大功率汽轮机喷嘴组改造对最优运行压力影响

邹学明　焦明勇　杨有民　卢布　刘宪民　万杰

摘 要：目前，为了提高机组变工况下的调节级效率，许多汽轮机进行了喷嘴组优化改造，机组容量范围从200 MW到660 MW、参数从超高压到超临界。该文以典型600 MW机组为例，针对大功率汽轮机嘴组改造对机组最优运行压力影响进行实验研究，结果发现喷嘴组改造后虽然机组的调节效率提高了，但是机组的整体运行热耗率却不是最低的，即喷嘴组改造后还需同时将机组的滑压运行曲线进行重新测试修正。同时，还设计了能够克服机组背压变化的滑压曲线，切实提高机组的运行效率。

关键词：大功率 汽轮机 喷嘴组改造 最优运行压力 滑压实验

中图分类号：TK26 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（c）-0005-03

目前，中国新能源电力的规模化发展必然主要依赖于火电机组的快速深度调峰[1]，调峰机组容量范围从200 MW到660 MW、参数从超高压到超临界。此外，随着电力峰谷差越来越大，不仅许多大功率纯凝火电机组参与调峰[2]，而且许多熱电联产机组也势必参与电力调峰[3]。由于机组进行深度的变工况运行，汽轮机偏离设计工况、机组经济性下降。因此，为了提高电厂的经济效益，必须采用滑压运行方式。与定压运行相比，滑压运行具有多种优点。以300 MW级别的机组，通过滑压运行较定压运行方式可降低发电煤耗2 g/kW·h左右[4-5]。当前的滑压运行方法都是将机组负荷作为自变量来确定机组的主蒸汽压力，并根据机组的现场实际运行数据对理论滑压曲线进行优化修正，确定出负荷与滑压值之间的最优对应关系[6-7]。一般通过实验比较法来获取机组最优运行主蒸汽压力，国内外大部分电厂都采用这种方法对滑压曲线进行确定，但是对实验仪器的精度和实验过程的要求比较高[8]。在缺乏高精度实验条件的情况下，也可采用耗差分析法[9]，即提取对机组滑压运行性能有关键影响的运行参数，分别计算这些参数对机组热耗率影响的分项耗差，汇总得到耗差总和，并以耗差总和最小为机组不同滑压寻优评判的依据。此外，还可运用现代计算机技术建立优化模型来确定最优运行主蒸汽压力[10]。然而，机组最优运行主蒸汽压力受多种因素，实际机组在运行时往往会因多种因素而偏离最优工况点。文献[11]指出：汽轮机喷嘴组优化改造技术，可以将额定工况下的调节级效率提高了约15%～20%，节能效果显著。

该文针对大功率汽轮机嘴组改造对机组最优运行压力影响进行研究，以600 MW机组为研究案例，实验结果发现喷嘴组改造后虽然机组的调节效率提高了，但是机组的整体运行热耗率却不是最低的，即喷嘴组改造后还需同时将机组的滑压运行曲线进行重新测试修正。同时，还设计了能够克服机组背压变化的滑压曲线，切实提高机组的运行效率。

1 喷嘴组改造案例分析

1.1 案例机组概况

案例机组选取一台上海汽轮机有限公司生产制造的N600-16.7/538/538型亚临界、一次中间再热、三缸四排汽、双背压凝汽式汽轮机，额定功率为600 MW，额定蒸汽流量1 788.755 t/h，采用喷嘴调节方式，设有4个高压调节汽阀，调节阀分别由各自独立的油动机控制，每个调节汽阀对应28个喷嘴，共112个喷嘴，每组喷嘴设计通流面积为115.71 cm2。

1.2 机组改造的必要性分析

该汽轮机组于2014年6月进行B级检修，于2013年12月18日进行了机组修前的热力性能试验，热耗率与设计值相差5.7%。结合电厂热力系统设计以及热力系统循环的基本理论，现有的机组设计思想和特性与实际运行严重不符，汽轮机侧的设计制造问题较大，其中高压汽门和调节级的设计制造都存在明显问题。值得注意的是，现在运机组无论机组容量大小，在调节级在设计、加工制造存在普遍性的问题，通流面积过大，直接影响了汽轮机经济性，制造工艺水平的偏离，又使得这种本来就有偏差的设计理念反映到最终产品上后效率更差，这种多因素的偏离，违背了提高火电厂经济性相关理论中，尽可能提高初参数和减小工质能量各转变过程中节流损失的基本原则，是目前机组普遍经济性较差的最主要原因，因此，从理论上来说，对于喷嘴组部件的整体更换，进行定制式的设计以及制造是有利于机组运行经济性的。

此外，通过调研发现：喷嘴组优化改造后的电厂均取得了较好的经济性收益，热力性能试验结果表明，机组在安全运行的前提下，机组运行的经济性得到了较大提高。同时，改造后的喷嘴组运行情况良好，安全可靠性明显提高，大修揭缸后未发现部分原厂喷嘴组容易出现的固体粒子冲蚀导致的喷嘴组叶片破损等问题。因此，喷嘴组改造在保障机组安全性的前提下，对于提高机组经济性有很大作用。

1.3 存在的主要问题及对策分析

汽轮机喷嘴组存在喷嘴与动叶动静匹配较差、通流面积过大。喷嘴与动叶动静匹配较差，将导致静叶出口汽流不能以最佳方式进入动叶做功，增加流动阻力，降低流动效率；喷嘴组通流面积过大，将使汽轮机经常处于偏离设计点和经济工况较大的状态运行，降低了机组的经济性；调节级效率低于设计值，将导致汽轮机高压缸效率明显下降和机组热耗增加。通过对汽轮机喷嘴组进行整体更换，优化喷嘴组的结构、进行重新的整体设计，改善喷嘴组抗击固体颗粒冲蚀的能力，优化通流面积，改善调节级效率，使得机组整体发电煤耗明显降低。原则上，不改变机组原本的结构以及设计；不影响机组的运行安全性；汽轮机的喷嘴组通流面积适当缩小并合理设计，在额定主汽参数下喷嘴组可以通过的蒸汽流量将不小于锅炉设计的最大连续蒸发量；针对汽轮机的具体尺寸进行定制式设计。

2 改造对机组最优运行压力的影响

当机组负荷的降低，即主蒸汽流量减少时，如果阀门开度保持不变，进行滑压运行，调节级效率基本不变，而定压运行因为阀门开度减小，使节流损失增大，从而使调节级效率减小，使机组经济性下降。调节级的热力过程线如图1所示。而机组的最优运行压力不仅考虑机组的循环效率而且需要考虑调节效率，即节流损失的问题。因此，机组进行喷嘴改造后，会对机组的最优运行压力产生影响。

3 机组运行方式的进一步优化策略

进行每一负荷点的最优主蒸汽压力寻优试验，如表1所示；需要注意的是：在同一负荷点下的实验中，不仅需要尽可能维持抽汽量不变，而且还要尽可能保持冷凝器背压尽可能不变；此外，每一个汽压工况都要稳定1小时左右，这些对所获取的滑压运行曲线的精确程度影响非常重要。通过热耗率计算对比图2所示的原滑压运行曲线已经不适合机组的经济性运行；通过实验，得到了机组新的滑压运行曲线，如图3所示。实际热耗率计算结果显示，喷嘴改造直接导致滑压运行曲线发生偏移，低负荷运行区域影响机组热耗率50 kJ/kw·h左右。

4 结语

该文以600 MW机组为研究案例，对大功率汽轮机嘴组改造对机组最优运行压力影响进行实验研究，结果发现：

（1）喷嘴组改造后虽然机组的调节效率提高了，但是机组的整体运行热耗率却不是最低的；

（2）通过对实际机组的不同负荷点的压力进行寻优实验的结果表明，喷嘴组改造后还需同时将机组的滑压运行曲线进行重新测试修正。

因此，为了切实提高机组的运行效率，还设计了能够克服机组背压变化的滑压曲线。此外，通过对实际200 MW机组、300 MW机组以及600 MW超临界机组的调研发现：机组的本体优化改造对最优运行主蒸汽压力都会产生或多或少的影响，需要视具体情况对机组的滑压运行曲线进行调整，从而提高机组运行效率。

参考文献

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[3] 万杰，张宏学，邹铁军，等.汽轮机高调门硬件问题引发的负荷突变故障及其诊断测试方法[J].汽轮机技术，2015（4）：241-245.

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[6] 王利军，高登攀，朱蓬勃.通过试验方法确定汽轮机组滑压

运行的最优参数[J].内蒙古电力技术，2011，29（001）：53-55.

[7] 万杰，许天宁，李泽，等.热电联产机组抽汽供热期的汽轮机滑压运行优化方法[J].节能技术，2015，33（1）：33-37.

[8] 王晓龙.大型汽輪机组滑压运行参数优化及试验研究[D].北京：华北电力大学，2009.

[9] 王利军，高登攀，朱蓬勃.通过试验方法确定汽轮机组滑压运行最优参数[J].内蒙古电力技术，2011，29（1）：53-55.

[10] 常澍平，黄海东，郭江龙，等.汽轮机滑压运行可行压力区间计算模型研究[J].节能技术，2009（4）：352-354.

[11] 肖官和，赵丽华，薛飞，等.300MW汽轮机喷嘴组改造[C]//中国电机工程学会清洁高效燃煤发电技术协作网2010年会，2010.