(guān)材料在620℃下的真實性能、相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)識不同；而且，在620℃設(shè)計再熱汽溫條件下，在熱偏差和汽溫波動方面，由于材料安全不易保障，需要對鍋爐有很嚴(yán)格的操作限制。

2 機組容量、冷端參數(shù)和系統(tǒng)配置

2.1 汽輪機容量和冷端參數(shù)

汽輪機容量的主要限制因素是高、中壓缸通流面積和低壓缸排汽面積。

目前國內(nèi)引進(jìn)的高壓缸技術(shù)和模塊，可以應(yīng)付1 200～1 300MW 的容量［1］。

排汽面積應(yīng)根據(jù)平均負(fù)荷、背壓條件下的排汽容積流量進(jìn)行優(yōu)選。若排汽面積較大，則在排汽容積流量較大的時候，汽輪機熱耗較低，但排汽容積流量減小時，熱耗增加幅度較大。排汽容積流量主要由負(fù)荷與背壓確定。圖1、圖2為1 000 MW 汽輪機2 種不同的末級葉片配置條件下的熱耗－負(fù)荷特性，很顯然，在不同的背壓條件下，可能需要選擇不同的末級葉片，以獲得最佳的運行經(jīng)濟性。圖3 為同一廠家超臨界4 排汽600 MW（1 029mm 末級葉片）和亞臨界2 排汽300 MW 汽輪機的熱耗－背壓特性，差異明顯，可能給循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度帶來較大影響。

圖1 不同排汽面積對熱耗－負(fù)荷特性的影響（背壓5kPa）

圖2 不同排汽面積對熱耗－負(fù)荷特性的影響（背壓4kPa）

圖3 不同排汽面積對熱耗－背壓特性的影響（THA 工況）

華北和以南的廣大地區(qū)，如果機組配備閉式循環(huán)水系統(tǒng)，則冷端設(shè)計的合理配置應(yīng)當(dāng)是：額定背壓（4.9kPa左右）搭配80%負(fù)荷，或者等效地，背壓6kPa左右搭配額定出力，以此平均工況作為依據(jù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。采用4 排汽、1 200mm的末級葉片，配合較高的給水溫度，可以很好地應(yīng)付1 200MW 的機組容量；而對于1 000MW 容量及5kPa的額定背壓，則東方的1 092mm 末級葉片已經(jīng)足以應(yīng)付，是最佳配置。

對于配備開式循環(huán)水系統(tǒng)的機組，需要根據(jù)水溫合理配置冷端設(shè)備容量，以及根據(jù)額定背壓合理配置排汽面積。對于17～18℃循環(huán)水溫、水量充沛的條件，1 000MW 汽輪機可以而且應(yīng)當(dāng)配置3.6～4.0kPa的額定背壓，搭配6排汽／1 000 mm 末級葉片或4排汽／1 200mm 末級葉片，這樣可以顯著降低汽輪機熱耗［2］160。

對于600～660MW 容量，如果采用2排汽／1 200mm 末級葉片配置，則排汽面積較小，適合較高的循環(huán)水溫和背壓。需要指出的是，和4排汽相比，在同樣的循環(huán)水溫、水量和凝汽器換熱面積條件下，單壓凝汽器壓力比雙壓設(shè)計增加0.2～0.3kPa；2 排汽汽輪機長度雖顯著減小，但廠房體積增加，建設(shè)投入是增加的；對于開式循環(huán)水系統(tǒng)，由于凝汽器高度增加，循環(huán)水泵揚程和耗功也會增加［3］。

基于國內(nèi)汽輪機廠家現(xiàn)有的末級葉片序列，對于4排汽設(shè)計，660MW 容量一般比600MW好。對于大量的閉式循環(huán)水系統(tǒng)機組，基于5kPa左右的額定背壓，應(yīng)推廣660MW 容量和900mm末級葉片的搭配，1 000mm 末級葉片應(yīng)搭配750～800MW 的容量。國內(nèi)大型火電機組的容量僅有600MW 和1 000MW 級別（還有即將出現(xiàn)的1 200MW 級別），是很不合理的限制。

由于國內(nèi)汽輪機末級葉片較長，排汽面積較大，因此在絕大多數(shù)條件下，4排汽汽輪機適合采用雙背壓設(shè)計［4］。對于雙背壓汽輪機，在某些條件下，2個低壓缸可以采用不同長度的末級葉片，以獲得最大的節(jié)能效果［2］160，但直到目前，國內(nèi)外尚無這種設(shè)計。

對于設(shè)計余速損失較小的汽輪機，如果條件具備，可以考慮將機組銘牌容量增加5%左右，冷端工作會相對平衡一些。

一般地，汽輪機廠家根據(jù)設(shè)計院提供的額定背壓，以及電廠提出的性能考核要求，進(jìn)行汽輪機排汽面積的優(yōu)化配置。但是，額定背壓往往不能很好地代表實際運行平均背壓，結(jié)果偏低，偏差較大；而電廠提出的性能考核要求一般也僅僅是考核THA 工況，因此，在冷端各設(shè)備間的參數(shù)搭配方面，問題是比較普遍的。

2.2 循環(huán)水系統(tǒng)

冷端設(shè)計中，冬、夏季循環(huán)水溫差異是非常容易忽略的因素。比如長江以北地區(qū)的閉式循環(huán)水系統(tǒng)機組，冬、夏季循環(huán)水溫最大差別可達(dá)30℃以上，顯然需要更多的循環(huán)水調(diào)度方式、更細(xì)致的水量調(diào)整才能很好地適應(yīng)；而且，冬季水溫僅4℃左右，如果汽輪機排汽面積較小，則膨脹極限背壓較高，為防止背壓顯著低于膨脹極限，就不得不采用1機1循泵的運行方式，循環(huán)水量很小，對機組安全、防止凝汽器管束腐蝕結(jié)垢、膠球清洗裝置運行均不利，因此，在這種條件下，冷端設(shè)計難度較大。應(yīng)當(dāng)采用的優(yōu)化方案是，選用較大的冷端設(shè)備，形成較低的平均背壓，配合較大的汽輪機排汽面積，相應(yīng)地，冬季應(yīng)盡量不用或少用1機1泵的循環(huán)水調(diào)度方式。

南方的很多機組，平均循環(huán)水溫較高，額定背壓相應(yīng)較高，且冬、夏季循環(huán)水溫差異僅15℃上下，因此配置2或3種循環(huán)水調(diào)度方式已經(jīng)足夠，適合采用排汽面積較小的汽輪機。

讓循環(huán)水系統(tǒng)具備較多的調(diào)度方式，意味著有選擇地使用以下幾種手段：

1）采用擴大單元制系統(tǒng)，相鄰機組間設(shè)置循環(huán)水系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)管；

2）配備更多的循環(huán)水泵，比如2 機5 泵或2機6泵；

3）循泵配備雙速電機。

一般而言，雙速電機適合循環(huán)水泵揚程比較富裕的場合，尤其是一些老機組的改造。如果循環(huán)水泵本身不改造，而揚程富裕，則采用雙速電機是很好的選擇。新機組設(shè)計應(yīng)立足于優(yōu)選循泵揚程，盡量不使用雙速電機。圖4為2機5泵配置的循環(huán)水系統(tǒng)。

圖4 循環(huán)水系統(tǒng)：2機5泵配置

3 冷端設(shè)計的問題實例

3.1 實例1

某廠2臺1 000MW 機組，2013年初投產(chǎn)，銘牌出力增加到1 050MW，實際平均負(fù)荷率80%。廠家為東方汽輪機廠。

機組配備開式循環(huán)水系統(tǒng)，海水冷卻，平均水溫不足17℃。循環(huán)水系統(tǒng)為單元制，每臺機組配備3臺循環(huán)水泵。凝汽器為雙壓型，換熱面積45 000m2（初步設(shè)計為40 000m2，已在此基礎(chǔ)上增加），設(shè)計冷卻倍率55，額定背壓4.725kPa，汽輪機末級葉片長度1 092mm。

如果采用略大一些的冷端設(shè)計，凝汽器面積50 000m2，冷卻倍率60，則額定背壓可降低到4.0 kPa，相應(yīng)地，汽輪機配置1 200mm 的末級葉片，機組能耗將顯著降低。

為保證機組安全，防止循泵跳閘時因備用泵不能自啟或其出口蝶閥不能開啟而造成機組因低真空而跳機，該廠機組目前冬季仍維持1機2泵的循環(huán)水調(diào)度方式。在現(xiàn)有設(shè)備條件下，膨脹極限（出力阻塞）背壓較高，汽輪機額定出力下膨脹極限背壓超過4kPa，而冬季背壓很容易低于膨脹極限背壓，因而增加能耗。如果采用較大的排汽面積和冷端設(shè)備配置，2 臺機組循環(huán)水系統(tǒng)之間增設(shè)聯(lián)絡(luò)管，冬季采用2機3泵的運行方式，就可以解決這個問題。而且，對于全年各季度，循環(huán)水系統(tǒng)可以實施2機3泵到2機6泵共4種調(diào)度方式，能夠更好地適應(yīng)不同的水溫，實現(xiàn)更好的節(jié)能效果。

以上的優(yōu)化設(shè)計投入增加較少，而機組能耗可降低1%以上。

顯然，該廠的電站設(shè)計沒有充分利用循環(huán)水溫低、水量充沛的優(yōu)勢。整個冷端設(shè)計的價值取向是節(jié)省投資，因此機組投產(chǎn)后煤耗相應(yīng)增加，且難以改造，因為更換循環(huán)水泵、增加凝汽器換熱面積，特別是增加低壓缸排汽面積耗費過大，而單獨改造其中任一項，效果都不會理想。另外，汽輪機排汽面積較小而循環(huán)水溫很低，采用雙背壓設(shè)計并不合理。設(shè)計院在進(jìn)行冷端設(shè)計時，優(yōu)化范圍一般不包括低壓缸排汽面積選擇，這是需要改進(jìn)的。

3.2 實例2

引進(jìn)型超臨界4排汽600MW 汽輪機采用的是1 000mm 級別末級葉片，配備閉式循環(huán)水系統(tǒng)，額定背壓5.2kPa。按THA 工況考慮，采用1 000mm 級別末級葉片比采用900mm 級別末級葉片熱耗略低。

但是，按平均工況70%～80%負(fù)荷、額定背壓考慮，如果采用900mm 末級葉片，則熱耗更低，而且，夏季背壓條件下，主汽流量不變，則汽輪機最大出力增加近10MW。還需要考慮相對于開式循環(huán)水系統(tǒng)，閉式循環(huán)水系統(tǒng)條件下的額定背壓數(shù)值更不準(zhǔn)確，偏低程度更大。為此，仍采用1 000mm 級別末級葉片，汽輪機排汽面積不變，則在背壓不變的條件下，容量增加到750～800 MW，或者660MW 容量搭配900mm 末級葉片，這才是平衡的設(shè)計。和原設(shè)計相比，實際平均煤耗將降低2g／kW·h以上。

很明顯，原設(shè)計汽輪機排汽面積過大，而額定背壓太高，匹配很不均衡。國內(nèi)600MW 級別4排汽汽輪機中，這種情形極多，積累的損失非常大。

另外，這些配備閉式循環(huán)水系統(tǒng)的機組，冬夏季節(jié)循環(huán)水溫差別很大，循環(huán)水調(diào)度方式較少，一些機組因而為循泵配備雙速電機。合理的優(yōu)化設(shè)計方案應(yīng)當(dāng)是：針對汽輪機排汽面積較大的情況，配置擴大單元制循環(huán)水系統(tǒng)，為2 臺機組配備5臺或6臺循泵，優(yōu)選揚程，不采用雙速電機，冬季采用2機3泵的循環(huán)水調(diào)度方式。

3.3 總結(jié)分析

如果原設(shè)計的低壓缸、冷卻塔、凝汽器、循環(huán)水泵等設(shè)備結(jié)構(gòu)、參數(shù)不合理，需要進(jìn)行改造，則需投入大量的資金，面對很多的環(huán)境條件約束，需要較多的技術(shù)確認(rèn)和準(zhǔn)備工作，存在一些不確定因素。因此，最好的解決方式，仍然是新機組建設(shè)時，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，盡可能不遺留設(shè)計缺陷。

國內(nèi)大型汽輪機冷端設(shè)計存在一些相當(dāng)普遍的問題。妥善解決類似的優(yōu)化設(shè)計問題，往往能以較少的投入，獲得很好的節(jié)能效果［2］160。

4 相關(guān)問題

4.1 低壓缸和低溫省煤器的耦合優(yōu)化設(shè)計

國內(nèi)超超臨界機組發(fā)展的重要趨勢之一是低溫省煤器應(yīng)用逐漸普及。多數(shù)情況下，對于煙煤鍋爐，低溫省煤器可將排煙溫度降低30℃以上，即從略高于120℃降低到約90℃，用凝結(jié)水吸收這部分熱量。由于換熱器存在端差，因此凝結(jié)水受熱后溫度一般在100℃以內(nèi)。這樣，理想的情形是將凝結(jié)水溫從大約80℃提高到約95℃，再進(jìn)入下一級低加，排擠倒數(shù)第3級抽汽，這就是“串聯(lián)方案”，汽輪機熱耗相應(yīng)降低近50kJ／kW·h。而對于某些機型，由于倒數(shù)第2號低加出水溫度達(dá)到85℃以上，可能難以采用以上的方案，此時設(shè)計院往往為該低加設(shè)置旁路，由流經(jīng)旁路的溫度較低的凝結(jié)水吸收煙氣余熱，排擠的是倒數(shù)第2級抽汽，因此節(jié)能效果顯著降低。應(yīng)盡量避免采用這樣的“并聯(lián)方案”。為此，采用串聯(lián)方案時，需要針對汽輪機低壓缸最后2級的焓降配置和相關(guān)低加的進(jìn)、出水溫度，對低溫省煤器、空氣預(yù)熱器的進(jìn)出口煙溫進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，盡可能增加節(jié)能效果，必要時，寧可稍微減少低溫省煤器煙溫降低幅度。需要指出，并聯(lián)方案節(jié)能效果較差，但運行靈活，可以作為串聯(lián)方案的運行備用手段。

低溫省煤器的應(yīng)用，還帶來另外的問題：在主汽流量不變的條件下，一方面，排擠了一些抽汽，汽輪機出力增加；另一方面，排汽流量增加，凝汽器負(fù)載相應(yīng)增加，因此，需要考慮適當(dāng)增加凝汽器換熱面積。

4.2 相關(guān)的一些設(shè)計要點

1）對于雙背壓凝汽器，抽空氣管系應(yīng)采用并聯(lián)設(shè)計，充分發(fā)揮雙背壓的節(jié)能優(yōu)勢。

2）如果夏季循環(huán)水溫很高，則為真空泵設(shè)置低溫備用水源。

3）讓低背壓低壓缸接近中壓缸，則低背壓低壓缸進(jìn)汽壓力相對稍高，進(jìn)汽量相對稍大，相對多做功。

5 結(jié)論

初、終參數(shù)的選擇，以及汽輪機冷端的優(yōu)化配置，是非常重要的課題。本文對于超超臨界汽輪機的初、終參數(shù)優(yōu)選和相關(guān)的設(shè)計問題，進(jìn)行了系統(tǒng)的討論，從更廣泛的視野提出一些新的優(yōu)化設(shè)計方法，指出重要的問題在于汽輪機和周邊設(shè)備的耦合優(yōu)化設(shè)計，初、終參數(shù)的選擇和相關(guān)問題的發(fā)現(xiàn)和解決，需要這種跨專業(yè)的思維。這種跨專業(yè)思考和整體優(yōu)化設(shè)計，是針對國內(nèi)目前問題較多的情況，需要大力加強的工作內(nèi)容。相對于汽輪機本體的技術(shù)發(fā)展，周邊設(shè)備的進(jìn)步和機組整體優(yōu)化，是更為活躍的領(lǐng)域。外高橋三廠就是典型的成功案例［5］。

基建期間遺留問題，會有兩種結(jié)果：機組投產(chǎn)后花費大量資金進(jìn)行改造，形成很大的浪費；另外，很多問題比較隱蔽，不易發(fā)現(xiàn)，或者難以通過技術(shù)改造來解決，造成長期的能耗損失。因此，對于火電機組，最有效的節(jié)能工作，是在設(shè)計和基建階段解決問題。

本文的討論揭示了火電機組優(yōu)化設(shè)計有很大的節(jié)能潛力。

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［4］蔣尋寒，阮圣奇.循環(huán)水溫較較低下雙背壓的應(yīng)用問題［J］.熱力透平，2014，43（1）：68－70.

［5］馮偉忠，1000MW 超超臨界汽輪機蒸汽參數(shù)的優(yōu)化及討論［J］.動力工程，2007，27（3）：305－309.