汽轮机运行调节方式优化策略探析

高清林，高嘉锜，黄庆专，陈敦炳

(1.福建电力职业技术学院，福建泉州362000；2.国网福建省电力有限公司泉州供电公司，福建泉州362000；3.福建华电邵武发电有限公司，福建邵武354000)

0 引言

化石能源的大规模开发利用,在推动人类文明进步的同时,也带来了资源匮乏、环境污染、气候恶化等问题[1]。要保障能源安全,实现人类的可持续发展,就必须积极推动能源结构向低碳绿色转型。因此,近年来我国在加大煤电退出力度的同时,也加快了风电和光电等可再生清洁能源的发展。然而,风电和光电等新能源都具有较强的随机性、间歇性和波动性,其大规模的集中并网,加大了电网的峰谷差,导致弃风弃光现象日益严重。

要破解具有强随机波动性的新能源电量规模化并网的困境,就得极力提升电网的调峰能力,为新能源消纳提供足够的容量空间,因此,电源结构中装机容量占60%左右的燃煤火电机组开展快速深度调峰已然势在必行。但是,煤电机组调峰运行时工况的频繁变化带来一定问题,一方面因运行工况经常偏离设计工况而导致汽轮机热效率降低；另一方面因温度场频繁变化引发的热应力、热膨胀和热变形影响汽轮机设备安全稳定运行。因此,优化汽轮机运行调节方式,确保煤电机组安全、经济、灵活、快速地参与深度调峰,破解新能源电量规模化消纳困境。

1 汽轮机调节的基本方式

汽轮发电机组的功率方程式为[2]:

式中,Pel为汽轮发电机组的电功率,kW；G为汽轮机的进汽量,kg/s；ΔHt为汽轮机的理想焓降,kJ/kg；ηri为汽轮机的相对内效率,%；ηm为汽轮机的机械效率,%；ηg为发电机效率,%。

由式 (1)可知,通过改变汽轮机的进汽量G或改变汽轮机的理想焓降ΔHt,可以达到调节机组功率的目的。

目前,汽轮发电机组常用的功率调节的基本方式,从结构上可分为喷嘴调节、节流调节和旁通调节,从运行方式上又可分为滑压调节和定压调节。

1)喷嘴调节。汽轮机第一级的喷嘴依调节阀个数分组布置在各自的喷嘴室里,每一喷嘴组各由一个调节阀控制。依次启闭各调节阀,改变第一级喷嘴的通流面积,进而改变汽轮机的进汽量[3],达到调节机组功率的目的,如图1所示。

图1 汽轮机喷嘴调节示意图

2)节流调节。所有进入汽轮机的蒸汽经过一个或几个同时启闭的调节阀后,在通流部分逐级膨胀做功[4],如图2所示。节流调节通过改变调节阀开度,改变汽轮机的进汽压力,进而改变汽轮机的进汽量和理想焓降,以达到调节机组功率的目的。

图2 汽轮机节流调节示意图

3)旁通调节。在自动主汽阀后、调节阀前引出一旁通管,接到高压某一级动叶后的旁通汽室X,在旁通管上设置旁通阀,如图3所示。在经济负荷以下,旁通阀全关,蒸汽经调节阀进入汽轮机通流部分逐级膨胀做功；当超出经济负荷时,保持调节阀全开,打开旁通阀,旁通蒸汽经旁通阀节流降压、降温后,进入旁通汽室X与通过调节阀并流经旁通级组膨胀做功后的主流蒸汽混合后继续往后逐级膨胀做功。

图3 汽轮机旁通调节示意图

4)滑压调节。保持汽轮机的调节阀全开或基本全开,根据负荷大小调节锅炉的燃料量、给水量和空气量[5],进而改变汽轮机的进汽压力和流量(新汽温度尽可能保持不变),达到调节机组功率的目的。

5)定压调节。保持自动主汽阀前的主蒸汽压力和温度等蒸汽初参数不变,通过改变调节阀的开度来改变汽轮机的进汽量,达到调节机组功率的目的。

2 汽轮机调节的特点

2.1 喷嘴调节的特点

1)汽轮机第一级为调节级,其喷嘴分组布置在各自的喷嘴室里,因相邻两喷嘴室之间存在着间壁 (如图1(b)所示),调节级在任何工况下都是部分进汽,既存在着部分进汽损失,又使高压缸进汽部分在圆周方向受热不均,导致高压缸产生较大的热应力和热变形[6]。

2)因为调节级与第一压力级之间部分进汽度不同、轴向间隙较大和流道过渡不平滑等因素,所以调节级的余速动能难以被第一压力级所利用,存在较大的余速损失。

3)调节级因部分进汽而使汽流参数沿圆周方向分布不均,该级动叶片除受离心力和稳定汽流力的作用外,还受到周期性的汽流激振力的作用,该汽流激振力是引起汽轮机强烈振动和轴瓦温度偏高的重要因素[7]。

4)工况的变化会引起调节级焓降较大的变化,导致调节级后 (即调节汽室)温度较大的变化,增加因温度变化引起的热应力和热变形,降低机组运行的可靠性和对负荷变化的适应性[8]。

5)调节级最危险的工况并非是在汽轮机最大负荷时,而是在第一调节阀全开而第二调节阀尚未开启时。因为此时调节级的焓降、级前后压差和(流过第一组喷嘴组的)蒸汽流量均达最大值,而级的部分进汽度却最小,调节级叶片处于最大的应力状态,加之部分进汽时的冲击载荷等因素[9],所以调节级处于最危险的工况。

6)任何工况下只可能有一个调节阀因部分开启存在节流损失,因此,低负荷下的节流损失比节流调节的小[10],效率高。

7)虽然其进汽机构的节流损失较小,但因调节级存在着部分进汽损失和较大的余速损失,调节级效率较低,所以高压缸的相对内效率较低。

2.2 节流调节的特点

1)汽轮机没有调节级,任何工况下其第一级都是全周进汽,既消除了部分进汽损失,又使高压缸进汽部分在圆周方向上受热均匀[11],有利于高压缸减小热应力和热变形。

3)汽轮机的相对内效率为:

式中,η′ri为汽轮机通流部分的相对内效率,%；ηth为汽轮机进汽机构的节流效率,%。

在部分负荷下,所有进入汽轮机的蒸汽都受到调节阀同样的节流作用,其节流效率ηth较低；但因汽轮机没有调节级,其第一级不存在部分进汽损失和余速损失,其通流部分的相对内效率η′ri较高。因此,只要调节阀开度不太小,其部分负荷下的相对内效率都能保持较高的水平。

4)调节阀全开的运行方式虽然减小了进汽的节流损失,但是此时调节阀只能在电网高频时单方向减负荷参与一次调频,无法满足电网低频下一次调频加负荷的功能。因此,多数机组不得不采取在稳定工况下调节阀预留5%～15%开度裕量的调节阀节流运行方式,以牺牲部分经济性来保证一定的调频能力[12]。

2.3 旁通调节的特点

1)通过旁通阀的启闭可快速响应电网负荷变化的需要,弥补了锅炉动态特性较差的缺陷[9],提高了机组一次调频的能力。

2)在经济负荷之前,调节阀全开进行全程滑压调节,无须预留调节阀节流开度就具备良好的调频功能[9],避免了相应的节流损失,也消除了部分进汽损失,因而具有较高的经济性。

3)在超过经济负荷之后,旁通阀开启,此时,一方面因部分蒸汽流经旁通阀产生了节流损失[9],相当于损失了这部分旁通蒸汽在旁通级组的做功量；另一方面因旁通汽室压力随旁通阀的开大而升高,旁通级组各级理想焓降减小,速比增大,效率下降。因此,采用旁通调节的汽轮机不宜在过载阶段长期运行,以免降低其运行经济性[9]。

4)在经济负荷之后的过载阶段,由于旁通蒸汽流量跨越了全机压力和温度都最高的旁通级组,因而这些强度要求均较高的级的运行工况相对稳定[9]。同时,由于旁通汽室压力的提高减小了旁通级组前后的压差,这些级运行的安全可靠性得到改善,这对于超超临界的汽轮机更显优越性。

说到这里，又想起张居正。他以权谋私，为儿子科场舞弊，硬是帮儿子捞个状元。结果他一死，立即被清算，几个儿子都被剥夺功名，充军流放。这样一比，没当上状元的赵楷一点也不冤，他们父子较之张居正父子的情商、智商都要高得多啊！

5)旁通调节作为机组功率调节的一种辅助手段,不能独立使用,只能联合使用。

2.4 滑压调节的特点

1)滑压调节时新汽温度基本不变,汽轮机在启停及变负荷时高压缸各金属温度变化很小,减小了热应力和热变形,也减小了动静部件之间差胀的变化,提高了机组运行的可靠性和对负荷变化的适应性[13],改善了机组的调峰性能。

2)提高了机组在部分负荷下运行的经济性,究其原因:

①一方面,滑压调节时,所有调节阀全开,避免了部分负荷下的节流损失；另一方面,由于负荷变动时,蒸汽的质量流量随压力的变化基本上是成比例的,而蒸汽温度又基本保持不变,故蒸汽的容积流量基本不变[14]。因此,各级速比、焓降、效率也基本不变,部分负荷下高压缸的相对内效率保持在较高的水平。

②滑压调节时,随着机组负荷的降低,蒸汽压力的降低引起了蒸汽比热的下降,高压缸排汽温度有所提高,热蒸汽温度也随之升高,从而改善了部分负荷下汽轮机的循环热效率[14]。

③滑压调节时,随着机组负荷的降低,蒸汽压力随之降低,所需的锅炉给水压力相应下降,若给水泵采用变速调节,将使低负荷下给水泵的耗功大大减少[14]。

3)在高负荷区采用滑压调节时,随着机组负荷的降低,蒸汽初压的降低将导致汽轮机循环热效率较大幅度地下降,因此较高负荷区采用滑压调节是不经济的[14]。只有当负荷降低到一定水平,继续采用定压调节将会造成较大的节流损失,此时采用滑压调节,因新蒸汽压力的下降而导致循环热效率的降低开始小于高压缸相对内效率的提高、给水泵耗功的减小和再热蒸汽温度升高带来循环热效率提高的三者之和时,采用滑压调节才能提高机组的经济性[4]。

4)因为汽轮机的滑压调节主要是依靠调整锅炉燃烧来实现的,但由于锅炉热惯性大,反应迟缓,纯粹的滑压调节不但不能适应负荷的快速变化,而且对较小的负荷变化也不敏感,即使是直流锅炉的热惯性已较汽包炉小,仍难以满足电网调频的需求。

2.5 定压调节的特点

1)在部分负荷下,因阀门关小使进汽机构的节流损失增大 (节流配汽),或因调节级的部分进汽度减小使部分进汽损失增大 (喷嘴配汽)；同时,为了维持锅炉必须保持的额定给水压力,给水泵的耗功无法随机组负荷的降低而降低,这都将导致部分负荷下机组的经济性较差。

2)工况变化时,调节汽室温度和高压缸排汽温度会发生较大的变化,将在汽轮机相应的金属部件中产生较大的热应力和热变形。这不仅会影响机组的安全稳定运行,也限制了机组的变负荷速率和机组的启停速度,削弱了机组的调频能力。

3 汽轮机调节方式的优化组合

综上所述,汽轮机的几种基本调节方式虽各具优势,却也存在着自身所无法弥补的不足,唯有通过优化组合,采用复合调节方式,扬长避短,才能满足煤电机组安全经济运行和灵活、快速地参与电网深度调峰的要求。

3.1 优化的复合调节方式

综合考虑煤电机组参与电网深度调峰在安全、经济、灵活、快速等方面的要求,建议亚临界及以上的高参数大容量汽轮机原则上采用 “(节流)定压—滑压— (喷嘴)定压—旁通”的复合调节方式 (以下简称复合调节)。根据机组容量和参数的不同,一般在35%THA以下进行较低压力水平的(节流)定压调节,在35%THA～85%THA区间进行滑压调节,在85%THA～100%THA区间进行额定压力下的 (喷嘴)定压调节,超过THA后进行旁通调节。

汽轮机复合调节如图4所示。该汽轮机设有一个自动主汽阀、四个调节阀和一个旁通阀,第一级(调节级)的喷嘴分为四个喷嘴组分别安装在四个喷嘴室里,并分别受控于四个调节阀。机组负荷低于35%THA时,随着机组的启动→升速→升负荷过程的推进,维持蒸汽一定的初压恒定,保持Ⅳ调节阀全关,逐渐同时开启Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ调节阀,进行较低压力水平的 (节流)定压调节。机组负荷至35%THA时,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ调节阀同时达到全开,而Ⅳ调节阀仍保持全关。机组负荷从35%THA逐渐向85%THA增加的过程中,进行滑压运行,保持Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ调节阀全开而Ⅳ调节阀全关,主汽压力逐渐滑升至额定压力。随着机组负荷逐渐从85%THA继续向100%THA增加,主汽压力维持额定压力不变,Ⅳ调节阀逐渐开启；至四个调节阀都全开时,机组负荷达到100%THA,此时通过调节级的蒸汽流量达到了最大值。当机组负荷自THA继续增加时,旁通阀开启,一部分新蒸汽经旁通阀节流降温降压后被引入旁通汽室X,与通过调节阀并流经旁通级组膨胀做功后的主流蒸汽混合后继续往后逐级膨胀做功,满足机组超负荷运行的要求。当旁通阀全开时,汽轮机达到VWO工况,机组负荷达到最大值。

图4 汽轮机复合调节示意图

3.2 复合调节方式分析

1)在35%THA以下的极低负荷区间,维持一定的蒸汽初压恒定,保持Ⅳ调节阀全关,同时启闭Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ调节阀,进行节流定压运行。第一,维持一定的蒸汽初压恒定,确保了锅炉的水循环工况和燃烧工况的稳定。第二,维持一定的初压进行定压运行,避免了在极低负荷下继续滑压运行可能导致的给水泵轴系落入临界共振的情况。第三,维持一定的初压定压运行,机组保持了较高的循环热效率。第四,采用节流调节,避免了极低负荷下采用喷嘴调节造成的调节级的部分进汽损失过大。第五,因极低负荷下主蒸汽压力也随负荷滑降到较低的水平,调节阀开度相对较大,采用节流调节所造成的节流损失并不大。第六,机组启动过程中采用三阀同时开启的模式,有利于机组启动的安全。

2)在35THA%～85%THA的低负荷区间,保持Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ调节阀全开而Ⅳ调节阀全关,进行部分调节阀全开的滑压运行。在此滑压运行区间,既可借助静态关闭的Ⅳ调节阀的暂态快开,使机组具有快速向上的调频能力；亦可应用静态全开的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ调节阀的暂态关小,使机组具有快速向下的调频能力[9]。如此,既充分发挥了滑压运行的安全可靠性和在低负荷下的较高经济性的优势,又弥补了滑压运行期间因锅炉热惯性而使机组不能适应负荷快速变化的不足,还避免了采用节流滑压调节在稳定工况下由于调节阀必须保留一定的节流开度裕量而造成的节流损失,使机组在保持较高运行经济性的同时具有较强的一次调频能力。

3)在85%THA～100%THA的高负荷区间进行额定压力下的喷嘴定压调节,通过启闭Ⅳ调节阀改变调节级的通流面积来调整机组负荷,避免了在高负荷区间采用滑压调节时因蒸汽初压下降导致机组循环热效率降低,使机组保持了较高的效率。

4)以旁通调节作为汽轮机的辅助调节手段,在THA负荷以内的正常变工况下,旁通阀保持关闭状态,在不同负荷区段进行 (节流)定压—滑压— (喷嘴)定压的复合滑压调节。在THA之后,可根据需要开启旁通阀,实现机组超负荷运行,或在电网低频下实现机组一次调频加负荷的功能。例如,机组在满负荷工况下遭遇电网频率大、频差下降时,为满足机组快速增加功率的需要,可暂态快开旁通阀,利用锅炉蓄热暂态快速增加蒸汽流量与功率[9]；待锅炉燃烧增强,蒸发量增加,主汽压力回升到相应的额定压力水平后,旁通阀重又回复到全关位置。

因此,复合滑压调节与旁通调节的合理组合,不仅使机组具有一定的过载能力,而且可使机组在带满负荷时仍具有较强的快速向上的调频能力,有利于改善机组的负荷响应特性[9]。同时,两者合理组合还可使汽轮机在滑压运行阶段除Ⅳ调节阀全关之外,其余各调节阀均保持全开,使进汽节流损失降至最小。机组运行具有较好的经济性、较高的安全可靠性和良好的调频能力。

4 结语

破解风电和光电等具有强随机波动性的新能源电量大规模消纳的困境,有赖于燃煤火电机组灵活、快速地参与电网的深度调峰。而汽轮机调节方式的优化,是对煤电机组进行灵活性改造的主要研究方向。汽轮机的喷嘴调节、节流调节、旁通调节、定压调节和滑压调节等几种基本调节运行方式虽各具优势,却也都存在着自身所难以克服的不足,唯有合理地优化组合多种调节方式,充分扬长避短,才能使煤电机组在安全、稳定、经济运行的前提下,灵活、快速地参与电网深度调峰——在电网低谷时段,充分挖掘煤电机组的深度调峰能力,在保证新能源电量消纳的同时,尽量减少煤电机组启停调峰次数；在电网高峰时段,尽量使运行煤电机组带满负荷甚至适量的超负荷运行,充分发挥煤电机组的顶峰能力,保障电网供电的可靠。