1000MW超超临界机组变负荷关键参数性能分析及优化

第37卷,总第214期2019年3月,第2期
《节能技术》
ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY
Vol.37,Sum.No.214
Mar.2019,No.2　
1000MW超超临界机组变负荷关键参数
性能分析及优化
赵世斌1,林　波1,金国强2,马　乐2,王明坤2,肖　娟3
(1.神华(福建)能源有限责任公司,福建　泉州　362712;2.西安热工研究院有限公司,
陕西　西安　710054;3.新疆天业集团有限公司,新疆　石河子　832000)摘　要:随着我国新能源的快速发展,火电机组参与深度调峰成为常态化,然而机组低负荷运行时往往会偏离最优运行工况,因此研究低负荷下多参数热力耦合特性以及控制策略优化能有效地改善火电机组的经济性能。

本文分析研究了低负荷下汽轮机关键热力参数对机组的效率、热耗率以及节能量等多个变量的影响,优化了机组滑压运行曲线并确定了控制策略优化方案,提高了机组经济性能,具有很重要的学术意义和工程实用价值。

关键词:深度调峰;性能分析;主蒸汽压力;热耗率;经济性能
中图分类号:TM62 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2019)02-0147-05 Performance Analysis and Optimization of Key Parameters under Variable Load in a1000MW Ultra-Supercritical Unit
ZHAO Shi-bin1,LIN Bo1,JIN Guo-qiang2,MA Le2,WANG Ming-kun2,XIAO Juan3 (1.Shenhua Fujian Energy Co.,Ltd.,Quanzhou362712,China;2.Xi’an Thermal Power Research Institute Co.,Ltd.,Xi’an710054,China;3.Xinjiang Tianye Group Co.,Ltd.,Shihezi832000,China)
Abstract:With the rapid development of new energy in China,the participation of thermal power units in deep peak shaving has become a normalization.However,the operation conditions of the unit under low load often deviate from the optimal operating conditions.Therefore,studying the multi-parameter ther⁃modynamic coupling characteristics and control strategy optimization under low load can effectively im⁃prove the economic performance of thermal power units.In this paper,the influence of critical thermal parameters of steam turbine on the efficiency,heat consumption rate and energy saving of the unit is stud⁃ied,and then the sliding curve is optimized and the optimization control strategy are determined,resul⁃ting in improving the economic efficiency of the unit,which is of great important academic significance and engineering practical value.
Key words:deep peak shaving;performance analysis;main steam pressure;heat consumption rate;eco⁃nomic performance
收稿日期　2018-08-22 修订稿日期　2018-09-16
作者简介:赵世斌(1969~),男,本科,高级工程师,从事电厂集控技术研究。

随着我国用电结构的改变以及新能源的快速发展,使得用电负荷峰谷差日益扩大、调峰幅度日益加深、调峰时间越来越长,增大了电网调峰压力[1-2]。

·741·
然而火电机组低负荷运行工况下,汽轮机、锅炉等设
备的性能往往偏离最优的运行状态。

同时低负荷下
机组煤耗与厂用电率均较高,经济性能有待深度挖
掘。

另一方面,机组深度调峰下会出现升负荷速率
慢、主汽压力偏差大、水煤比控制扰动等协调控制问
题,需要对其进行详细研究[3-4]。

因此,对机组低负荷下关键热力特性参数研究是行之有效的手段之
一,深度优化机组的低负荷运行控制策略,从而提升
机组经济性能并解决机组协调控制问题[5-7]。

目前国内针对机组变工况下节能控制策略以及
节能潜力进行了相关研究,对滑压运行曲线做了大
量的仿真和优化工作[8-10]。

对于火电热力系统,变工况分析是为了确定不同运行工况条件下系统最优的运行参数,包括机组的主蒸汽压力、各段抽气压力及温度、排汽真空等,从而利用统一的数学模型进行火电机组经济性建模,从而确定最优的主蒸汽压力以及控制策略[11-12]。

目前国内外对于参数优化已做过大量的研究工作,但是就1000MW等级超超临界机组而言,关键参数优化包括主蒸汽参数以及凝结水泵的深度优化研究较为薄弱,基于性能试验提出适用于1000MW等级超超临界机组的智能优化控制是未来研究的重点。

本文选取某1000MW 超超临界机组为研究对象,重点研究当机组设备热力过程偏离设计值较多时的优化策略。

本文基于变工况计算理论,在机组实际运行和试验数据的基础上,针对1000MW机组低负荷下主蒸汽、凝结泵参数对机组的效率、热耗率以及节能量等多个变量的影响进行分析研究,通过优化运行参数来达到降低煤耗的目的。

提出较为完善的优化控制策略,为以后实现智能优化控制奠定基础。

1　关键参数对机组能耗的影响
汽轮机关键运行参数会直接影响其运行效率,
包括主蒸汽压力、调门开度以及汽动给水泵耗汽量
等,不同的运行参数对运行效率的影响往往是相左
的。

因此,展开机组经济性能的优化工作首先需要
了解各关键运行参数对经济性能的影响,从而提出
优化方案。

1.1　初参数对循环效率的影响
将火电机组的热力循环简化为等效卡诺循环,
该等效循环与原循环吸热量和放热量相等,循环效
率可用平均温度表示[13-14],即
ηt=1-T2T
1(1)
式中　ηt———循环热效率/[%];
T1———吸热平均温度/K;
T2———放热平均温度/K。

由上式可知,吸热平均温度T1越高,放热平均温度T2越低,则循环的热效率越高。

随后对主蒸汽参数为873K的超超临界机组进行仿真计算,由图1可知,随着初压的升高,吸热平均温度呈上升趋势,从而使得循环热效率呈上升趋势,如图2所示。

另一方面也可看出随着压力的升高,循环效率的变化幅度存在边界效应,压力越高循环效率的提升量逐渐减小。

图1　
平均吸热温度随初压的变化曲线
图2　循环效率随初压的关系曲线
1.2　主调门变工况分析
从热力学角度分析,汽轮机的进汽流量可由下式确定[15]
G=0.648Aβ
=0.648AβP′0P
0v0
(2)
式中　G———汽轮机进汽流量/kg·s-1
A———汽轮机调节级进汽面积/m2;
P′0———调节阀后压力/Pa;
P0———调节阀前压力/Pa;
′0———调节阀后蒸汽比容/m3·kg-1;
0———调节阀前蒸汽比容/m3·kg-1;
β———彭台门系数。

当调节级处于亚临界流动状态时,由于彭台门系数仅与调节级压比和临界压比有关,对进汽流量影响较小。

因此实际上进汽量主要取决于A和P′0。

可见如果要保持相同的进汽流量,可通过调节级通流面积的改变,实现P′0的变化,进而相应的初
·841·
压孕0也随之改变。

该机组主蒸汽采用喷嘴调节方式,当高压调节阀调节压力升高或下降时,高压调节阀的通流面积会相应下降或升高,蒸汽流经调节阀的热力过程可视为绝热过程,在此过程中蒸汽熵值会有所升高,为了解高压调节阀压损特性,选取负荷为600MW时滑压运行状态下的高压调节阀运行状况进行了以下研究。

在600MW负荷段,汽轮机试验的滑压区间为16.7~18.9MPa,在此区间内高压调节阀GV1、GV3全开,GV4全关,而GV2在该负荷段起着调节作用,其压损相对变化较大。

GV1、GV2、GV3压损特性可见表1。

由表中数据可知,当机组主汽压力升高时,汽轮机高压调节阀开度会相应下降,节流损失会增加,会造成蒸汽的品质损失。

表1　600MW工况高压调节阀试验数据
项目工况1工况2工况3工况4有功功率/MW606.5607.0606.4606.3主汽压力/MPa18.9318.4817.6716.70调门总指令/[%]80.982.384.888.5 GV1阀位/[%]99.099.099.099.0 GV2阀位/[%]33.836.040.960.0 GV3阀位/[%]99.299.199.199.2 GV4阀位/[%]0.20.20.20.1 GV1压差/MPa1.71.61.30.8 GV2压差/MPa6.45.74.11.5 GV3压差/MPa1.21.11.00.7 GV4压差/MPa//// 1.3　高压缸效率对经济性的影响
通过600MW工况下变主汽参数分析,可以计算出高压缸效率以及热耗率偏差值,结果如表2所示。

当主汽压力由18.9MPa逐渐下降至16.7MPa,高压调节阀总开度上升,所受的节流损失减小。

受调节阀开度变化导致节流损失变化的影响,高压缸效率由82.1%升高至84.9%,从而使得工况1相较于工况4而言,汽轮机热耗率下降了46.0kJ·(kW·h)-1。

表2　600MW工况高压缸的计算结果
项目工况1工况2工况3工况4进汽压力/MPa18.9318.4817.6716.70缸效率/[%]82.182.583.584.9热耗率偏差值/kJ·(kW·h)-146.040.723.3— 注:热耗率偏差值是以工况4为基准。

1.4　汽泵组耗汽对经济性的影响
小汽轮机耗汽量会对汽轮机的热耗率产生影响,当机组处于滑压参数运行时,在同一负荷下主汽压力越高,汽泵的耗汽量就越大,因此耗汽量也是影响汽机经济性的关键运行参数之一。

由表3可知,在600MW试验工况下,主汽压力由18.9MPa下降至16.7MPa,小机耗汽量由57.4t/h下降至51.8t/h,经计算可知,工况1相较于工况4,汽轮机热耗率降低了16.4kJ·(kW·h)-1。

因此,为了维持较高的主汽压力,汽动给水泵组的出力会相应增加,耗汽量也会随之升高,会对运行经济性产生负面影响。

表3　600MW工况下汽泵的计算结果
项目工况1工况2工况3工况4主汽压力/MPa18.9318.4817.6716.70耗汽量/t·h-157.456.354.351.8热耗率偏差值/kJ·(kW·h)-116.413.07.2— 注:热耗率偏差值是以工况4为基准。

2　滑压运行曲线优化分析
2.1　机组运行热耗率分析
通过对1000MW机组变负荷下滑压运行经济性进行研究,通过汽轮机能耗计算,对汽轮机最优主蒸汽压力进行优化。

本节以600MW工况作为研究对象,计算结果如图
3。

图3　热耗率随主蒸汽压力的关系曲线
在600MW工况下,随着初压的变化汽轮机各关键运行参数均产生相应变化,汽轮机热耗率曲线见图3,由图可知,该工况下主汽压力最优解为18.6 MPa,由性能预测结果可知,能耗最优参数的汽轮机热耗率较最差参数的下降约24kJ·(kW·h)-1。

2.2　定滑压曲线的优化
经过多工况参数寻优后,分别得出800MW、700MW、600MW、500MW、400MW等工况的最优主汽运行压力,从而得出最优定滑压运行曲线,优化前后的曲线如图4所示。

图4　优化前后的滑压曲线
·941·
通过主汽参数运行优化可使机组运行经济性得到一定程度提升,通过分析试验机组节能量如表4
所示。

按照4号机组年平均负荷率70%核算可知,
4号机组通过运行参数优化后发电煤耗可下降约0.5g ·(kW ·h)-1左右。

表4　滑压运行下各负荷段节能量
工况/MW
主汽压力偏差/MPa
节能量/kJ ·(kW ·h)
-1
8001.511
7001.4136001.1155000.324000.4
5
3　凝结水系统参数优化分析
目前4号机组凝结水泵采用变频运行调节除氧器水位,同时使用除氧器水位调节阀调节凝结水母管压力。

另一方面,凝结水系统中给泵密封水增压泵用以满足凝结水压力低时给泵密封水的压力需求。

由于凝泵的运行功率和凝结水压力随着频率的下降而下降,当凝结水压力下降时除氧器水位调节阀开度会随之增大,凝结水系统阻力也随之降低,综合影响凝结水系统运行性能的经济性,因此需要对凝结水系统进行试验计算分析,从而指导变负荷下凝结水泵变频运行。

3.1　凝泵电机变频分析经试验可得不同负荷下凝泵电机有功功率和电
流随凝泵运行频率的变化曲线,本节选取600MW 负荷作为研究对象,结果如图5所示。

凝泵电机有功功率和电流均随着运行频率的下降而下降。

因此为使凝结水系统运行更经济,降低凝泵运行频率是根本手段。

图5　凝泵电机有功功率和电流随运行频率的变化曲线
3.2　凝结水系统功耗分析
选取600MW 工况,分别对凝结水系统中阻力与除氧器水位调节阀开度、凝泵功耗之间的关系进行研究。

如图6所示,除氧器水位调节阀开度越大
凝结水阻力越小,凝泵功率与凝结水系统阻力正相关。

增加除氧器水位调节阀开度、降低凝结水系统阻力是降低凝结水功耗的关键点。

图6　凝泵功耗、除氧器阀门开度和运行阻力三者变化曲线
在600MW 工况下凝泵变频测试结果见表5,由表中数据可知,试验前凝结水母管压力为
1.60MPa,凝泵运行频率为34.4Hz,运行功率为947.7kW,给泵密封水增压泵功率为66.9kW;试验进行的最低凝泵运行频率为33.5Hz,此时运行功率为864.5kW,给泵密封水增压泵功率为71.5kW。

可知凝泵功耗在工况3下较工况1的功耗下降了83.2kW,虽然给泵密封水增压泵功率增加了
4.6kW,但综合功率下降了78.6kW;凝结水母管压力下降了0.1MPa,凝结水系统阻力同时下降了0.1MPa。

因此可知,通过优化凝泵运行频率可以达到
节能降耗的目的。

表5　600MW 工况凝泵变频运行数据
参数工况1工况2工况3凝泵频率/Hz 34.434.133.5凝泵功率/kW 947.7914.5864.5凝泵变频电流/A 168.6166.5163.2凝结水母管压力/MPa 1.601.561.50运行负荷/MW 609.5607.4607.0运行背压/kPa
3.73.73.7除氧器调节阀开度/[%]67.675.079.5凝结水系统阻力/MPa 1.000.960.90给泵密封水泵功率/kW
66.9
69.1
71.5
3.3　凝结水系统经济性分析
针对不同负荷进行经济性能分析,选取600MW、
500MW 和400MW 三个工况进行试验和经济性计算,得到图7凝泵运行频率优化曲线。

图7　优化前后的凝泵频率运行曲线
·
051·
得到在不同负荷下凝结水系统各项参数的优化结果,如表6所示。

由表中数据可知不同负荷下变
频参数优化后凝泵功率下降,减去给泵密封水增压泵功率的上升值,其综合功率下降。

经过优化后4号机组年均厂用电率可下降约0.02%以上。

表6　不同工况凝泵经济性能计算结果
参数
工况
607MW 507MW 407MW 凝泵变频频率/Hz 33.531.229.7凝泵功率/kW 864.5698.3548.7凝泵变频电流/A 163.2144.3130.9凝结水母管压力/MPa 1.501.331.26除氧器水位调节阀/[%]79.564.149.2除氧器压力/MPa 0.600.490.38给泵密封水泵功率/kW 71.577.178.7凝结水系统阻力/MPa 0.900.840.88凝泵功率下降/kW 83.2149.7199.5密封水泵功率升高/kW 4.57610.04611.983综合功率下降/kW 78.624
139.654187.517
年均厂用电率下降/[%]
0.02
4　结论
本文选取1000MW 超超临界机组为研究对象,以汽轮机变工况计算理论为基础,结合机组实际运行、试验数据建立了1000MW 多工况汽轮机仿真模型。

针对变负荷下主蒸汽参数、凝结泵参数对机组的效率、热耗率以及节能量等多个变量的影响进行分析研究,具体结论如下:
(1)随着初压的升高,吸热平均温度与循环效
率也呈上升趋势;在低负荷下滑压运行时,GV2起着主要调节作用,其压损相对变化较大。

随着主汽压力下降,GV2的节流损失下降,高压缸效率上升,汽轮机热耗率下降,汽泵耗汽量也随之下降;
(2)通过优化主蒸汽压力参数,优化定滑压曲
线。

按照4号机组年均负荷率70%核算,运行参数优化后发电煤耗可下降约0.5g ·(kW ·h)-1左右。

(3)针对不同负荷下凝泵变频参数进行优化,
通过改变凝泵频率以及除氧器水位调节阀来实现凝结水系统综合功率的下降,经过优化后4号机组年
均厂用电率可下降约0.02%以上。

参考文献
[1]刘刚.火电机组灵活性改造技术路线研究[J].电站系统工程,2018,34(1):12-15.
[2]孙海彦,高炜,刘润华,等.1000MW 超超临界机组
深度调峰研究与实践[J].上海电力学院学报,2017,33(6):
559-562.
[3]程声樱.300MW 机组协调控制策略优化[J].浙江电力,2012,31(5):33-37.
[4]赵志丹,王海涛,张志,等.超超临界1000MW 二次
再热机组水煤比控制及优化[J].热力发电,2017,46(8):
136-140.
[5]李清,黄竹青,左从瑞,等.蒸汽参数对电厂热经济性影响的研究[J].湖北电力,2011,35(3):21-23.
[6]王鹏,陈云川,秦增虎,等.200MW 机组调峰运行时
最优初压的试验研究[J].节能技术,2017,35(1):164-167.
[7]周兰欣,华敏,王统彬,等.主蒸汽压力与热耗修正
曲线的变工况计算法[J].热能动力工程,2011,26(3):351-
353,376-377.
[8]施延洲,焦林生,姚啸林,等.超(超)临界汽轮机组
滑压运行优化试验[J].热力发电,2013,42(12):8-12.[9]邵峰,黄启龙,戴维葆,等.实用机组定滑压运行曲线试验研究[J].动力工程学报,2013,33(8):643-647.
[10]郭海峰.某1000MW 超超临界机组滑压曲线工程
调整方法探讨[J].电站系统工程,2016,32(4):32-34.
[11]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.
[12]杨杰,李彦霞,赵学斌,等.火电机组节能降耗分析
及应对措施[J].电站系统工程,2011,27(4):57-58.
[13]陈则韶,谢文海,胡芃,等.一种实际不可逆循环系
统的等价热力变换分析法[J].中国科学:技术科学,2013,43
(11):1230-1235.[14]邵云.论卡诺定理的热力学价值及其与热力学第
二定律的关系[J].首都师范大学学报(自然科学版),2017,
38(5):23-26.
[15]江浩,常东锋,蒋辉,等.高压调节阀配置方式对机
组运行经济性的影响[J].热力发电,2014,43(12):14-18.
·
151·。