高效宽负荷机组改造设计思路探讨

（东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000）

高效宽负荷机组改造设计思路探讨

王振锋，吴其林，徐晓康，孙伟，曾娅

（东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000）

受国家环保政策和经济形势影响，机组可利用小时数大幅下滑，提高机组宽负荷运行能力，控制大气污染物排放势在必行。文章以300 MW等级机组为例，提出了一系列将机组改造为高效宽负荷机组的设计思路。通过对方案的论证实施，可一定程度上解决部分负荷的高效运行和夏季最大出力需要的矛盾，以及部分负荷工况给水温度偏低与脱硝要求最低给水温度的矛盾。文章提出的改造思路对于当前在役机组的宽负荷节能升级改造具有十分重要的意义。

宽负荷，改造，经济性

1 前言

应国家环保压力和政策要求，对在役机组实施节能升级改造势在必行。在国家当前经济形势下，电力产能大于市场用电需求的矛盾日益突出，大部分机组已由之前平均运行负荷在90%～100%THA的水平下降为现在的70%THA左右的水平，由于机组实际运行点偏离原设计点，造成机组经济性显著降低。从图1机组功率与热耗变化率关系曲线可以看出，部分负荷工况运行时，功率越低，热耗的增加越大，机组经济性能越差。因此，对于目前机组负荷率急剧下降的现状，已不可避免地引起在役机组综合经济性整体下降。对在役机组升级节能改造时，要求不仅能应用新技术实现增容提效，还要求能在较宽负荷范围内具有较高的经济性，即机组需具有宽负荷高效运行的能力。

图1 机组功率与热耗变化率关系曲线图

20世纪90年代，存在电力供给不能满足用电需求的矛盾，典型例子就是电力行业在1994年7月讨论了部分引进型300 MW机组出现的“出力不足”问题[1]，国内开展了“关于国产300 MW、600 MW亚临界火电机组三大主机参数匹配的专题研究”，从研究报告规定的机组工况定义可以发现，阀门全开出力比最大保证出力主蒸汽流量大5%，即机组设计出力点大于铭牌出力约5%，这种设计思路称为“老火规”，对机组的容量设计已导致其通流能力严重偏大，在当时按“老火规”通流设计的机组运行在目前的负荷条件，不但通流技术落后，经济性差，而且实际运行工况严重偏离设计点，必将引起机组效率大幅下降。这种实际运行工况点偏离设计值较多的设计思路对机组的宽负荷运行经济性影响极大。因此，对在役机组节能改造时，必须考虑目前的负荷状况，从解决机组宽负荷运行经济性问题入手，合理选择通流能力的设计点。

虽然，随着高效叶型的开发设计，宽负荷叶型的研发使用可以解决一定问题，但目前负荷状况仅靠叶型的升级使用已不足以满足用户对部分负荷经济性的要求。且我国多数机组处于深度调峰状态，有些甚至调峰运行在50%THA工况以下，为兼顾如此宽负荷运行的经济性，就需要对机组本体通流、辅助系统相关设备和锅炉等进行升级改造。

2 宽负荷改造思路介绍

机组升级改造的实施，需要同时兼顾到锅炉在部分负荷工况下脱硝对最低给水温度的要求、现有可操作空间是否允许增加设备、投资回报率等因素。因此，用户通常依据自身情况，尽可能选择较适于自身电厂改造的方案，针对可能的夏季工况运行时间、冬季采暖、利用小时数等其他多样化需求，基于300 MW（对应THA工况）等级机组为例进行分析，归纳常用升级改造思路有如下几种。

2.1高压加热器给水旁路调节

为实现高压加热器全部切除的功能，机组通常布置有高压加热器给水旁路系统及相关设备，如图2所示。利用对此旁路系统及设备进行改造，增设流量调节功能，可一定程度上提高机组高负荷运行的能力。

图2 高压加热器给水旁路调节示意图

为实现机组宽负荷（按机组夏季工况具备增加出力至330 MW作为计算基准）运行的目的，适当将机组通流能力设计缩小（喷嘴调节三阀点3VWO工况下，通流能力设计在95%THA左右），首先满足部分负荷工况下的机组热经济性。夏季工况时，由于机组最大通流能力的限制，在机组调节阀四阀点（4VWO工况）全开时，主蒸汽流量已达到机组通流能力上限仍无法满足出力要求，通过高加旁路阀调节对部分给水绕过高压加热器，直接泵至锅炉，以减少高压加热器回热抽汽量，从而达到增加机组出力的目的，最终实现宽负荷高效运行的目的。表1是采用高压加热器给水旁路调节和常规设计两者的热耗对比结果。

表1 高压加热器给水旁路调节和常规设计两者的热耗对比结果表

2.2零号高加

300 MW等级机组回热系统通常包括3个高加、4个低加及1个除氧。在此基础上，增设一段抽汽参数更高的回热系统，见图3，合理配置此回热系统的疏水，使得机组运行在更适于部分负荷经济运行的九级回热系统中，目的是为了提高机组部分负荷运行时的热经济性。

同时，九级回热系统有利于给水温度的提高，从而使得锅炉脱硝正常运行，确保大气污染物排放的有效控制。

图3 增设零号高加回热系统示意图

零号高加仅在部分负荷工况下运行，因此，对于机组增加出力的要求仅能通过通流能力设计来与之良好匹配。表2是增设零号高加后机组的各负荷工况热经济性和综合热耗对比情况。

表2 增设零号高加和常规设计两者的热耗对比结果表

2.3末级叶片优选

对相同的初末参数、相同容量的机组（如亚临界300 MW等级机组），在通常背压4.9 kPa条件下，机组在全负荷范围内的经济性与末级叶片的选择有关，如图1所示。某亚临界300 MW等级汽轮机选用较长的909 mm末级叶片，其高负荷段的经济性优于较短的851 mm末级叶片。反之，如果机组常年运行负荷在75%THA以下，则选用851 mm末级叶片具有更好的经济性。说明宽负荷机组经济性与末级叶片对应的排汽面积有关，要满足机组宽负荷运行的经济性，需要优先选择相适应的末级叶片。基本的选择原则是平均负荷率越高，选择较长的末级叶片，反之，则选择较短的末级叶片。

2.4补汽

常规通流设计，通常是通流能力与额定工况条件良好匹配。补汽的主要目的是缩小通流能力设计，增加过负荷能力，使通流设计点向部分负荷区间偏移。在保证阀门全开的前提下，通过补汽阀补充一部分蒸汽到通流中间某一级前的方式达到提高出力的要求。机组补汽可分为高压段补汽和低压段补汽两种方式。

（1）高压段补汽

高压段补汽是当机组调节阀四阀（4VWO工况）全开，由于通流能力设计的原因，进汽量不能再继续增加，通过补汽阀将新蒸汽绕开调节级及高压前几级通流，经节流后补入通流中，达到进一步提高机组出力的目的，见图4。

图4 高压段补汽示意图

（2）低压段补汽

低压段补汽[2]是当机组调节阀四阀（4VWO工况）全开，由于通流能力设计的原因，进汽量不能再继续增加，通过补汽阀将临机或其他参数相匹配的辅助蒸汽补入中低压连通管中，使其完成在低压缸做功，达到进一步提高机组出力的目的，见图5。

图5 低压段补汽示意图

2.5外置式蒸汽冷却器

同高低加热器一样，外置式蒸汽冷却器也是一种典型的换热器。通过将其布置在3号高压加热器前，用来加热一部分给水，被加热的给水与剩余的给水混合以提高混合后的给水温度，同时提高机组在额定及部分负荷工况下的热经济性，见图6。

图6 外置式蒸汽冷却器示意图

通过增加外置式蒸汽冷却器的方式，机组给水温度和热经济性均有不同程度的提高。

（1）THA工况，给水温度较常规设计升高3.4℃，热耗较改造前降低约16 kJ/kW·h。

（2）75%THA工况，给水温度较常规设计升高3.6℃，热耗较改造前降低16 kJ/kW·h。

（3）50%THA工况，给水温度较常规设计升高3.3℃，热耗较改造前降低13 kJ/kW·h。

3 结论

通过采取上述系统改造方案，可一定程度上解决机组在部分负荷的高效运行，同时，满足夏季工况下增加出力的目标。并且解决了部分负荷工况给水温度偏低不能满足锅炉脱硝对给水温度最低要求的矛盾。按本系统的改造思路，不但使改造后机组具有宽负荷高效运行的能力，而且较好地满足了机组在低负荷脱硝的要求，真正实现在役电站节能环保的升级改造。

[1]彭泽瑛.我国汽轮机工况及容量规范的应用状况[J].热力透平,2008,37(1):2-3.

[2]中国动力工程学会.火力发电设备技术手册[M].北京:机械工业出版社,2004.

Discussion on High Efficient and Wide Load Turboset Optimization

Wang Zhenfeng,Wu Qilin,Xu Xiaokang,Sun Wei,Zeng Ya
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

By the impact of national environmental protection policy and economic situation,utilization percent of turboset drops sharp⁃ly,It’s imperative to increase the capacity of unit wide load operation and control the emission of air pollutants.In this paper,taking 300 MW unit as an example,a series of optimization ideas about high efficient and wide load are proposed.Through demonstration and implement of the program,it can solve the contradiction between efficient operation of partial load and necessary of increasing out⁃put in summer,as well as the feed water temperature problem in part load conditions and requirement of denitrification for water sup⁃ply temperature.The optimization idea has a very important significance for the wide load optimization,energy saving and upgrading of large unit in service.

wide load,optimization,economical efficiency

TK262

A

1674-9987（2016）04-0001-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.001

王振锋（1982-），男，工学硕士，工程师，2008年毕业于西安交通大学动力工程及工程热物理专业，现主要从事汽轮机设计工作。