超超臨界機組調峰優化技術研究

?作者:傘齒輪 ???|???? ?2020-02-12 09:18

  摘要:我國600MW及以上大型容量火電機組都已開始擔任調峰運行任務,機組調峰運行區間寬泛,調峰過程中,主輔設備偏離設計工況,汽水損失增加,循環熱效率下降,引起供電煤耗的增加。針對600MW超超臨界調峰機組,在系統設計優化的基礎上,對寬負荷調峰運行方式的優化問題進行深入研究,以保證機組在全工況下安全、經濟、高效運行,對節能降耗意義重大。

  關鍵詞:超超臨界;調峰機組;系統優化;調峰方式

  0. 前言

  隨著“以大代小”政策的提出與實施,煤電結構進一步優化,高參數、大容量、高效環保型機組比例進一步提高[1-5]。而我國正處于經濟結構優化時期,居民和商業用電的比重逐年增加,導致用電負荷峰谷差激增,使得按照帶基本負荷設計的大容量火電機組不得不參與調峰,且通常處于較低負荷運行,提高大容量超超臨界機組在低負荷運行時的效率,是整個火電行業解決的難題[6-9]。

  目前,我國國內600MW及以上大型容量機組都已經開始擔任調峰運行任務,1000MW機組也已處于調峰常態[10,11]。機組一般運行區間為額定容量的100%~50%,在夜間運行或其他極端情況下,負荷下限甚至下降到40%。600MW等級以上機組調峰運行區間寬泛,在調峰過程中,機組主輔設備偏離設計工況,汽水損失增加,循環熱效率下降,引起供電煤耗的增加,面臨著調峰與節能減排的雙重壓力[12,13]。本文在系統設計優化的基礎上,對600MW等級機組的寬負荷調峰運行方式的優化問題進行深入研究,以保證機組在全工況下安全、經濟、高效運行。

  1. 熱力系統優化

 ?。?)汽輪機本體

  傳統的噴嘴調節,在機組低負荷運行時,閥門節流損失大,國內主機廠目前均采用先進的反動式通流技術,葉片采用小直徑多級數葉柵和“T”型葉根結構,通流效率高。高效寬負荷葉型的母型選擇為后加載葉型,更好的適應攻角變化,減小葉型損失。高壓缸模塊優化為單流程的圓筒形結構,取消水平結合面的法蘭,采用紅套環技術密封,保證良好的氣密性;中壓模塊優化為雙層缸、對稱雙分流結構,減小外缸的工作溫度,節約耐高溫材料及控制外缸的膨脹量,方便布置環形進汽室;低壓缸采用落地式軸承箱、落地式內缸、端部汽封。通過高壓缸第一級葉型、高中低壓缸通流級數、通流葉片流道等方面的優化設計,新600MW機組相對原機型高壓缸效率能提高3%~4.7%。優化和降低中低壓缸分缸壓力,使得低壓缸進口溫度降低,減小低壓缸進、排汽溫差,降低低壓缸熱應力,減小低壓缸的變形,避免低壓缸出現內漏,提高機組經濟性和可靠性。配汽方式采用無調節級全周進汽+滑壓運行的方式,高壓缸進汽結構優化為2×180°切向蝸殼結構,減小第一級靜葉進口參數的切向不均勻性,從而降低進口部分的流動損失。針對汽輪機變工況運行的特點,為兼顧快速性與經濟性,優化閥門結構,壓損降低2.1%。額定工況下效率提高了12.9%,75%工況下效率提高了15.3%。

 ?。?)主汽系統

  根據目前國內600MW超超臨界機組的設計經驗,如果將主蒸汽管道的壓降優化在一個合理范圍(不高于額定工況下的約3%),則機組熱耗可下降約5.0kJ/kW·h;將再熱系統的壓降控制在高壓缸排汽壓力的7%左右,則機組熱耗可下降約20kJ/kW·h。按通常設計,1段至3段抽汽管道的阻力損失一般為汽輪機抽汽口的3%,4段以后的各級抽汽管道阻力損失一般為抽汽口壓力的5%。通過STEAM PRO軟件分別計算當1、2、3段抽汽壓力損失為2.5%,4、5、6段抽汽管道壓力損失為4%時的熱平衡,機組熱耗約降低9 kJ/kW·h。

 ?。?)回熱系統

  國內已投運600MW超超臨界濕冷機組汽輪機回熱系統大部分采用了八級回熱抽汽;而空冷機組基本上都采用了七級回熱抽汽。為了更大限度地獲得熱耗率的改善,回熱焓升分配和給水回熱級數的優化一直是目前國內研究的重點。對于1000MW機組,國內現已采用九級回熱系統,相比原八級回熱系統,機組熱耗整體降低約10kJ/kW.h,經濟效益明顯,但對于600MW機組,考慮到建設投資收益問題,采用九級回熱系統經濟效益并不顯著。

 ?。?)給水系統

  為了滿足機組啟動靈活的要求,電廠中通常配有電動給水泵。而在實際運行當中,國內外的多個電廠通過合理設計輔助蒸汽至給水泵汽輪機的回路,實現采用輔助蒸汽啟動汽動給水泵,節省了電動給水泵設備及其相關系統,降低了初投資。目前國內投運的600MW火電機組,給水系統很多設置2×50%BMCR容量的汽動給水泵,為減少廠用電率,新建機組大多采用了鍋爐給水泵前置泵與汽動給水泵同軸布置。主汽輪機同軸驅動給水泵的方案,即由汽機主軸通過聯軸器、減速箱(齒輪箱)、調速裝置等傳動裝置帶動給水泵運行,機組運行的平均熱耗值較低,其經濟性優于小汽輪機驅動方案,且省去了小汽輪機相關系統,簡化了系統流程。

 ?。?)凝結水系統

  增設低溫省煤器將煙氣余熱回收至凝結水系統是一種最有效、最安全可靠的低溫余熱利用方式。加裝低溫省煤器后排煙溫度由130℃左右下降到100℃左右,回收的熱量是相當可觀的。凝結水系統利用了煙氣余熱后,可使機組熱耗降低約25kJ/kW.h。設置低溫省煤器后,煙氣溫度假定從125℃降低至105℃,供電標煤耗可降低0.93g,通過年費用法計算可得,設置低溫省煤器后年費用有一定優勢,動態回收年限為6.6年。此外,設置低溫省煤器后節水效益明顯。

 ?。?)抽真空系統

  常規凝汽器汽側抽真空系統是采用3×50%水環式真空泵,且高、低壓側一起抽吸。該方案的缺點是由于兩側背壓值不同,一起抽吸不利于維持各自的背壓,增大了真空泵出力。因此,可考慮凝汽器汽側抽真空系統設置2×50%和1×35%容量的水環式真空泵。正常運行時,凝汽器低壓側投入50%容量真空泵,高壓側投入35%容量真空泵,一臺50%容量真空泵同時作為高低壓側備用,該方案相對于3×50%配置,總造價低,年運行費用少,且運行靈活、配置合理。對于雙背壓,真空泵分別對應高、低壓側進行抽吸,共同備用一臺真空泵,對維持高、低壓側各自的背壓有較好的效果,增加了機組的熱經濟性,達到了節能降耗的目的。

 ?。?)設置外置式蒸汽冷卻器

  新型高效600MW超超臨界機組采用一次中間再熱循環,再熱溫度為620℃,其第3級回熱抽汽設置在中壓缸第5級后。由于該級回熱抽汽是再熱后首次抽汽,蒸汽的過熱度很大,可在3號高壓加熱器設置單級串聯外置式蒸汽冷卻器,以有效利用蒸汽的這一部分過熱度,提高機組的給水溫度。機組在變負荷時通常采用滑壓運行的方式。當負荷降低時,蒸汽壓力降低,但是蒸汽溫度不變,隨著負荷的降低,抽汽過熱度迅速升高。因此,外置式蒸汽冷卻器系統在低負荷時改善過熱度的效果更明顯,50%THA工況的熱耗降低約16kJ/kWh。

 ?。?)設置低加疏水泵

  為防止7號低加疏水在其疏冷段上放熱后溫度降低,影響#6低加入口主凝結水溫度,可以選擇去掉#7低加疏冷段,這樣更有利于降低機組熱耗。根據工程經驗,THA工況,增加7號低加疏水泵后,機組熱耗降低約1.5kJ/kW.h。

  2. 運行方式優化

 ?。?)主調閥預節流調峰

  對于全周進汽、采用優化型滑壓運行方式的機組,其高調閥存在一定的調頻能力。機組穩態工況時,調節閥保持5%主汽壓力的節流壓降,需要變動負荷時,先由調節閥通過改變節流壓降進行調節,以滿足負荷快速響應的要求。然后再由機組協調控制系統調節鍋爐的燃料量及給水量,直至調節閥壓降恢復正常值。雖然在多數工況下都存在一定的進汽節流損失,但由于取消了調節級,提高了高壓缸內效率。

 ?。?)補氣閥調峰

  超超臨界機組調峰優化技術研究

  補汽閥相當于高壓缸的另一個調節閥,采用補汽閥與開大高壓調門相同,均是利用鍋爐儲備的熱容量,主蒸汽可以經補汽閥直接進入高壓缸的某級后做功發電。部分負荷時高壓缸主調門全開,補汽閥全關。只有當主汽調節閥全開、仍然需要更大的進汽量和電負荷時,才開啟補汽閥。

 ?。?)回熱系統調峰

  回熱系統調峰是指在回熱抽汽管道上增加調節閥,通過改變調閥開度,快速改變進入加熱器(高加或低加)以及除氧器的抽汽量,瞬時獲得一部分機組的負荷,從而快速響應電網調峰需求。該方案負荷調節范圍較大,可以根據不同的響應指令,采取不同的調節策略,如調節一臺高加或低加抽汽、調節多臺高加或低加抽汽等;該方案響應速度較快,通過直接節流回熱抽汽瞬間增加機組出力,減少了加熱器能量自平衡的過程,調峰響應速度極快。

 ?。?)凝結水節流變頻調峰

  凝結水節流的基本原理是通過快速關斷機組的凝結水及各級低壓加熱器的抽汽,瞬時增大進入低壓缸作功的蒸汽量從而快速提高機組負荷。在響應時間和變負荷速率方面,凝結水節流調節都遠遠優于協調控制系統,而且該方案并不會對機組的主蒸汽參數和效率產生影響,因此,該方案推廣應用潛力巨大。機組負荷變化量與凝結水流量變化量成正比,要獲得一定的調頻負荷量,必須使凝結水流量改變達到一定值。

  在凝結水節流變頻調峰過程中,主蒸汽流量和給水流量不變,故會導致整個系統汽水流量的不平衡,即凝汽器熱井會造成工質的大量積聚,而除氧器水箱的工質則會大量流失。因此,采用減少凝結水流量實現功率快速上升的方法所持續的最大時間取決于系統內凝汽器熱井和除氧器水箱的有效容積。凝結水流量改變后,機組負荷變化響具有一定的持久性,可以滿足電網調峰快速響應的要求。

  3. 結論

  本文針對我國600MW及以上大型容量火電機組在調峰過程中出現的主輔設備偏離設計工況,汽水損失增加,循環熱效率下降,供電煤耗增加的問題,從汽輪機本體、主汽系統、回熱系統、給水系統、凝結水系統、抽真空系統、設置外置式蒸汽冷卻器、設置低加疏水泵等方面分析了系統設計的優化方案,并從主調閥預節流調峰、補氣閥調峰、回熱系統調峰、凝結水節流變頻調峰等方面分析了寬負荷調峰運行方式的優化方案,為機組全工況安全、經濟、高效運行提供了參考。

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