張 勇，尹金亮，易小蘭，楊建道

(1.國家電投集團河南電力有限公司，鄭州 450000； 2.國家電投集團河南電力有限公司沁陽發(fā)電分公司，沁陽 454550； 3.上海汽輪機廠有限公司，上海 200240)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，居民用電和商業(yè)用電的比重逐年增加，這導致用電負荷峰谷差激增，使得按照帶基本負荷設(shè)計的發(fā)電機組不得不參與調(diào)峰，且通常處于低負荷運行狀態(tài)。因此，對發(fā)電機組展開研究，突破機組低負荷運行時效率低、無法發(fā)揮機組優(yōu)勢的技術(shù)瓶頸，開發(fā)高效調(diào)峰燃煤鍋爐、汽輪機的成套技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備，提升電力工業(yè)的技術(shù)水平，具有非常顯著的經(jīng)濟和社會效益。

通常提高汽輪機系統(tǒng)循環(huán)效率有兩種途徑：一是提高蒸汽初參數(shù)，降低終參數(shù)，如超超臨界機組建設(shè)、700 ℃高超超臨界技術(shù)發(fā)電技術(shù)研制，超低背壓深海取水項目研制等[1]；二是改進熱力循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計，如多級再熱循環(huán)系統(tǒng)和新型回熱系統(tǒng)等[2-3]。從熱力學角度看，汽輪機熱力循環(huán)進口參數(shù)越高，出口參數(shù)越低，則系統(tǒng)循環(huán)效率越高。進口參數(shù)與運行負荷正相關(guān)，汽輪機在基本負荷工況下，進口參數(shù)與設(shè)計值相當，系統(tǒng)循環(huán)效率較高；隨著負荷降低，進口參數(shù)大幅降低，效率隨之下降。一般來說，在50%負荷下汽輪機系統(tǒng)循環(huán)效率相對額定工況降低達5%。

如果在部分負荷工況下適當減小汽輪機通流面積，保持汽輪機在部分負荷時仍運行在較高的進口參數(shù)下，則可以提高汽輪機在部分負荷工況下的系統(tǒng)循環(huán)效率?；谶@樣的原理，結(jié)合電網(wǎng)負荷峰谷特性，本文提出了一種新型高效調(diào)峰汽輪機機組，該汽輪機的設(shè)計采用了雙工況點設(shè)計概念，由主汽輪機系統(tǒng)和調(diào)峰汽缸組成，本文將重點研究此新型高效調(diào)峰汽輪機機組的熱經(jīng)濟性。

1 高效寬負荷汽輪機結(jié)構(gòu)

燃煤發(fā)電機組運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，調(diào)峰機組工作負荷主要分布在75%～90%(高負荷)和40%～55%(低負荷)兩個區(qū)間。新型高效調(diào)峰汽輪機機組在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要結(jié)合電網(wǎng)的峰谷特性，選定設(shè)計工況點。新型高效調(diào)峰汽輪機機組由主汽輪機系統(tǒng)和調(diào)峰汽缸組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中引線和數(shù)字表示工質(zhì)流動方向和順序。

圖1 新型高效調(diào)峰汽輪機組結(jié)構(gòu)示意圖

主汽輪機系統(tǒng)包括汽輪機高壓缸(A)、汽輪機中壓缸(B)、汽輪機1號低壓缸(C)、汽輪機2號低壓缸(D)、發(fā)電機(G)。調(diào)峰汽缸采用高中壓合缸設(shè)計，包括高壓缸(E)和中壓缸(F)，閥門a、b為主汽輪機系統(tǒng)的低壓缸進汽調(diào)門。主汽輪機系統(tǒng)設(shè)有抽汽系統(tǒng)，加熱進入鍋爐的給水，調(diào)峰汽缸采用高中壓合缸設(shè)計，沒有抽汽系統(tǒng)。主汽輪機系統(tǒng)和調(diào)峰汽缸采用同軸布置，通過自同步離合器(S)連接。

新型高效調(diào)峰汽輪機組有三種運行模式可選：

1)保持汽缸A、B、C串聯(lián)，E、F、D串聯(lián)，維持汽缸A閥門全開，調(diào)整汽缸E的進汽量；

2)切除汽缸E、F，汽缸C、D并聯(lián)于B之后(即閥門a開啟，b關(guān)閉)；

3)保持汽缸A、B、C串聯(lián)，E、F、D串聯(lián)，汽缸A和E同步調(diào)整。

在高負荷運行區(qū)間，可以選擇第1種或第3種運行模式，在低負荷區(qū)間，宜采用第2種運行模式。全負荷工況可歸為兩種運行方式：(1)同步調(diào)節(jié)，保持汽缸A、B、C串聯(lián)，E、F、D串聯(lián)，汽缸A和E同步調(diào)整；(2)分段調(diào)節(jié)，在高負荷段，保持汽缸A、B、C串聯(lián)，E、F、D串聯(lián)，維持汽缸A閥門全開，調(diào)整汽缸E的進汽量，當負荷低于一定值后，切除汽缸E、F，汽缸C、D并聯(lián)于B之后(即閥門a開啟，b關(guān)閉)。同步調(diào)節(jié)方式與常規(guī)機組運行基本沒有區(qū)別，分段調(diào)節(jié)方式在低負荷工況下切除調(diào)峰汽缸后，通流面積減少，進汽參數(shù)將明顯提高。

2 1 000 MW等級高效調(diào)峰汽輪機機組設(shè)計

圖2是采用新型高效調(diào)峰結(jié)構(gòu)設(shè)計的1 000 MW等級超超臨界機組熱力系統(tǒng)圖，圖3是采用常規(guī)設(shè)計的1 000 MW等級超超臨界機組熱力系統(tǒng)圖。新型高效調(diào)峰汽輪機組與常規(guī)機組的差異主要在于前者配置上多出了一組調(diào)峰汽缸和用于連接的自同步離合器，以及用于低壓缸進汽控制的閥門a和閥門b。二者還在機組的四大管道、低壓連通管、機組抽汽系統(tǒng)、鍋爐再熱系統(tǒng)以及控制和保護系統(tǒng)、運行模式方面有所不同。

圖2 采用新型高效調(diào)峰結(jié)構(gòu)設(shè)計的1 000 MW等級機組熱力系統(tǒng)

圖3 常規(guī)1 000 MW超超臨界機組熱力系統(tǒng)

3 1 000 MW等級高效調(diào)峰汽輪機熱經(jīng)濟性分析

結(jié)合電網(wǎng)的峰谷特性，依據(jù)雙工況點設(shè)計概念，設(shè)計人員進行了1 000 MW超超臨界機組設(shè)計。工況點1為主汽輪機系統(tǒng)和調(diào)峰汽缸進汽閥門全開，進汽參數(shù)為額定參數(shù)，機組輸出電功率為1 000 MW；工況點2為調(diào)峰汽缸切除，主汽輪機系統(tǒng)閥門全開，進汽參數(shù)為額定參數(shù)，機組輸出電功率為650 MW。

表1給出了常規(guī)設(shè)計機組與新型設(shè)計機組(即采用高效調(diào)峰結(jié)構(gòu)設(shè)計的機組自同步離合器)在額定負荷點的出力分配情況。從表1中可以看到，新型設(shè)計機組在額定負荷點，高壓缸和中壓缸的出力相對于常規(guī)機組降低了1/3以上；低壓缸的出力基本保持不變。

表1 額定負荷點出力分配

3.1 機組熱耗率對比

如上文所述，高效調(diào)峰汽輪機機組在全負荷工況段有兩種運行方式，圖 4給出了兩種運行方式和常規(guī)機組運行熱耗率的對比情況。三者在額定負荷點(1 000 MW)熱耗率相同，隨著機組運行負荷的下降，同步調(diào)節(jié)模式與常規(guī)機組熱耗變化規(guī)律基本一致(熱耗絕對值的差異根據(jù)實際調(diào)峰機組設(shè)計情況而定，與曲線中的熱耗偏差會有一些差異)。

分段調(diào)節(jié)模式在高負荷段熱耗略高于常規(guī)機組，主要是由于在高負荷段僅靠調(diào)峰汽缸單個調(diào)節(jié)，對于單個汽輪機汽缸而言，參數(shù)變化的百分比被放大，因而對性能的影響也會被放大，不過這種被放大的影響在可接受范圍內(nèi)。當機組運行負荷低于主汽輪機系統(tǒng)設(shè)計負荷后，調(diào)峰汽缸切除，盤車熱備用，熱耗開始明顯低于常規(guī)機組和同步調(diào)節(jié)模式。在50%額定負荷點，分段調(diào)節(jié)模式的熱效率比常規(guī)設(shè)計機組降低2.6%。對于常年運行在低負荷工況的機組，高效調(diào)峰機組帶來的經(jīng)濟收益是非常可觀的。

圖4 全負荷段熱耗率變化曲線

3.2 主蒸汽壓力對比

圖5給出常規(guī)設(shè)計與新型設(shè)計的主蒸汽壓力相對額定負荷點的變化情況。當機組運行負荷高于主汽輪機系統(tǒng)設(shè)計負荷時，主汽壓力基本維持在設(shè)計壓力值，調(diào)節(jié)汽輪機通過進汽節(jié)流進行功率調(diào)節(jié)，帶來了一定的節(jié)流損失。當負荷低于主汽輪機系統(tǒng)額定負荷后，調(diào)峰汽缸被完全切除，機組進入盤車熱備用狀態(tài)，主蒸汽的壓力跟隨負荷的變化逐漸降低。

圖5 高效調(diào)峰汽輪機組主蒸汽壓力變化量

3.3 給水溫度對比

常規(guī)設(shè)計機組在低負荷段，由于主蒸汽壓力降低，進入鍋爐的給水溫度也隨之降低，這是造成低負荷工況循環(huán)效率下降的重要因素之一?，F(xiàn)在很多常規(guī)設(shè)計機組通過設(shè)置零號高壓加熱器來提高低負荷工況的給水溫度。零號高壓加熱器的設(shè)置不可避免地會增加設(shè)備采購和運行維護成本，同時需要在汽輪機高壓缸上增加抽汽口，這對汽輪機循環(huán)效率也會有一定影響。

采用新型高效調(diào)峰結(jié)構(gòu)設(shè)計的機組，低負荷工況段進汽壓力明顯高于常規(guī)設(shè)計機組，給水溫度隨之提高，低負荷工況段無需添加零號高加即能保持較高的給水溫度。圖6給出了給水溫度隨負荷變化的對比情況。無論是與不帶零號高加的常規(guī)設(shè)計機組相比，還是與帶零號高加的常規(guī)設(shè)計機組相比， 采用新型高效調(diào)峰設(shè)計的機組的回熱系統(tǒng)性能都更優(yōu)，這也是在50%負荷點熱耗率能降低2.6%的原因之一。

圖6 給水溫度對比

4 結(jié) 論

高效調(diào)峰汽輪機機組是根據(jù)調(diào)峰需求趨勢而設(shè)計的一種全新機型，不同的負荷區(qū)間采取不同的運行策略，這樣可以減少機組在低負荷工況下主蒸汽參數(shù)下降、進汽流量減少等對汽缸效率的影響。通過上述的分析可以看到，在充分保證額定負荷工況熱耗不升高的同時，新的結(jié)構(gòu)形式低負荷工況的熱耗收益顯著，50%負荷的熱耗率降低2.6%。新型機組的研發(fā)對于開發(fā)新一代高效寬負荷調(diào)峰機組具有重要意義。