汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算方法

汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算方法包偉偉;高飛飛;劉彥寶;張少康;張宇【摘要】針對大型火電機(jī)組汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行的優(yōu)化問題，基于汽輪發(fā)電機(jī)組熱力系統(tǒng)的分析計(jì)算方法，介紹了一種獲得汽輪機(jī)最優(yōu)滑壓運(yùn)行曲線的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。采用此方法成功優(yōu)化了某600MW亞臨界汽輪機(jī)的滑壓運(yùn)行曲線，提高了機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，并提出了分段及切換滑壓的概念。%Fortheoptimizationofslidingpressureoperationofsteamturbineinlargecoal-firedgeneratingu-nits,thepaperintroducesadesigncalculationmethodtoobtainoptimumslidingpressureoperationcurveofsteamturbineonthebasisofanalysisandcalculationmethodforthermodynamicsystemofsteamturbinegen-eratingunits.Byuseofthemethod,slidingoperationcurveofa600MWsubcriticalsteamturbineissuc-cessfullyoptimizedtoimproveoperationeconomyoftheunits.Thepaperalsopresentsconceptsofsectional-izationandslidingpressureswitching.【期刊名稱】《浙江電力》【年(卷)，期】2016(000)002【總頁數(shù)】6頁(P40-44,59)【關(guān)鍵詞】汽輪機(jī);滑壓運(yùn)行;最優(yōu)滑壓運(yùn)行曲線;窮舉法;設(shè)計(jì)計(jì)算【作者】包偉偉;高飛飛;劉彥寶;張少康;張宇【作者單位】哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046;江南計(jì)算技術(shù)研究所，江蘇無錫214083;哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046;哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046；哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046【正文語種】中文【中圖分類】TK267大型火電機(jī)組汽輪機(jī)在部分負(fù)荷特別是低負(fù)荷采用定壓方式運(yùn)行時，不管是順序閥還是單閥，都需要通過關(guān)小調(diào)節(jié)閥開度來減少主汽量，以適應(yīng)負(fù)荷要求。此時，由于調(diào)節(jié)閥的節(jié)流作用，在主汽量減小的同時，閥后的壓力也隨之降低，因此閥門的節(jié)流壓損將迅速增加，調(diào)節(jié)級的效率（含閥門壓損）將顯著降低，如圖1所示。由于高壓調(diào)節(jié)閥前為尚未膨脹作功的最高品質(zhì)蒸汽，經(jīng)過這一節(jié)流作用，相當(dāng)于直接降低了機(jī)組熱力循環(huán)的初壓。由于循環(huán)初壓對蒸汽動力循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性有明顯影響，因此循環(huán)效率將大幅降低，機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性也將隨之變差，如圖2所示?，F(xiàn)代大型火電機(jī)組汽輪機(jī)在設(shè)計(jì)上，都允許在低負(fù)荷時采用滑壓運(yùn)行方式，用來解決定壓運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差的問題［1］。理論與實(shí)踐均證明，采用滑壓運(yùn)行可以有效提高機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時的經(jīng)濟(jì)性，但是由于滑壓運(yùn)行的負(fù)荷區(qū)間大、滑壓方式多，采用不同的滑壓方式，機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差別很大。如何得到機(jī)組最優(yōu)的滑壓運(yùn)行曲線以及最優(yōu)初壓，一直是行業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)問題［2］。鑒于我國大型火電機(jī)組年平均負(fù)荷率不高，機(jī)組常年在部分負(fù)荷運(yùn)行的現(xiàn)狀，對機(jī)組的滑壓運(yùn)行曲線進(jìn)行優(yōu)化，提高其在部分負(fù)荷運(yùn)行時的經(jīng)濟(jì)性，對于節(jié)能減排工作無疑將具有重要意義。本文以哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)制造的600MW亞臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、沖動、凝汽式汽輪機(jī)（型號為N600-16.67/538/538）為例，詳細(xì)論述其滑壓運(yùn)行曲線的優(yōu)化方法。滑壓運(yùn)行就是機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行時，維持機(jī)側(cè)較大的調(diào)節(jié)閥開度，通過爐側(cè)調(diào)節(jié)的方法，降低主汽壓力，利用主汽壓力與流量間的內(nèi)在聯(lián)系，從而達(dá)到降低主汽量以適應(yīng)負(fù)荷要求的目的。此時，汽輪機(jī)保持較大開度乃至全開的調(diào)節(jié)閥閥位，從而使得調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失較小甚至為零，調(diào)節(jié)級的效率相對較高。同時，由于主汽壓力降低，鍋爐給水壓力隨之降低，給水泵耗功相應(yīng)減少。綜上所述，滑壓運(yùn)行避開了定壓運(yùn)行的缺點(diǎn)，其在機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行時的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢非常明顯。該機(jī)組從90%負(fù)荷降低到75%負(fù)荷時，如果采用定壓順序閥運(yùn)行方式，主汽量需降到1306t/h，由圖1、圖2可以看出，此時，調(diào)節(jié)級效率為44.4%，調(diào)節(jié)閥節(jié)流壓損為21.6%，機(jī)組熱耗為8146kJ/kWh，絕對電效率為44.2%。如果采用三閥點(diǎn)滑壓方式運(yùn)行，則主汽量降到1294t/h，主汽壓力降到11.6MPa，此時由于三閥全開，調(diào)節(jié)級效率可達(dá)81.2%，機(jī)組熱耗為8107kJ/kWh，比定壓運(yùn)行低約39kJ/kWh。雖然主汽壓力降低同樣會導(dǎo)致機(jī)組熱耗升高，但是只要主汽壓力降低對熱耗的影響小于調(diào)節(jié)級效率的提高、給水泵耗功的減少等對熱耗的增益時，滑壓運(yùn)行就更具經(jīng)濟(jì)性［3］。該機(jī)組在30%~90%的負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，采用定壓順序閥運(yùn)行與三閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性比較見圖3。由圖3可知，采用三閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行比定壓順序閥運(yùn)行熱耗偏低30kJ/kWh以上，有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。大型火電機(jī)組的滑壓方式，一般有以下4種［4］:調(diào)節(jié)閥全開方式，即全開閥滑壓，也叫純滑壓；某幾個調(diào)節(jié)閥全開方式，即閥點(diǎn)滑壓；調(diào)節(jié)閥按順序閥部分開啟方式，即順序閥滑壓；調(diào)節(jié)閥按單閥部分開啟方式，即單閥滑壓。這4種滑壓方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，損失方面的比較如表1所示。由表1可知，對于某一負(fù)荷要求，存在多種滑壓方式。由于每種方式的損失分布不同，因此其經(jīng)濟(jì)性肯定是不一樣的。一般來說，調(diào)節(jié)閥開度較大的方式對應(yīng)的調(diào)節(jié)級效率較高，但是相應(yīng)的主汽壓力較低；開度較小的方式對應(yīng)的調(diào)節(jié)級效率較低，相應(yīng)的主汽壓力較高。因此，在所有可能的滑壓方式中，必然存在一種方式，其所對應(yīng)的機(jī)組經(jīng)濟(jì)性是最好的，這個方式即為機(jī)組在給定負(fù)荷下的最優(yōu)滑壓方式。該汽輪機(jī)在55%負(fù)荷時，采用不同開度的順序閥部分開啟滑壓方式的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性曲線如圖4所示。由圖4可以得出，在該負(fù)荷下，采用調(diào)節(jié)閥開度為S25（S表示順序部分開啟閥，25表示閥桿升程，間接表示閥門開度）的滑壓方式經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。由此可見，在給定負(fù)荷下，采用最優(yōu)滑壓方式的經(jīng)濟(jì)性收益是非常明顯的?；瑝哼\(yùn)行設(shè)計(jì)的常見問題是已知機(jī)組負(fù)荷，如何確定汽輪機(jī)滑壓的方式及壓力。由汽輪機(jī)的熱力計(jì)算可知，在一定負(fù)荷下，滑壓的方式與壓力并不獨(dú)立，而是耦合在一起的。因此，在滑壓方式確定以后，滑壓的壓力即運(yùn)行主蒸汽初壓也就確定了。給定機(jī)組的負(fù)荷P，由熱力系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算可估計(jì)機(jī)組的主蒸汽量G0，這可由下式表示：根據(jù)上述計(jì)算得到的主蒸汽量G0以及選定的滑壓方式CV，可通過汽輪機(jī)的配汽計(jì)算得到滑壓壓力p0:反過來，如果已知滑壓壓力p0，還可用另一種方式計(jì)算主蒸汽量G0:式中：pj和Tj分別為主蒸汽壓力、溫度的額定值，對于該機(jī)組取16.67MPa以及538°C;Gj為調(diào)節(jié)閥在給定的閥位下，閥前參數(shù)為額定值時的進(jìn)汽量。這3個數(shù)均為調(diào)節(jié)閥基準(zhǔn)工況的熱力數(shù)據(jù)。最后，根據(jù)選擇的滑壓方式CV，可通過調(diào)節(jié)級的變工況計(jì)算得到調(diào)節(jié)級的效率冬：這就是滑壓壓力計(jì)算的3個關(guān)鍵步驟。其中式（1）和式（4）所表達(dá)的函數(shù)關(guān)系非常復(fù)雜，難以寫出具體的解析表達(dá)式，計(jì)算都由特定的計(jì)算程序來完成。通過對上述3個步驟的反復(fù)迭代，即可完全確定滑壓的壓力。具體的迭代計(jì)算流程為：給定1個滑壓壓力的初值p0；配汽計(jì)算f2得到汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的進(jìn)汽量G0；計(jì)算汽輪機(jī)及熱力系統(tǒng)的變工況fl得到相應(yīng)負(fù)荷所需要的主汽量G1;如果這2個流量在允許的誤差范圍以內(nèi)，則所假定的主汽壓力p0即為給定負(fù)荷及滑壓方式對應(yīng)的滑壓壓力，否則，就需根據(jù)具體條件對初值進(jìn)行修改，重新進(jìn)行計(jì)算，直到滿足條件為止，計(jì)算流程如圖5所示。通過上述方法，雖然能確定滑壓壓力，但是由于通過迭代求解，需要耗費(fèi)大量時間。比較便捷的處理方法是：給定1組主汽壓力p0=[p01，p02，…，p0n]；分別通過配汽計(jì)算f2以及變工況計(jì)算f1，得到該組壓力對應(yīng)的汽輪機(jī)進(jìn)汽量G0以及相應(yīng)的機(jī)組負(fù)荷P；對給定的負(fù)荷P插值即可得到對應(yīng)的滑壓壓力p0。采用這種方法計(jì)算時，不必再進(jìn)行迭代，可以大大提高計(jì)算效率。綜上所述，機(jī)組在滑壓運(yùn)行時，對于一定的負(fù)荷，有一個相應(yīng)的滑壓壓力與之對應(yīng)。因此，對于整個滑壓運(yùn)行區(qū)間上的負(fù)荷點(diǎn)，就有一系列的壓力點(diǎn)與之對應(yīng)。機(jī)組在給定負(fù)荷區(qū)間上采用某一滑壓方式所對應(yīng)的滑壓壓力的集合即為在該滑壓方式下的滑壓運(yùn)行曲線。采用上述方法，對該機(jī)組在40%-90%負(fù)荷區(qū)間內(nèi)采用三閥點(diǎn)滑壓方式的滑壓壓力進(jìn)行計(jì)算，如圖6所示。由圖6可知，采用三閥點(diǎn)滑壓時，75%負(fù)荷時滑壓壓力為11.6MPa,40%負(fù)荷時滑壓壓力為6.2MPa。在這一負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，滑壓運(yùn)行曲線近似為直線，滑壓壓力線性降落。這是因?yàn)椋河墒剑?）可知，在一定的滑壓方式下，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的進(jìn)汽量與閥前壓力成正比，同時，汽輪機(jī)的功率又與進(jìn)汽量成正比，因此滑壓壓力與機(jī)組負(fù)荷成正比，滑壓運(yùn)行曲線近似為直線?；瑝哼\(yùn)行時，主汽溫度T0—般可維持不變，同時，閥門的基準(zhǔn)工況數(shù)據(jù)Gj,Tj和pj也保持不變。對式（3）求導(dǎo)，則有：顯然，上式右端是一個常數(shù)。這進(jìn)一步說明了滑壓運(yùn)行時，滑壓壓力與流量成線性關(guān)系，滑壓運(yùn)行曲線是一條直線。由式（5）可知，滑壓方式不同，其所對應(yīng)的滑壓運(yùn)行曲線的斜率不同。調(diào)節(jié)閥開度較大、閥門基準(zhǔn)工況流量大的滑壓方式，滑壓運(yùn)行曲線的斜率??；反之則大。如第2節(jié)所述，最優(yōu)滑壓方式是相對于負(fù)荷而言的，對于不同的負(fù)荷，最優(yōu)滑壓方式未必相同。機(jī)組在給定負(fù)荷區(qū)間上所有最優(yōu)滑壓方式所對應(yīng)的初壓的集合即為該機(jī)組的最優(yōu)滑壓運(yùn)行曲線。由于滑壓運(yùn)行的負(fù)荷區(qū)間大、滑壓方式多，確定機(jī)組在給定負(fù)荷區(qū)間上最優(yōu)滑壓運(yùn)行曲線的一種直接的處理方法就是窮舉。以窮舉法確定最優(yōu)滑壓運(yùn)行曲線，首先將滑壓運(yùn)行的負(fù)荷區(qū)間比較密集的劃分為一系列負(fù)荷點(diǎn)，然后分別計(jì)算每個負(fù)荷點(diǎn)上各個滑壓方式的機(jī)組熱耗，再對相同負(fù)荷下各個滑壓方式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，即可很直觀地得到該負(fù)荷對應(yīng)的最優(yōu)滑壓方式，最后將各個負(fù)荷點(diǎn)的滑壓方式所對應(yīng)的初壓連接起來，即為最優(yōu)滑壓運(yùn)行曲線。但是以這個方法確定最優(yōu)滑壓運(yùn)行曲線，需要進(jìn)行大量的計(jì)算。對于該機(jī)組，將滑壓運(yùn)行負(fù)荷區(qū)間比較密集的劃分為13個負(fù)荷點(diǎn)（30%~90%,每間隔5%為1個點(diǎn)），對每個負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行13種滑壓方式（三閥點(diǎn)、四閥點(diǎn)以及12種不同開度的順序部分開啟閥）的計(jì)算，得到機(jī)組滑壓運(yùn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的窮舉表。通過對比每個負(fù)荷點(diǎn)上不同滑壓方式的經(jīng)濟(jì)性，即可得到各負(fù)荷下的最優(yōu)滑壓方式及相應(yīng)的滑壓壓力。這13種滑壓方式的基準(zhǔn)工況數(shù)據(jù)見表2，對應(yīng)的熱耗計(jì)算結(jié)果見表3。由表3可知，在50%~90%負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，三閥點(diǎn)滑壓具有最好的經(jīng)濟(jì)性，其次是S25滑壓；在40%~50%負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，S20滑壓具有最好的經(jīng)濟(jì)性；在30%~40%負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，S15滑壓具有最好的經(jīng)濟(jì)性。圖7給出了用窮舉法優(yōu)化得到的滑壓運(yùn)行曲線。由上所述，該機(jī)組在50%負(fù)荷以下時，采用順序閥部分開啟滑壓方式S20以及S15的經(jīng)濟(jì)性要好于三閥點(diǎn)滑壓。雖然順序閥部分開啟滑壓方式存在節(jié)流損失，但在低負(fù)荷時，由于其通流面積小，相同負(fù)荷所需要的滑壓壓力高，此時主汽壓力升高對機(jī)組熱力循環(huán)絕對電效率的增益相對較大；同時，S20滑壓方式的調(diào)節(jié)閥閥位正好處于下一組閥門將開未開時，閥門的節(jié)流損失相對較??；因此，這種方式相對于閥點(diǎn)滑壓方式的經(jīng)濟(jì)性要好。綜上分析，按窮舉法優(yōu)化后的滑壓運(yùn)行曲線主要分為3段，分別采用3種不同的滑壓方式，并在50%以及40%負(fù)荷點(diǎn)時進(jìn)行切換，使機(jī)組在整個滑壓運(yùn)行負(fù)荷區(qū)間始終保持最好的經(jīng)濟(jì)性。該機(jī)組采用優(yōu)化后的滑壓運(yùn)行曲線與原設(shè)計(jì)曲線的經(jīng)濟(jì)性對比如圖8所示。由圖8可知，在30%~90%負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，優(yōu)化后的滑壓運(yùn)行曲線比原設(shè)計(jì)曲線的機(jī)組熱耗降低約20~35kJ/kWh，高負(fù)荷區(qū)間降低較少，低負(fù)荷區(qū)間降低較多，這主要是由在不同負(fù)荷區(qū)間2條滑壓曲線的差別程度不同而造成的。由于滑壓運(yùn)行的收益主要集中在部分負(fù)荷區(qū)間，其綜合收益可按文獻(xiàn)［5］所述的加權(quán)方法計(jì)算，如表4所示。由表4可知，采用優(yōu)化后的滑壓運(yùn)行曲線可使機(jī)組的加權(quán)熱耗降低約18kJ/kWh。按鍋爐效率93%、管道效率99%計(jì)算，可使發(fā)電標(biāo)煤耗降低約0.67g/kWh。按年利用5500h、標(biāo)煤800元/t計(jì)算，每年可節(jié)約標(biāo)煤2201t，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益176萬元，經(jīng)濟(jì)性效果比較顯著。針對大型火電汽輪機(jī)的滑壓運(yùn)行問題，從滑壓運(yùn)行設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，提出了采用窮舉法確定最優(yōu)滑壓運(yùn)行曲線的計(jì)算方法。運(yùn)用該方法，對某600MW亞臨界機(jī)組的滑壓運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化，得到了該機(jī)組的最優(yōu)滑壓運(yùn)行曲線，通過與原滑壓運(yùn)行曲線對比得出，新曲線具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。提出了分段滑壓及切換滑壓的概念。由于一種滑壓方式的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢不能涵蓋整個滑壓運(yùn)行區(qū)間，因此通過分段