喷嘴+补汽新型调节技术的经济性分析

井芳波，袁永强，卫栋梁，陈显辉，欧阳杰，赖 强，雷晓龙



喷嘴+补汽新型调节技术的经济性分析

井芳波，袁永强，卫栋梁，陈显辉，欧阳杰，赖 强，雷晓龙

（东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000）

为了保持喷嘴调节汽轮机组部分负荷工况下主蒸汽压力高的优点，同时减弱调节级效率低对高压缸通流效率的影响，有效提高汽轮机组部分负荷工况下的经济性，本文在分析研究了现有汽轮机进汽调节技术的基础上，提出了喷嘴+补汽新型调节技术。以超临界660 MW机组为例，分别分析喷嘴+补汽调节和单一补汽调节对汽轮机热力特性和经济性的影响。结果表明：喷嘴+补汽调节机组和补汽调节机组在90%THA工况附近经济性相当，随着负荷的降低，喷嘴+补汽调节机组经济性优于补汽调节机组，且这种优势逐步加大；全年负荷范围为40%THA~85%THA的机组，采用喷嘴+补汽调节的经济性更高。

喷嘴+补汽；进汽调节技术；汽轮机；部分负荷；经济性

随着我国经济发展进入新常态，电力生产消费也呈现新常态特征。电力消费增长减速换档，电力供需形势由偏紧转为宽松、部分地区过剩，设备利用小时逐年降低，燃煤机组发电负荷率普遍偏低[1]。国家能源局2015年发布的《华中华东区域节能减排发电调度专项监管报告》显示，2014年1—9月，华东区域燃煤机组发电负荷率基本为67%~75%，华中区域燃煤机组发电负荷率基本为63%~73%。这使得按照带基本负荷设计的汽轮机组无法发挥设计负荷点高效率的优点，造成不必要的经济损失[2]。

目前，汽轮机采用的进汽调节技术分为喷嘴调节[3]、节流调节[4]和补汽调节[5-6]3种，从运行方式上又分为定压运行和滑压运行。定压运行方式在部分负荷节流损失大（喷嘴调节汽轮机调节级焓降大），为维持锅炉给水压力给水泵耗功大，机组经济性较差；滑压运行方式在部分负荷下的锅炉给水压力降低，采用变速给水泵可大大降低给水泵耗功。因此，目前国内外新设计的300 MW以上机组一般都把滑压运行作为一种推荐的运行方式[7]。 3种进汽调节技术均有多年的运行业绩和成功的应用经验，技术成熟可靠，可根据机组的带负荷特性合理选择。由于目前我国的电网容量大，通常情况下机组在额定负荷（THA工况）以上运行时间较少，因此补汽调节-滑压运行机组在经济性上具有一定优势[8]。为了保持喷嘴调节机组部分负荷工况下主蒸汽压力高的优点，同时又减弱调节级效率低对高压缸通流效率的影响，本文提出了一种新型调节技术（喷嘴+补汽调节技术，已申请国家专利）以提高机组部分负荷工况下的经济性，并将其与补汽调节-滑压运行（简称补汽调节）机组进行经济性对比分析。

1 喷嘴+补汽调节技术工作原理

喷嘴+补汽调节汽轮机如图1所示。汽轮机第一级是调节级，分为几个喷嘴组。蒸汽经过全开高压主蒸汽阀1后，再经过依次开启的几个高压主调节阀2，通向调节级[9]。当负荷在85%THA以下时，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ喷嘴组的调节阀全开，第Ⅳ喷嘴组的调节阀全关，机组滑压运行；负荷在85%THA时，主蒸汽压力达到额定压力；负荷继续增大时第Ⅳ喷嘴组的调节阀开启，主蒸汽压力维持额定压力不变，至THA负荷时调节级的4个调节阀全开，此时通过调节级的流量达到最大；负荷超过THA工况后，旁通阀3打开，主蒸汽经补汽室X进入高压某一级（第4级）后，满足超负荷区间的进汽要求；至VWO工况（约108%THA）旁通阀全开。负荷-压力运行曲线如图2所示。

1—高压主蒸汽阀；2—高压主调节阀；3—旁通阀(补汽阀)；X—补汽室。

注：主蒸汽压力以额定压力24.2 MPa为基准。

由以上工作过程可知，喷嘴+补汽调节机组负荷在85%THA时调节级的经济性能达到了喷嘴调节机组的设计工况水平。85%THA负荷以下工况由于前3个喷嘴组的调节阀全开，机组滑压运行，调节级焓降及效率与85%THA工况相当，高压缸效率处于较高水平，且同负荷段主蒸汽压力远高于喷嘴调节机组和补汽调节机组，机组循环效率高。

2 喷嘴+补汽调节对汽轮机热力特性影响

以超临界660 MW机组为例，分别分析喷嘴+补汽调节和单一补汽调节对汽轮机热力特性的影响。喷嘴+补汽调节、补汽调节汽轮机高压级组设计工况和部分负荷工况过程线如图3所示。

注：实线、虚线分别为喷嘴+补汽调节、补汽调节汽轮机高压级组设计工况和部分负荷工况过程线；p0j、p2j分别为高压缸进汽压力、排汽压力，i0j、i2j分别为高压缸进汽焓、排汽焓，Di0j、Di2j分别为高压缸进汽焓差、高压缸排汽焓差，补汽调节汽轮机90%THA 工况的高压缸进汽焓，其中j=1,1′,2,2′,3,3′分别表示补汽调节汽轮机工况1（设计工况（THA））、喷嘴+补汽调节汽轮机工况1、补汽调节汽轮机工况2（部分负荷90%THA工况）、喷嘴+补汽调节汽轮机工况2、补汽调节汽轮机工况3（部分负荷50%THA工况）、喷嘴+补汽调节汽轮机工况3；t0为高压缸进汽温度。

同工况下喷嘴+补汽调节汽轮机和补汽调节汽轮机的主蒸汽流量相同，再热蒸汽流量也基本相同。回热抽汽、再热蒸汽流量在不同工况下约为主蒸汽流量的0.85～0.90，本文计算中取0.87，即再热蒸汽流量为0.87。

在主蒸汽流量、最终给水温度、回热系统及各边界条件相同的情况下，从吸热量和做功的角度分析2种调节方式在各工况下汽轮机的热效率偏差。

由图3可知，工况3下，喷嘴+补汽调节机组相对于补汽调节机组多得到的来自锅炉的热量D3等于过热器中所吸收热量的差别+中间再热过程所吸收热量的差别，即

对于超临界660 MW中间再热汽轮机组，绝对内效率约为48%[10]，则喷嘴+补汽调节机组多吸收的热量D3按热效率48%考虑，多做的功应该为

但由图3可见，实际上功的增加量为

当式(2)与式(3)相等时得到

也即：当D0=1.12D2时，喷嘴+补汽调节机组多吸收了D的热量，其多做的功刚好是D=0.48D，即多做的功按0.48的热量转换效率进行，两机组的热效率相同（图3工况2）；当D0<1.12D2时，喷嘴+补汽调节机组多吸收了D的热量，其多做的功却是D>0.48D，相当于在原有热力循环上增加了1个效率高于48％（高于原有循环）的小循环，其结果必然使机组的效率提高（图3工况3）；反之当D0>1.12D2时，喷嘴+补汽调节机组多吸收了D的热量，其做功却是D<0.48D，相当于在原有热力循环上增加1个效率低于48%（低于原有循环）的小循环，结果必然使机组的效率降低（图3工况1）。

由上述分析可知，喷嘴+补汽调节汽轮机相对于补汽调节机组的相对热经济性的高低取决于D0和1.12D2的相对大小。根据水蒸气性质，从85%THA开始滑压的以下负荷，D0和D2随主蒸汽压力的降低均逐渐减小，但D0减小得更快[11]。因此负荷越低，喷嘴+补汽调节汽轮机相对于补汽调节汽轮机组的热经济性越好。

以上仅从汽轮机热功转换效率来考虑，忽略了给水泵耗功的影响。目前，国内外新设计的300 MW以上机组均采用小汽轮机驱动的变速给水泵。喷嘴+补汽调节汽轮机虽然提高了部分负荷的进汽压力，但同时也使给水泵耗功增大，进而使小汽轮机抽汽量增大，最终影响了汽轮机组的整体经济性。

以超临界660 MW机组为例，分别采用喷嘴+补汽调节和补汽调节进行计算各负荷工况下的锅炉给水泵小汽轮机（BFPT）耗汽量，结果如图4所示。

注：GBFPTⅠ、GBFPTⅡ分别为补汽调节、喷嘴+补汽调节汽轮机给水泵小汽轮机耗汽量，DGBFPT=GBFPTⅡ–GBFPTⅠ为小汽轮机耗汽量变化量，DGBFPT%=(GBFPTⅡ–GBFPTⅠ)/GBFPTⅠ×100%为小汽轮机耗汽量变化率。

结合图2和图4可见：从THA至85%THA，小汽轮机流量变化率随着主蒸汽压力差值变化率的增大而增大；85%THA负荷以下主蒸汽压力差值变化率基本不变，小汽轮机流量变化率也基本维持不变。但由于给水泵小汽轮机耗汽量随着负荷的降低对整个汽轮机组的热效率影响逐渐减弱，因此小汽轮机耗汽量的变化随负荷的降低对整个汽轮机组的经济性影响也逐渐减小。图5为喷嘴+补汽调节汽轮机相对于补汽调节汽轮机给水泵耗功增大对机组经济性的影响。

图5 喷嘴+补汽调节汽轮机给水泵耗功增大对热耗的影响

综上可知：随着负荷的降低，喷嘴+补汽调节汽轮机相对于补汽调节机组的相对热功转换效率越来越高；相对于补汽调节汽轮机，喷嘴+补汽调节汽轮机部分负荷进汽压力的提高对给水泵耗功的增加所带来的对整个机组的经济性的影响逐渐减弱。以上两方面的影响综合起来之后，可得到如下结论：喷嘴+补汽调节机组和补汽调节机组在～90%THA工况经济性相当，随着负荷的降低，喷嘴+补汽调节机组经济性优于补汽调节机组，且这种优势逐步加大。

3 喷嘴+补汽调节技术经济性分析

以超临界660 MW机组为例，通过详细计算，喷嘴+补汽调节和补汽调节汽轮机在各负荷工况下的主要数据详见表1。由表1可见，影响喷嘴+补汽调节和补汽调节汽轮机在各负荷工况经济性的主要因素为主蒸汽压力、高压缸效率（调节级效率）和给水泵耗功。以50%THA工况为例，喷嘴+补汽调节汽轮机相对于补汽调节汽轮机主蒸汽压力高约2.08 MPa，影响热耗约‒98.3 kJ/(kW·h)，但由于喷嘴+补汽调节汽轮机相对于补汽调节汽轮机高压缸效率低约2.66百分点、给水泵耗功高750.8 kW，分别影响热耗约+36.3、+20.4 kJ/(kW·h)。综合以上因素，50%THA工况下，喷嘴+补汽调节汽轮机相对于补汽调节汽轮机热耗偏差约为‒41.6 kJ/(kW·h)。

表1 补汽调节、喷嘴+补汽调节汽轮机详细计算数据

Tab.1 The detailed calculation data for the steam turbine using the new regulation technology and bypass governing

图6为采用喷嘴+补汽调节和补汽调节时各负荷工况下的热耗偏差（热耗偏差为喷嘴+补汽调节汽轮机热耗与补汽调节汽轮机热耗之差）。由图6可见：90%THA工况热耗偏差很小，90%THA工况以下热耗负偏差逐渐增大，这与上述分析得到的结论一致；THA工况下，热耗正偏差达最大，负荷继续增大，热耗正偏差又逐渐减小，这是因为THA工况以上随着补汽阀的开启，调节级后压力升高，调节级焓降减小，调节级对机组经济性的影响减弱。

图6 2种调节汽轮机各负荷工况下的热耗偏差

根据机组的全年带负荷情况进一步分析喷嘴+补汽调节汽轮机组与补汽调节汽轮机组的经济性优劣，结果见表2。

根据我国机组全年带负荷情况，40%THA~ TMCR负荷的分配按2种情况考虑：1）40%THA~85%THA、85%THA~TMCR负荷约占全年发电时间的60%、25%；2）40%THA~85%THA、85%THA~TMCR负荷约占全年发电时间的25%、60%。根据表2，若按时间系数1进行全年负荷分配，绝对加权热耗偏差为–21.6 kJ/(kW·h)，若考虑负荷权重后的加权热耗偏差为–10.9 kJ/(kW·h)，此时选用喷嘴+补汽调节汽轮机组较为经济；若按时间系数2进行全年负荷分配，绝对加权热耗偏差为–11.4 kJ/(kW·h)，若考虑负荷权重后的加权热耗偏差为–4.6 kJ/(kW·h)，由于喷嘴+补汽调节汽轮机组经济性优势不明显，且其结构更复杂，暂建议仍采用补汽调节。

表2 加权热耗对比表

Tab.2 The weighted mean heat rates

注：*处为采用绝对偏差计算结果；**处为采用考虑负荷权重（折算至100%负荷）后的热耗偏差计算结果。

4 结 论

在分析研究了现有汽轮机进汽调节技术的基础上，本文提出了喷嘴+补汽新型调节技术，并对其方案设置、工作原理和经济性特点进行了讨论。分析结果表明：全年负荷范围为40%THA~ 85%THA的机组，采用喷嘴+补汽调节相对于补汽调节的加权热耗低约10.9 kJ/(kW·h)；全年负荷在85%THA以上的机组，采用2种调节方式经济性差别不大。

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Economic analysis for nozzle governing with overload valve regulation technology

JING Fangbo, YUAN Yongqiang, WEI Dongliang, CHEN Xianhui, OUYANG Jie,LAI Qiang, LEI Xiaolong

(Dongfang Turbine Co., Ltd., Deyang 618000, China)

To keep the high main steam pressure of the nozzle governing steam turbine under partial load conditions, weaken the influence of low efficiency of governing stage on flow efficiency of high pressure cylinder, and effectively improve the economic efficiency of the steam turbine under partial load conditions, this paper proposes a new nozzle governing method with overload valve regulation, on the basis of analyzing the existing governing methods of steam turbine. Taking a supercritical 660 MW unit as an example, the paper analyzes the thermal characteristics and economic performance of the steam turbines using the new governing method of nozzle governing with overload valve regulation and bypass governing. The results show that, the economy of the turbine adopting the new regulation technology is similar to that employing the bypass governing near 90%THA condition, while as the unit load decreases, the economy of the turbine adopting the new regulation technology is better than that employing the bypass governing, and this advantage gradually increases. For the units of which the load ranges from 40%THA to 85%THA within the whole year, applying the new regulation technology can reach a higher economic efficiency.

nozzle governing with overload valve regulation, admission regulation technology, steam turbine, partial load, economy

National Science and Technology Infrastructure Program (2015BAA03B01-02)

TK262

B

10.19666/j.rlfd.201805144

井芳波, 袁永强, 卫栋梁, 等. 喷嘴+补汽新型调节技术的经济性分析[J]. 热力发电, 2019, 48(1): 6-11. JING Fangbo, YUAN Yongqiang, WEI Dongliang, et al. Economic analysis for nozzle governing with overload valve regulation technology[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(1): 6-11.

2018-05-07

国家科技支撑计划项目(2015BAA03B01-02)

井芳波(1982—)，男，高级工程师，主要从事汽轮机热力设计和性能试验，jingfb@mail.dfstw.com。

（责任编辑 刘永强）