1000MW超超临界机组先进技术

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。
• 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， 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。
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6×350MW机组、 山东日照电厂2×350MW机组、福州电厂2×350MW机组、河北邯 蜂电厂2×660MW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
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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。
• 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。
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机组滑压运行的优势
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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。
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采用全周滑压+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。
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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。
• 1）两种运行方式下汽轮机的
相对内效率ηri 相对内效率ηri比较如图所
示，定压运行时相对内效率 随负荷降低而显著下降；滑 压运行时相对内效率与负荷 基本无关，不会随负荷减少 而降低。这是因为滑压运行 时全周进汽节流损失小、蒸 汽容积流量基本不变，漏汽 损失小、末级湿度减小等。
• 2）低负荷下的循环热效率ηt一般情况机组的滑压运 循环热效率ηt 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ηi=ηtηri，只 毛绝对内效率ηi=ηtηri 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运行喷嘴调节汽轮 机为高。
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。
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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。
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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。
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全周进汽因不存在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。
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• 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%。
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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Δq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18MPa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。
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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%，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。