邵 飛

大唐華東電力試驗(yàn)研究院

0 引言

目前我國(guó)絕大部分火電機(jī)組在部分負(fù)荷工況采用滑壓方式運(yùn)行，以提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，國(guó)家相關(guān)政策鼓勵(lì)和發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)，熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)容量逐年增加，一批300 MW 以上火電機(jī)組由純凝機(jī)組逐漸改造為抽汽供熱機(jī)組。相比于純凝機(jī)組，在相同發(fā)電負(fù)荷時(shí)，機(jī)組供熱工況下主蒸汽流量明顯高于純凝工況，供熱工況下機(jī)組如何在滑壓方式下經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是一個(gè)值得關(guān)注和研究的課題。

目前，滑壓運(yùn)行主要有純滑壓運(yùn)行、節(jié)流滑壓運(yùn)行、復(fù)合滑壓運(yùn)行幾種方式：復(fù)合滑壓運(yùn)行為：定—滑—定運(yùn)行方式，在較高負(fù)荷區(qū)域和較低負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)，機(jī)組采用定壓運(yùn)行方式；在中間負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)，機(jī)組采用滑壓運(yùn)行方式，該運(yùn)行方式優(yōu)勢(shì)明顯，實(shí)用性強(qiáng)。

1 滑壓優(yōu)化策略

1.1 滑壓優(yōu)化影響因素

機(jī)組滑壓運(yùn)行時(shí)，機(jī)組主蒸汽壓力相對(duì)定壓運(yùn)行有所下降，主汽壓力變化時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整總流量指令，改變閥門開(kāi)度，而閥門開(kāi)度的改變影響了調(diào)門的節(jié)流損失。因此，滑壓運(yùn)行時(shí)，對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響有以下三個(gè)方面：

1）對(duì)高壓缸效率的影響

對(duì)于采用高壓調(diào)門進(jìn)行負(fù)荷控制的機(jī)組，進(jìn)汽參數(shù)、流量不同，對(duì)應(yīng)的高壓調(diào)門開(kāi)度不同，會(huì)引起節(jié)流損失發(fā)生變化，使調(diào)節(jié)級(jí)焓降變化，從而改變高壓缸效率，主要表現(xiàn)：由于高壓缸初焓和排汽焓的變化引起高壓缸有效焓降和汽輪機(jī)功率的增減導(dǎo)致熱耗率的相對(duì)變化。

相同負(fù)荷下，滑壓運(yùn)行由于壓力降低，節(jié)流損失小，高壓缸效率高于定壓運(yùn)行。另外，滑壓運(yùn)行方式下，不同初參數(shù)和調(diào)節(jié)汽門開(kāi)度不同引起通流效率變化，會(huì)引起高排參數(shù)變化，而高壓缸排汽焓的增減會(huì)引起再熱蒸汽吸熱量變化導(dǎo)致熱耗率的變化。

2）對(duì)給水泵小汽輪機(jī)功耗的影響

小汽機(jī)的用汽量和主蒸汽壓力有關(guān)，主蒸汽壓力越低，給水泵所克服的阻力越小、給水泵的揚(yáng)程越低，小汽機(jī)的用汽量越少。

當(dāng)機(jī)組滑壓運(yùn)行時(shí)，主汽壓力較定壓運(yùn)行有所降低，給水泵出口壓力相應(yīng)降低，導(dǎo)致給水泵耗功降低，小汽機(jī)耗汽量減小，使機(jī)組熱耗率降低。

3）對(duì)循環(huán)效率的影響

雖然滑壓運(yùn)行提高了高壓缸效率，減少了小汽輪機(jī)用汽量，但滑壓運(yùn)行時(shí)主蒸汽壓力降低，汽輪機(jī)高壓缸焓降減少，循環(huán)熱效率降低，而機(jī)組的絕對(duì)內(nèi)效率為相對(duì)內(nèi)效率與循環(huán)熱效率的乘積，故該部分是降低主汽壓力后的不利影響。

以上對(duì)經(jīng)濟(jì)性的三方面影響存在一個(gè)最佳值，即在某一負(fù)荷下，保證循環(huán)熱效率不降低過(guò)多的情況下，高壓缸效率較高且給水泵耗功較少，使機(jī)組整體效率達(dá)到最好水平。

1.2 純凝工況滑壓優(yōu)化方法研究現(xiàn)狀

汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行時(shí)，影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的因素很多，如主蒸汽壓力的變化對(duì)機(jī)組的循環(huán)效率、相對(duì)內(nèi)效率、給水泵功耗、節(jié)流損失等產(chǎn)生影響，因此在給定的電負(fù)荷情況下，需考慮這些因素的綜合影響，確定使機(jī)組熱耗或者煤耗達(dá)到最低時(shí)的最優(yōu)滑壓運(yùn)行壓力。

通常機(jī)組滑壓優(yōu)化是通過(guò)試驗(yàn)比較法、耗差分析法[1]和建立優(yōu)化模型法[2、3]，現(xiàn)場(chǎng)使用較多的是試驗(yàn)比較法，耗差分析法一般作為輔助手段對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

試驗(yàn)比較法是指在選取一定范圍的電負(fù)荷，然后在同一電負(fù)荷下改變主蒸汽壓力，開(kāi)展不同主蒸汽壓力下的汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)，計(jì)算汽輪機(jī)熱耗率，并以最小二乘法擬合得到確定最優(yōu)主蒸汽壓力，得到機(jī)組“電負(fù)荷—主蒸汽壓力”滑壓運(yùn)行曲線。此方法也是目前使用最廣泛的一種方法。

耗差分析法[1]是指通過(guò)局部耗差計(jì)算和比較得到機(jī)組滑壓優(yōu)化運(yùn)行方式的方法。經(jīng)研究表明，主汽壓力、高壓缸效率和給泵汽輪機(jī)進(jìn)汽流量等運(yùn)行參數(shù)對(duì)機(jī)組滑壓運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果的評(píng)判起著關(guān)鍵的影響作用。將這些參數(shù)繪制成與機(jī)組負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的變化曲線，可發(fā)現(xiàn)由于機(jī)組滑壓方式的不同而引起主汽壓力、高壓缸效率和給泵汽輪機(jī)進(jìn)汽流量等運(yùn)行特性參數(shù)之間的差異。選取其中的一種滑壓運(yùn)行方式作為比較的基準(zhǔn)工況，可以得出其它滑壓運(yùn)行工況相對(duì)于該工況的參數(shù)偏差，通過(guò)建立這些運(yùn)行參數(shù)對(duì)機(jī)組熱耗率影響的耗差計(jì)算模型，得出滑壓運(yùn)行方式改變后對(duì)機(jī)組總耗差的影響程度。

建立優(yōu)化模型法是指運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，確定最優(yōu)初壓。盛德仁等[2]根據(jù)電負(fù)荷是主蒸汽壓力和循環(huán)水進(jìn)口溫度的函數(shù)，以電負(fù)荷和實(shí)際負(fù)荷之差的最小值為目標(biāo)函數(shù)，建立系統(tǒng)的模型，利用線性最優(yōu)化方法對(duì)非線性問(wèn)題進(jìn)行求解。胡冰等[3]應(yīng)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行特性進(jìn)行了研究并對(duì)其特性進(jìn)行優(yōu)化。

1.3 供熱工況滑壓優(yōu)化方法研究現(xiàn)狀

對(duì)于抽汽供熱機(jī)組，目前機(jī)組普遍采用的滑壓運(yùn)行曲線，仍是在某一特定背壓和某一特定供熱抽汽量下，以電負(fù)荷作為自變量來(lái)確定機(jī)組的最優(yōu)主蒸汽壓力曲線，機(jī)組的主蒸汽壓力隨著機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化而變化。但是，影響機(jī)組電負(fù)荷的因素眾多，其中背壓和供熱抽汽量的影響尤為顯著。在主蒸汽流量一定的情況下，背壓的變化會(huì)使機(jī)組發(fā)電功率產(chǎn)生較顯著變化；供熱抽汽量的變化也將使機(jī)組的發(fā)電功率發(fā)生顯著變化。在背壓和供熱抽汽量發(fā)生變化時(shí)，仍以原滑壓運(yùn)行曲線查取最優(yōu)主蒸汽壓力是不適合的。

機(jī)組工作在供熱工況和非供熱工況時(shí)，機(jī)組和回?zé)峒訜崞鞯淖児r特性將會(huì)存在較大差異，主要體現(xiàn)如下：兩種工作模式下供熱抽汽點(diǎn)壓力具有較大差異，使供熱抽汽點(diǎn)附近的機(jī)組效率在機(jī)組變工況時(shí)將會(huì)存在較大差異；在兩種工作模式下，由于供熱抽汽的影響，供熱抽汽點(diǎn)后的各回?zé)岢槠c(diǎn)的抽汽量以及各回?zé)峒訜崞鞯墓ぷ鳡顩r也會(huì)存在較大差異；當(dāng)供熱抽汽量發(fā)生變化時(shí)，供熱抽汽點(diǎn)后的各回?zé)岢槠c(diǎn)的抽汽量以及各回?zé)峒訜崞鞯墓ぷ鳡顩r也會(huì)存在較大差異。因此，當(dāng)以機(jī)組負(fù)荷作為自變量確定滑壓曲線時(shí)，對(duì)于抽汽機(jī)組必須考慮背壓和抽汽量?jī)蓚€(gè)因素的影響，即最優(yōu)主蒸汽壓力=F(負(fù)荷，背壓，抽汽量)。此時(shí)，滑壓曲線圖已為三維圖，比非抽汽機(jī)組更為復(fù)雜，如果仍按目前的方法來(lái)確定最優(yōu)滑壓值則必然不可靠。

對(duì)供熱機(jī)組而言，純凝工況的滑壓運(yùn)行曲線在供熱工況會(huì)偏離最優(yōu)主蒸汽壓力運(yùn)行工況，經(jīng)濟(jì)性會(huì)大幅下降。在某些負(fù)荷點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)抽汽量不能滿足供熱需求。針對(duì)以上問(wèn)題，萬(wàn)杰等[4、5]提出了一種以供熱抽汽量作為修正參數(shù)的機(jī)組供熱工況下滑壓運(yùn)行曲線優(yōu)化方法，該方法與純凝工況滑壓優(yōu)化試驗(yàn)方法基本相同，不同點(diǎn)在于該方法是在固定抽汽量的基礎(chǔ)上進(jìn)行。通過(guò)試驗(yàn)可得到不同抽汽量工況下的“電負(fù)荷—主蒸汽壓力”滑壓曲線，如圖1所示。

圖1 不同抽汽工況下滑壓曲線示意圖

由于常規(guī)滑壓優(yōu)化試驗(yàn)是在某一特定抽汽量（可以為0）及某一背壓的情況下確定機(jī)組的主蒸汽壓力，針對(duì)不同背壓和不同抽汽量，機(jī)組滑壓曲線會(huì)發(fā)生很大變化，Kashiwahara 等[6]提出了影響因子修正法。該方法是在常規(guī)滑壓優(yōu)化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引入了凝汽器壓力修正因子和供熱抽汽量修正因子對(duì)最優(yōu)主蒸汽壓力進(jìn)行修正。

從現(xiàn)有研究可見(jiàn)，對(duì)于供熱機(jī)組滑壓優(yōu)化，基本是在現(xiàn)有滑壓曲線基礎(chǔ)上，引入修正因子或修正系數(shù)進(jìn)行修改，然后用于供熱工況下的運(yùn)行。以上方法是以抽汽量和電負(fù)荷為自變量進(jìn)行滑壓曲線選擇的，因此該方法適用于供熱抽汽量相對(duì)穩(wěn)定的機(jī)組。當(dāng)實(shí)際工況的背壓值、抽汽量偏離這一背壓值和抽汽量時(shí)，該滑壓值已非最優(yōu)。為了找到每個(gè)工況的最優(yōu)滑壓值，需要對(duì)供熱工況滑壓優(yōu)化策略開(kāi)展相應(yīng)研究，以適應(yīng)供熱機(jī)組運(yùn)行狀況。

2 供熱工況滑壓優(yōu)化方法策略分析

目前普遍采取的以機(jī)組負(fù)荷作為自變量來(lái)確定機(jī)組主蒸汽壓力的滑壓設(shè)定值的方法是不合理的。本文針對(duì)影響機(jī)組滑壓運(yùn)行的主要因素逐一進(jìn)行分析。

2.1 給水泵功耗分析

給水泵功耗與主蒸汽流量、主蒸汽壓力、給水泵前壓力、給水比體積和給水泵效率有關(guān)。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，給水泵前壓力、比體積和給水泵效率近似認(rèn)為不變，故給水泵功耗由主蒸汽流量和主蒸汽壓力決定。因此，給水泵功耗的決定因素為主蒸汽流量和主蒸汽壓力。在主蒸汽流量一定時(shí)，機(jī)組給水泵耗功由主蒸汽壓力決定。

2.2 給水吸熱量分析

給水在鍋爐中的吸熱量與主蒸汽流量、主蒸汽壓力、主蒸汽溫度和給水溫度有關(guān)。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，由于給水溫度和主蒸汽溫度近似不變，所以給水在鍋爐中的吸熱量由主蒸汽流量和主蒸汽壓力決定。因此，給水在鍋爐中吸熱量的決定因素為主蒸汽流量和主蒸汽壓力。在主蒸汽流量一定時(shí)，機(jī)組給水吸熱量由主蒸汽壓力決定。

2.3 高壓缸效率分析

當(dāng)主蒸汽流量一定時(shí)，調(diào)節(jié)級(jí)前壓力一定，由弗留蓋爾公式可知，高壓缸排汽壓力也為定值。在調(diào)節(jié)級(jí)后壓力一定的情況下，高壓缸的理想焓降由主蒸汽溫度和主蒸汽壓力決定。但是，在機(jī)組正常運(yùn)行中，主蒸汽溫度基本保持不變，故主蒸汽流量一定時(shí)，高壓缸的理想焓降只是主蒸汽壓力的函數(shù)。

由于主蒸汽自高調(diào)門至調(diào)節(jié)級(jí)前這一節(jié)流過(guò)程為等焓過(guò)程，調(diào)節(jié)級(jí)前蒸汽焓值等同于主蒸汽焓值，而主蒸汽焓值僅為主蒸汽壓力的單值函數(shù)，當(dāng)主蒸汽流量不變時(shí)，高壓缸的實(shí)際焓降僅由主蒸汽壓力決定。

在主蒸汽流量不變的條件下，高壓缸相對(duì)內(nèi)效率與主蒸汽壓力有關(guān)。高壓缸的相對(duì)內(nèi)效率由主蒸汽流量和主蒸汽壓力決定，高壓缸的相對(duì)內(nèi)效率只是主蒸汽流量和主蒸汽壓力的函數(shù)。因此，機(jī)組高壓缸相對(duì)內(nèi)效率的決定因素為主蒸汽流量和主蒸汽壓力。在主蒸汽流量一定時(shí)，機(jī)組高壓缸相對(duì)內(nèi)效率由主蒸汽壓力決定。

2.4 再熱器吸熱量分析

高壓缸排汽壓力和高壓缸排汽焓值由主蒸汽流量和主蒸汽壓力決定。由于高壓缸排汽在再熱器中近似為等壓吸熱過(guò)程，再熱蒸汽壓力約等于高壓缸排汽壓力。機(jī)組正常運(yùn)行中，不同工況的再熱蒸汽溫度近似不變，由此說(shuō)明，熱再蒸汽焓僅由高壓缸排汽壓力決定，即：由主蒸汽流量和主蒸汽壓力決定。由此，蒸汽在再熱器中的吸熱量?jī)H由主蒸汽流量和主蒸汽壓力決定。在主蒸汽流量一定時(shí)，再熱器吸熱量?jī)H由主蒸汽壓力決定。

2.5 中低壓缸效率分析

根據(jù)以往研究[7]可知，中低壓缸的相對(duì)內(nèi)效率與主蒸汽流量、抽汽供暖量和背壓有關(guān)。在主蒸汽流量一定時(shí)，機(jī)組中低壓缸的相對(duì)內(nèi)效率由抽汽供熱量和背壓決定，與主蒸汽壓力無(wú)關(guān)。

綜上分析可知，在給水泵功耗、鍋爐吸熱量、高壓缸相對(duì)內(nèi)效率、再熱吸熱量等因素中，影響機(jī)組的決定因素為主蒸汽流量和主蒸汽壓力。在主蒸汽流量一定時(shí)，給水泵功耗、鍋爐吸熱量、高壓缸相對(duì)內(nèi)效率、再熱吸熱量由主蒸汽壓力決定，與供熱抽汽量和背壓無(wú)關(guān)。中低壓缸的相對(duì)內(nèi)效率的決定因素為蒸汽流量、供熱抽汽量和背壓。

在評(píng)價(jià)不同主蒸汽壓力對(duì)整個(gè)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響時(shí)，在整個(gè)熱力循環(huán)中，僅需比較給水泵功耗、鍋爐吸熱量、進(jìn)汽機(jī)構(gòu)節(jié)流損失、高壓缸的相對(duì)內(nèi)效率以及蒸汽在再熱器中的吸熱量即可。在主蒸汽流量一定時(shí)，以上各熱力過(guò)程僅為主蒸汽壓力的單值函數(shù)，與供熱抽汽量和背壓無(wú)關(guān)。因此，主蒸汽流量一定，無(wú)論供熱抽汽量和背壓發(fā)生如何變化，都能得到一個(gè)固定的最優(yōu)主蒸汽壓力，由此可見(jiàn)，最優(yōu)主蒸汽壓力值只是主蒸汽流量的單值函數(shù)，與供熱抽汽量和背壓無(wú)關(guān)。

從熱耗率計(jì)算角度分析，在主蒸汽流量一定時(shí)，高壓缸做功量為定值，蒸汽在鍋爐總吸熱量和蒸汽在再熱器吸熱量是主蒸汽壓力的單值函數(shù)。在給定一個(gè)抽汽量、背壓值時(shí)，抽汽供熱量和中、低壓缸做功量為定值，不受主蒸汽壓力的影響。因此，熱耗率僅為主蒸汽壓力的單值函數(shù)。最優(yōu)主蒸汽壓力的確定是在主蒸汽流量一定時(shí)，找出使熱耗率最小時(shí)的主蒸汽壓力值。

由此，可以采用以主蒸汽流量作為自變量，開(kāi)展機(jī)組滑壓優(yōu)化相關(guān)工作。目前已有部分供熱機(jī)組采用以主蒸汽流量作為自變量的滑壓曲線，但僅限于供熱工況。在純凝工況時(shí)，機(jī)組仍采取以電負(fù)荷為自變量的滑壓曲線。如此來(lái)回切換，額外增加了DCS邏輯設(shè)置的復(fù)雜程度。事實(shí)上，經(jīng)過(guò)上述分析，無(wú)論機(jī)組處于純凝工況或是供熱工況，均可采用以主蒸汽流量作為自變量的滑壓曲線，而且這一滑壓曲線受供熱量和背壓影響很小，方便機(jī)組DCS邏輯設(shè)置。

3 供熱機(jī)組滑壓優(yōu)化試驗(yàn)策略研究

由上述分析可知，以主蒸汽流量為自變量的滑壓運(yùn)行曲線的滑壓優(yōu)化試驗(yàn)與以往純凝工況下滑壓優(yōu)化試驗(yàn)略有不同。

在供熱工況下，由于機(jī)組帶有供熱抽汽流量，供熱工況時(shí)汽輪機(jī)熱耗率的計(jì)算方法與純凝工況有所不同，需扣除對(duì)外供熱量后進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式見(jiàn)式（1）所示。

式（1）中，HR 為熱耗率，kJ/kWh；Gms 為主蒸汽流量，kg/h；hms 為主蒸汽焓值，kJ/kg；Gfw 為主給水流量，kg/h；hfw 為主給水焓值，kJ/kg；Ghrh 為熱再蒸汽流量，kg/h；hhrh 為熱再蒸汽焓值，kJ/kg；Gcrh為冷再蒸汽流量，kg/h；hcrh為冷再蒸汽焓值，kJ/kg；Grw 為再熱器減溫水流量，kg/h；hrw 為再熱器減溫水焓值，kJ/kg；Gsw 為過(guò)熱器減溫水流量，kg/h；hsw 為過(guò)熱器減溫水焓值，kJ/kg；P 為發(fā)電機(jī)出口功率，MW；Pl為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁功率，MW。300 MW及以下機(jī)組可采用上述公式，600 MW 及以上超（超）臨界機(jī)組采用上述公式時(shí)，應(yīng)注意主給水流量已包含過(guò)熱器減溫水，無(wú)需再考慮過(guò)熱器減溫水流量。

試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 以主蒸汽流量為自變量的滑壓優(yōu)化試驗(yàn)流程圖

以某超超臨界抽汽供熱機(jī)組為例開(kāi)展滑壓優(yōu)化試驗(yàn)，按照上述試驗(yàn)流程，得到如圖3所示的滑壓優(yōu)化曲線。

圖3 滑壓優(yōu)化結(jié)果示意圖

通過(guò)試驗(yàn)與純凝工況相比較，相同電負(fù)荷條件下，供熱工況最優(yōu)主汽壓力高于純凝工況最優(yōu)主蒸汽壓力，隨著供熱量的增大，最優(yōu)主蒸汽壓力也隨之增大。由此說(shuō)明，如果供熱工況仍采用純凝工況滑壓曲線，經(jīng)濟(jì)性將會(huì)受到顯著影響。

值得注意的是，根據(jù)弗留格爾公式可知，主蒸汽流量與調(diào)節(jié)級(jí)后壓力成正相關(guān)比例，為避免因電廠主蒸汽流量不準(zhǔn)確影響優(yōu)化結(jié)果，可以采用以調(diào)節(jié)級(jí)后壓力作為自變量的滑壓曲線。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)純凝工況和供熱工況滑壓優(yōu)化之間的對(duì)比，分析了影響機(jī)組供熱工況下最優(yōu)主蒸汽壓力的因素。通過(guò)分析得知，無(wú)論純凝工況或是供熱工況，均可采用以主蒸汽流量為自變量開(kāi)展滑壓優(yōu)化工作的研究策略。此方式不受機(jī)組背壓及抽汽供熱量的影響，極大降低熱工邏輯設(shè)計(jì)和純凝供熱兩種模式切換的繁雜程度。通過(guò)分析，在供熱工況下采用以主蒸汽流量為自變量的滑壓曲線，與純凝工況滑壓曲線相比，顯著提高了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。