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1、1000MW超超临界机组先进技术汽轮机运行方式优化,山西电力科学研究院段秋刚 2009年3月15日,目录,1、前言 2、滑压运行的优势 3、全周进汽汽轮机概述 4、全周进汽运行模式 5、过载补汽技术 6、凝结水节流技术 7、机组运行现状 8、机组运行方式优化 9、结论,前言,以汽轮发电机组为核心的大型发电厂是能源转换的重要方式，又是消耗一次能源的大户。汽轮发电机组在能量转换过程中，由于存在着各种能量损失，影响机组热经济性的因素很多，归纳为：主要设备的内在性能和机组运行管理水平。就电厂而言如何提高发电机组的经济性，关键在于优化机组的运行方式，减小机组运行的节流损失，有效提高机组的运行参数。,机组
2、滑压运行的优势,纯滑压运行的汽轮机，由于没有低效率的调节级，不仅在额定负荷时，可较定压运行热经济性提高0.4%左右，而且在低负荷时，也较定压运行的经济性为高。单元机组的热经济性，可以近似输出净功率的循环实际效率（机组的绝对内效率）来表示，它决定于汽轮机的相对内效率、循环的热效率和给水泵的耗功。,2）低负荷下的循环热效率t一般情况机组的滑压运行都较定压运行为低。由于新蒸汽压力随负荷减小而降低，使循环热效率减小较多。根据水蒸汽的特性，设计工况时蒸汽参数愈低，它的下降也愈显著。 3）总的来说，机组的毛绝对内效率i=tri，只有在蒸汽初参数足够高和负荷较低时，滑压运行汽轮机的毛绝对内效率才有可能比定压
3、运行喷嘴调节汽轮机为高。,4）给水泵是单元机组能耗最大的辅机。其功率约占主机容量的2%-7%。因此降低给水泵的功率对发电的热耗和效率影响很大。单元机组滑压运行时，给水泵亦滑压运行，低负荷时它的压力流量都同时降低，因而耗功将明显下降。在50%负荷时，滑压运行给水泵的耗功仅为定压运行时的55%。,因此在低负荷时考虑了给水泵的耗功后，机组的热经济性（净绝对内效率）更有利于滑压运行。图2为一台滑压运行汽轮机，相对于定压运行喷嘴调节汽轮机的热经济性比较图。图中以净热耗率的相对值q来表示热经济性。由图上可以看出：蒸汽初参数低于12.5MPa的采用滑压运行，除额定负荷附近，并没有经济性的好处；蒸汽初参数为1
4、8MPa的滑压运行汽轮机，也只有50%以下负荷时，才比定压运行时热耗率低；25MPa初参数的汽轮机，则在整个负荷变化范围内比定压运行喷嘴调节汽轮机的热耗率低。,全周进汽汽轮机概述,近几年投产的1000MW超超临界机组大部分采用德国SIEMENS的技术，无调节级，采用全周进汽，并采用了过载补汽阀，利用过载补汽技术减小机组在额定工况及以下运行的节流损失，提高机组的经济性。阳城国际发电有限责任公司6350MW机组、山东日照电厂2350MW机组、福州电厂2350MW机组、河北邯蜂电厂2660MW机组均为德国SIEMENS公司生产的KN系列亚临界反动式单轴、双缸、两排汽、一次中间再热凝汽式汽轮机，该系列
5、汽轮机的结构和调节配汽方式与目前较为先进的1000MW超超临界机组的类似。借鉴1000MW超超临界机组先进的控制理念和方法，提高该系列全周进汽亚临界机组经济性大有研究空间和挖掘潜力。,全周进汽运行模式,对全周进汽的结构形式，机组无调节级，第一级叶片与其它级一样，其进汽压力及焓降均与流量成正比，机组运行模式为“定-滑压”的单阀控制模式，只能通过节流或滑压降低进汽压力的方式调节汽轮机的进汽量及功率。这种设计的高压第一级叶片不存在部分进汽引起的冲击载荷，叶片应力与机组的负荷同步变化，使该级叶片在任何工况均处在温度虽高，但应力水平却较低的安全状态，彻底解决了高压第一级叶片的强度问题。 全周进汽因不存在
6、喷嘴配汽方式下的高温叶片强度极限、汽隙激振等问题，因此是1000MW级超超临界参数机组宜采用的最合适、最安全、最可靠的配汽方式。,在1000MW超超临界汽轮机中，全周进汽模式的技术优势在于： 1）由于无强度不足的限制，因此即使功率增加到1000MW等级，仍可单流程叶片级，与双流程相比，额定工况高压缸的效率至少提高约3%。 2）全周进汽无任何附加汽隙激振，提高了机组轴系的稳定性。 3）高压一级叶片的焓降仅为喷嘴调节部分进汽滑压的1/5，最大载荷仅1/4左右，彻底解决了第一级叶片的安全性问题。高压叶片不再约束机组参数的提高和功率的增大。高压缸设计压力可达到30MPa，单流程功率可达到1200MW等
7、级。 4）对超临界参数热力循环，部分负荷经济性高，例如：对于50%负荷滑压运行的热耗比额定工况提高4.6%，而喷嘴调节的热耗则增加5.9%-7%。,相反，喷嘴调节非全周进汽的结构形式，第一级（调节级）叶片在低负荷、最小部分进汽时应力远大于额定负荷工况，加上部分进汽的冲击载荷等因素，该级叶片的动强度设计成为整个机组安全性的关键环节之一。对于超超临界参数机组，该结构形式显示出明显的不足： 1）蒸汽流量及压力的载荷远远超过以往的强度极限工况，为保证安全性，不得不采用双流调节级。而双流和超临界压力两个因素的迭加，高压叶片的端损大幅增加，效率明显下降。同时，基于喷嘴调节的机理，即使采用双流程，调节级叶片
8、仍处在工作温度最高、应力最大的强度极限条件下。 2）喷嘴调节部分进汽在超超临界参数下更容易形成汽隙激振，不利于机组部分负荷下的安全运行。 3）超临界参数下热力循环滑压运行效率已高于定压喷嘴调节，采用喷嘴调节提高效率的优势已不明显。,过载补汽技术,过载补汽技术是SIEMENS公司在1000MW超超临界机组上采用的一项独特技术，是从某一工况开始从主汽阀后，调节阀前引出一股蒸汽（约0%-10%），经过载补汽阀节流后低参数进入高压缸某级叶片后室，与新蒸气混合后在以后各级继续膨胀做功。当汽轮机的进汽量大于额定流量的情况下，可采用过载补汽技术。,针对无调节级，全周进汽，滑压运行的机组，采用补汽技术有两个目
9、的：1）使滑压运行的机组在额定流量下，进汽压力达到额定值，即机组在额定工况及以下运行无节流损失；2）使机组在实际运行时，不必通过主汽调节阀的节流就具备调频功能，可避免节流损失，而且调频响应速度快，可减小锅炉压力波动。 过载补汽阀只在额定负荷以上的运行区域及需要调频时开启，大部分时间备而不用。补汽技术提高了汽轮机的过载、调频能力，进一步提高了全周进汽轮机型的安全可靠性、经济性和运行灵活性。按照IEC规定，当额定流量为最大流量的95%时，补汽技术的得益使额定负荷的热耗降低20KJ/(kWh)以上。由于过载补汽技术能够提高大电网的稳定性和调频能力，欧盟电网将过载补汽技术作为推荐采用的技术之一。,采用
10、全周滑压+过载补汽调节的运行方式，虽然在额定负荷及以下稳定运行时经济性较高，但当机组参与调频运行或过负荷运行时，由于过载补汽阀的开启，机组的热耗明显增加，约增加40KJ/(kWh)以上，经济性将随着补汽量的增加而下降，在VWO工况机组的效率将下降2%左右。 而目前我国电力行业的格局仍以火力发电为主，而且用电的峰谷差日益增大，火电机组参与调峰、调频更加频繁，这就使的采用全周滑压+过载补汽调节方式运行的机组过载补汽阀会频繁开启，从而降低机组运行的经济性。,基于凝结水节流的新型协调控制系统,基于凝结水节流的新型节能型的协调控制系统，主要是解决变负荷初期的负荷响应速度，能够改善由于锅炉侧的滞后而产生的
11、的负荷响应的延时。提高机组的调峰、调频能力。在国外已开始逐步推广应用，在国内还属于尝试阶段，目前只有个别1000MW超超临界机组在尝试采用。 凝结水节流技术的变负荷过程为：加负荷时，减小凝结水流量，使进入低加的抽汽量减少，机组发电功率增加。此时除氧器水位下降，凝汽器水位上升；减负荷时，增加凝结水流量，使进入低加的抽汽量增加，机组发电功率减少，此时除氧器水位上升，凝汽器水位下降。,通过凝结水节流的对象特性试验 ，当快速改变30%左右的凝结水流量，机组负荷在30秒左右变化1.5%，且能维持一段时间，这说明凝结水节流对负荷的快速响应是有效的。,机组采用全周滑压运行方式，又要避免由于过载补汽阀的开启，
12、显然提高了机组运行的经济性，但机组却失去了快速调峰、调频能力。而基于凝结水节流的新型节能型的协调控制系统恰恰能够解决负荷响应的快速性。 因此，机组采用全周滑压运行方式和基于凝结水节流的新型节能型的协调控制系统是提高机组运行经济性的有效组合。,同类型亚临界机组运行现状,该系列全周进汽亚临界机组目前以SIEMENS公司推荐的改进的滑压运行方式之一为基础。 SIEMENS公司推荐的改进的滑压运行方式是在0-50%和90%（95%）-100%工况范围内为定压运行，在50%-90%（95%）工况范围内为滑压运行，改进的滑压运行方式为两种情况：第一种情况是具有恒定的节流调节量10%，滑压范围为50%-90
13、%，实际滑压与自然滑压的比值为1.1，即Pact=1.1Pnat；第二种情况是实际滑压和自然滑压有5%的平移，即Pact=Pnat+5%，滑压范围为50%-95%，具有5%的节流调节量。,该系列全周进汽亚临界机组的实际运行方式是以第二种改进的滑压运行方式为基础，即实际滑压和自然滑压有10%的平移，即Pact=Pnat+10%，滑压范围为50%-90%，具有10%的节流调节量。 可见目前机组的实际运行方式所产生的节流损失远大于SIEMENS公司推荐的任何一种改进的滑压运行方式。,亚临界机组运行方式优化,过载补汽技术和凝结水节流技术，都是为了提高采用全周滑压运行方式机组的调频、调峰能力，而只有超临
14、界机组采用全周滑压运行方式具有好的经济性。对于亚临界机组，从机组的经济性、稳定性和安全性等方面综合考虑采用定-滑-定的运行方式更为合适，通过修正机组的初压曲线使机组达到最佳运行状态更具有实质性意义。,1）采用SIEMENS公司推荐的改进的滑压运行方式，即在机组现有运行方式的基础上，采用实际滑压和自然滑压有5%的平移，即Pact=Pnat+5%，滑压范围为40%-95%，具有5%的节流调节量。降低机组的节流损失5%，提高了机组运行的经济性。,2）根据机组的汽耗率修正机组的滑压比例，始终保证汽轮机的进汽量与机组的滑压曲线相匹配，始终保证高压调汽门运行在最佳的工作点，既保证机组运行较小的节流损失，又
15、避免高压调汽门频繁波动，影响抗燃油系统的稳定。即： Pact=(D%/N%)(Pnat+5%),3）对于采用喷嘴节流调节的机组，运行方式的优化同样可以借鉴，即采用顺序阀运行，保证机组在滑压运行区间无节流损失，在定压运行区间只有一只阀在节流调节，并通过汽耗率修正机组运行的压力曲线，始终保证汽轮机的进汽量与机组的滑压曲线相匹配，始终保证高压调汽门运行在最佳的工作点。,结论,机组运行方式优化，目的是减小机组运行的节流损失，提高机组运行的经济性，使机组的效率达到最佳，同时使机组的运行更加安全稳定，降低相关设备的故障率。同样对于采用喷嘴节流调节的其它机组，采用顺序阀运行时，根据机组的汽耗率修正机组的运行曲线，特别是针对空冷机组，具有更加特殊的意义。,谢谢！,
