井芳波，袁永強，衛(wèi)棟梁，陳顯輝，歐陽杰，賴 強，雷曉龍

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噴嘴+補汽新型調節(jié)技術的經濟性分析

井芳波，袁永強，衛(wèi)棟梁，陳顯輝，歐陽杰，賴 強，雷曉龍

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

為了保持噴嘴調節(jié)汽輪機組部分負荷工況下主蒸汽壓力高的優(yōu)點，同時減弱調節(jié)級效率低對高壓缸通流效率的影響，有效提高汽輪機組部分負荷工況下的經濟性，本文在分析研究了現有汽輪機進汽調節(jié)技術的基礎上，提出了噴嘴+補汽新型調節(jié)技術。以超臨界660 MW機組為例，分別分析噴嘴+補汽調節(jié)和單一補汽調節(jié)對汽輪機熱力特性和經濟性的影響。結果表明：噴嘴+補汽調節(jié)機組和補汽調節(jié)機組在90%THA工況附近經濟性相當，隨著負荷的降低，噴嘴+補汽調節(jié)機組經濟性優(yōu)于補汽調節(jié)機組，且這種優(yōu)勢逐步加大；全年負荷范圍為40%THA~85%THA的機組，采用噴嘴+補汽調節(jié)的經濟性更高。

噴嘴+補汽；進汽調節(jié)技術；汽輪機；部分負荷；經濟性

隨著我國經濟發(fā)展進入新常態(tài)，電力生產消費也呈現新常態(tài)特征。電力消費增長減速換檔，電力供需形勢由偏緊轉為寬松、部分地區(qū)過剩，設備利用小時逐年降低，燃煤機組發(fā)電負荷率普遍偏低[1]。國家能源局2015年發(fā)布的《華中華東區(qū)域節(jié)能減排發(fā)電調度專項監(jiān)管報告》顯示，2014年1—9月，華東區(qū)域燃煤機組發(fā)電負荷率基本為67%~75%，華中區(qū)域燃煤機組發(fā)電負荷率基本為63%~73%。這使得按照帶基本負荷設計的汽輪機組無法發(fā)揮設計負荷點高效率的優(yōu)點，造成不必要的經濟損失[2]。

目前，汽輪機采用的進汽調節(jié)技術分為噴嘴調節(jié)[3]、節(jié)流調節(jié)[4]和補汽調節(jié)[5-6]3種，從運行方式上又分為定壓運行和滑壓運行。定壓運行方式在部分負荷節(jié)流損失大（噴嘴調節(jié)汽輪機調節(jié)級焓降大），為維持鍋爐給水壓力給水泵耗功大，機組經濟性較差；滑壓運行方式在部分負荷下的鍋爐給水壓力降低，采用變速給水泵可大大降低給水泵耗功。因此，目前國內外新設計的300 MW以上機組一般都把滑壓運行作為一種推薦的運行方式[7]。 3種進汽調節(jié)技術均有多年的運行業(yè)績和成功的應用經驗，技術成熟可靠，可根據機組的帶負荷特性合理選擇。由于目前我國的電網容量大，通常情況下機組在額定負荷（THA工況）以上運行時間較少，因此補汽調節(jié)-滑壓運行機組在經濟性上具有一定優(yōu)勢[8]。為了保持噴嘴調節(jié)機組部分負荷工況下主蒸汽壓力高的優(yōu)點，同時又減弱調節(jié)級效率低對高壓缸通流效率的影響，本文提出了一種新型調節(jié)技術（噴嘴+補汽調節(jié)技術，已申請國家專利）以提高機組部分負荷工況下的經濟性，并將其與補汽調節(jié)-滑壓運行（簡稱補汽調節(jié)）機組進行經濟性對比分析。

1 噴嘴+補汽調節(jié)技術工作原理

噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機如圖1所示。汽輪機第一級是調節(jié)級，分為幾個噴嘴組。蒸汽經過全開高壓主蒸汽閥1后，再經過依次開啟的幾個高壓主調節(jié)閥2，通向調節(jié)級[9]。當負荷在85%THA以下時，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ噴嘴組的調節(jié)閥全開，第Ⅳ噴嘴組的調節(jié)閥全關，機組滑壓運行；負荷在85%THA時，主蒸汽壓力達到額定壓力；負荷繼續(xù)增大時第Ⅳ噴嘴組的調節(jié)閥開啟，主蒸汽壓力維持額定壓力不變，至THA負荷時調節(jié)級的4個調節(jié)閥全開，此時通過調節(jié)級的流量達到最大；負荷超過THA工況后，旁通閥3打開，主蒸汽經補汽室X進入高壓某一級（第4級）后，滿足超負荷區(qū)間的進汽要求；至VWO工況（約108%THA）旁通閥全開。負荷-壓力運行曲線如圖2所示。

1—高壓主蒸汽閥；2—高壓主調節(jié)閥；3—旁通閥(補汽閥)；X—補汽室。

注：主蒸汽壓力以額定壓力24.2 MPa為基準。

由以上工作過程可知，噴嘴+補汽調節(jié)機組負荷在85%THA時調節(jié)級的經濟性能達到了噴嘴調節(jié)機組的設計工況水平。85%THA負荷以下工況由于前3個噴嘴組的調節(jié)閥全開，機組滑壓運行，調節(jié)級焓降及效率與85%THA工況相當，高壓缸效率處于較高水平，且同負荷段主蒸汽壓力遠高于噴嘴調節(jié)機組和補汽調節(jié)機組，機組循環(huán)效率高。

2 噴嘴+補汽調節(jié)對汽輪機熱力特性影響

以超臨界660 MW機組為例，分別分析噴嘴+補汽調節(jié)和單一補汽調節(jié)對汽輪機熱力特性的影響。噴嘴+補汽調節(jié)、補汽調節(jié)汽輪機高壓級組設計工況和部分負荷工況過程線如圖3所示。

注：實線、虛線分別為噴嘴+補汽調節(jié)、補汽調節(jié)汽輪機高壓級組設計工況和部分負荷工況過程線；p0j、p2j分別為高壓缸進汽壓力、排汽壓力，i0j、i2j分別為高壓缸進汽焓、排汽焓，Di0j、Di2j分別為高壓缸進汽焓差、高壓缸排汽焓差，補汽調節(jié)汽輪機90%THA 工況的高壓缸進汽焓，其中j=1,1′,2,2′,3,3′分別表示補汽調節(jié)汽輪機工況1（設計工況（THA））、噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機工況1、補汽調節(jié)汽輪機工況2（部分負荷90%THA工況）、噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機工況2、補汽調節(jié)汽輪機工況3（部分負荷50%THA工況）、噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機工況3；t0為高壓缸進汽溫度。

同工況下噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機和補汽調節(jié)汽輪機的主蒸汽流量相同，再熱蒸汽流量也基本相同。回熱抽汽、再熱蒸汽流量在不同工況下約為主蒸汽流量的0.85～0.90，本文計算中取0.87，即再熱蒸汽流量為0.87。

在主蒸汽流量、最終給水溫度、回熱系統(tǒng)及各邊界條件相同的情況下，從吸熱量和做功的角度分析2種調節(jié)方式在各工況下汽輪機的熱效率偏差。

由圖3可知，工況3下，噴嘴+補汽調節(jié)機組相對于補汽調節(jié)機組多得到的來自鍋爐的熱量D3等于過熱器中所吸收熱量的差別+中間再熱過程所吸收熱量的差別，即

對于超臨界660 MW中間再熱汽輪機組，絕對內效率約為48%[10]，則噴嘴+補汽調節(jié)機組多吸收的熱量D3按熱效率48%考慮，多做的功應該為

但由圖3可見，實際上功的增加量為

當式(2)與式(3)相等時得到

也即：當D0=1.12D2時，噴嘴+補汽調節(jié)機組多吸收了D的熱量，其多做的功剛好是D=0.48D，即多做的功按0.48的熱量轉換效率進行，兩機組的熱效率相同（圖3工況2）；當D0<1.12D2時，噴嘴+補汽調節(jié)機組多吸收了D的熱量，其多做的功卻是D>0.48D，相當于在原有熱力循環(huán)上增加了1個效率高于48％（高于原有循環(huán)）的小循環(huán)，其結果必然使機組的效率提高（圖3工況3）；反之當D0>1.12D2時，噴嘴+補汽調節(jié)機組多吸收了D的熱量，其做功卻是D<0.48D，相當于在原有熱力循環(huán)上增加1個效率低于48%（低于原有循環(huán)）的小循環(huán)，結果必然使機組的效率降低（圖3工況1）。

由上述分析可知，噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機相對于補汽調節(jié)機組的相對熱經濟性的高低取決于D0和1.12D2的相對大小。根據水蒸氣性質，從85%THA開始滑壓的以下負荷，D0和D2隨主蒸汽壓力的降低均逐漸減小，但D0減小得更快[11]。因此負荷越低，噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機相對于補汽調節(jié)汽輪機組的熱經濟性越好。

以上僅從汽輪機熱功轉換效率來考慮，忽略了給水泵耗功的影響。目前，國內外新設計的300 MW以上機組均采用小汽輪機驅動的變速給水泵。噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機雖然提高了部分負荷的進汽壓力，但同時也使給水泵耗功增大，進而使小汽輪機抽汽量增大，最終影響了汽輪機組的整體經濟性。

以超臨界660 MW機組為例，分別采用噴嘴+補汽調節(jié)和補汽調節(jié)進行計算各負荷工況下的鍋爐給水泵小汽輪機（BFPT）耗汽量，結果如圖4所示。

注：GBFPTⅠ、GBFPTⅡ分別為補汽調節(jié)、噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機給水泵小汽輪機耗汽量，DGBFPT=GBFPTⅡ–GBFPTⅠ為小汽輪機耗汽量變化量，DGBFPT%=(GBFPTⅡ–GBFPTⅠ)/GBFPTⅠ×100%為小汽輪機耗汽量變化率。

結合圖2和圖4可見：從THA至85%THA，小汽輪機流量變化率隨著主蒸汽壓力差值變化率的增大而增大；85%THA負荷以下主蒸汽壓力差值變化率基本不變，小汽輪機流量變化率也基本維持不變。但由于給水泵小汽輪機耗汽量隨著負荷的降低對整個汽輪機組的熱效率影響逐漸減弱，因此小汽輪機耗汽量的變化隨負荷的降低對整個汽輪機組的經濟性影響也逐漸減小。圖5為噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機相對于補汽調節(jié)汽輪機給水泵耗功增大對機組經濟性的影響。

圖5 噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機給水泵耗功增大對熱耗的影響

綜上可知：隨著負荷的降低，噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機相對于補汽調節(jié)機組的相對熱功轉換效率越來越高；相對于補汽調節(jié)汽輪機，噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機部分負荷進汽壓力的提高對給水泵耗功的增加所帶來的對整個機組的經濟性的影響逐漸減弱。以上兩方面的影響綜合起來之后，可得到如下結論：噴嘴+補汽調節(jié)機組和補汽調節(jié)機組在～90%THA工況經濟性相當，隨著負荷的降低，噴嘴+補汽調節(jié)機組經濟性優(yōu)于補汽調節(jié)機組，且這種優(yōu)勢逐步加大。

3 噴嘴+補汽調節(jié)技術經濟性分析

以超臨界660 MW機組為例，通過詳細計算，噴嘴+補汽調節(jié)和補汽調節(jié)汽輪機在各負荷工況下的主要數據詳見表1。由表1可見，影響噴嘴+補汽調節(jié)和補汽調節(jié)汽輪機在各負荷工況經濟性的主要因素為主蒸汽壓力、高壓缸效率（調節(jié)級效率）和給水泵耗功。以50%THA工況為例，噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機相對于補汽調節(jié)汽輪機主蒸汽壓力高約2.08 MPa，影響熱耗約?98.3 kJ/(kW·h)，但由于噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機相對于補汽調節(jié)汽輪機高壓缸效率低約2.66百分點、給水泵耗功高750.8 kW，分別影響熱耗約+36.3、+20.4 kJ/(kW·h)。綜合以上因素，50%THA工況下，噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機相對于補汽調節(jié)汽輪機熱耗偏差約為?41.6 kJ/(kW·h)。

表1 補汽調節(jié)、噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機詳細計算數據

Tab.1 The detailed calculation data for the steam turbine using the new regulation technology and bypass governing

圖6為采用噴嘴+補汽調節(jié)和補汽調節(jié)時各負荷工況下的熱耗偏差（熱耗偏差為噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機熱耗與補汽調節(jié)汽輪機熱耗之差）。由圖6可見：90%THA工況熱耗偏差很小，90%THA工況以下熱耗負偏差逐漸增大，這與上述分析得到的結論一致；THA工況下，熱耗正偏差達最大，負荷繼續(xù)增大，熱耗正偏差又逐漸減小，這是因為THA工況以上隨著補汽閥的開啟，調節(jié)級后壓力升高，調節(jié)級焓降減小，調節(jié)級對機組經濟性的影響減弱。

圖6 2種調節(jié)汽輪機各負荷工況下的熱耗偏差

根據機組的全年帶負荷情況進一步分析噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機組與補汽調節(jié)汽輪機組的經濟性優(yōu)劣，結果見表2。

根據我國機組全年帶負荷情況，40%THA~ TMCR負荷的分配按2種情況考慮：1）40%THA~85%THA、85%THA~TMCR負荷約占全年發(fā)電時間的60%、25%；2）40%THA~85%THA、85%THA~TMCR負荷約占全年發(fā)電時間的25%、60%。根據表2，若按時間系數1進行全年負荷分配，絕對加權熱耗偏差為–21.6 kJ/(kW·h)，若考慮負荷權重后的加權熱耗偏差為–10.9 kJ/(kW·h)，此時選用噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機組較為經濟；若按時間系數2進行全年負荷分配，絕對加權熱耗偏差為–11.4 kJ/(kW·h)，若考慮負荷權重后的加權熱耗偏差為–4.6 kJ/(kW·h)，由于噴嘴+補汽調節(jié)汽輪機組經濟性優(yōu)勢不明顯，且其結構更復雜，暫建議仍采用補汽調節(jié)。

表2 加權熱耗對比表

Tab.2 The weighted mean heat rates

注：*處為采用絕對偏差計算結果；**處為采用考慮負荷權重（折算至100%負荷）后的熱耗偏差計算結果。

4 結 論

在分析研究了現有汽輪機進汽調節(jié)技術的基礎上，本文提出了噴嘴+補汽新型調節(jié)技術，并對其方案設置、工作原理和經濟性特點進行了討論。分析結果表明：全年負荷范圍為40%THA~ 85%THA的機組，采用噴嘴+補汽調節(jié)相對于補汽調節(jié)的加權熱耗低約10.9 kJ/(kW·h)；全年負荷在85%THA以上的機組，采用2種調節(jié)方式經濟性差別不大。

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Economic analysis for nozzle governing with overload valve regulation technology

JING Fangbo, YUAN Yongqiang, WEI Dongliang, CHEN Xianhui, OUYANG Jie,LAI Qiang, LEI Xiaolong

(Dongfang Turbine Co., Ltd., Deyang 618000, China)

To keep the high main steam pressure of the nozzle governing steam turbine under partial load conditions, weaken the influence of low efficiency of governing stage on flow efficiency of high pressure cylinder, and effectively improve the economic efficiency of the steam turbine under partial load conditions, this paper proposes a new nozzle governing method with overload valve regulation, on the basis of analyzing the existing governing methods of steam turbine. Taking a supercritical 660 MW unit as an example, the paper analyzes the thermal characteristics and economic performance of the steam turbines using the new governing method of nozzle governing with overload valve regulation and bypass governing. The results show that, the economy of the turbine adopting the new regulation technology is similar to that employing the bypass governing near 90%THA condition, while as the unit load decreases, the economy of the turbine adopting the new regulation technology is better than that employing the bypass governing, and this advantage gradually increases. For the units of which the load ranges from 40%THA to 85%THA within the whole year, applying the new regulation technology can reach a higher economic efficiency.

nozzle governing with overload valve regulation, admission regulation technology, steam turbine, partial load, economy

National Science and Technology Infrastructure Program (2015BAA03B01-02)

TK262

B

10.19666/j.rlfd.201805144

井芳波, 袁永強, 衛(wèi)棟梁, 等. 噴嘴+補汽新型調節(jié)技術的經濟性分析[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(1): 6-11. JING Fangbo, YUAN Yongqiang, WEI Dongliang, et al. Economic analysis for nozzle governing with overload valve regulation technology[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(1): 6-11.

2018-05-07

國家科技支撐計劃項目(2015BAA03B01-02)

井芳波(1982—)，男，高級工程師，主要從事汽輪機熱力設計和性能試驗，jingfb@mail.dfstw.com。

（責任編輯 劉永強）