保持燃煤机组竞争力的关键因素―灵活性的汽轮机

【摘要】采用调节级的方式。在调节级中，通过部分进汽将蒸汽引到第1级动叶，也即通过顺序开启主蒸汽的调节阀来提高出力，此时，每个阀门分别供汽给第1级导叶的一个弧段。一般调节级配置有有...

摘 要：在过去，电需量的波动主要借助于燃气轮机或联合循环发电机组予以平衡。而燃煤发电机组由于运行成本（尤其在燃料方面）相对较低一般均用于承担基本负荷。因此，大型燃煤机组通常都在热力循环方面予以优化，使之接近于最大出力，仅保留有少量裕度（2-5%）进行调峰或稳定电网频率；并对其部分负荷下的效率不予重视。但是，未来的情况可能大为不同，要求燃煤机组具有很大的能量储备，用来弥补诸如太阳能和风能之类发电设备的缺乏。鉴此，对燃煤机组的关注焦点将转移到如何能在宽负荷范围内确保最佳效率；而在100%负荷下的效率已不再是最受关注的问题，因为燃煤机组只有很短的时间才在100%负荷下运行。

关键词：燃煤电站；竞争力；灵活性；汽轮机

在市场条件如此改变的情况下，需要重新审视燃煤机组的竞争力，由此得出的结论就是需要改变许多电站的汽轮机，使之继续保持竞争力。在进行这种改造时需要考虑以下几个方面：

1 允许快速升负荷的措施

提高临界流量，所谓“临界流量”就是汽轮机在特定进口压力和温度下的蒸汽流量。在恒定温度下，作为第一近似值的质量流量与进口压力成正比。在升负荷时，也即在增加蒸汽流量时，为了使主蒸汽压力保持基本不变，就必须对临界流量进行调整。在过去，采用所谓的调节级就是首选措施。而近来，大型机组大多采用通过调节阀使主蒸汽节流的方式；第三种措施就是采用高压级旁路。

采用调节级的方式。在调节级中，通过部分进汽将蒸汽引到第1级动叶，也即通过顺序开启主蒸汽的调节阀来提高出力，此时，每个阀门分别供汽给第1级导叶的一个弧段。一般调节级配置有有四个调节阀，额定负荷运行点通常也称为三阀点，此时三个调节阀处于全开位置（VWO）；而四阀点就是最大负荷点。

这种控制方式特别适用于锅炉必须定压运行的情况。然而，在达到最大负荷之前，即在所有4个阀门都全开之前，流向第1级导叶的进口汽流并不是完全回转对称和均匀的。在达到最大负荷之前，由部分进汽引起的非均匀汽流有时会一直影响到汽轮机的最后一级，从而大大恶化气动性能和力学性能。

这些最终将导致叶片流道效率的降低、机组成本的提高、以及运行可靠性的降低。而且这种缺点随着机组容量的增大而增大。只有少数的制造商还生产600MW以上带有调节级的汽轮机。

采用节流（变型的滑压运行）方式。节流方式也称为变型的滑压运行方式，简单易行，而且很方便应用于目前尚未使用滑压运行的现役机组。但是，持续运行时的效率劣势依然很大。

通过在高压缸上游的调节阀，将蒸汽节流到增加质量流量或出力所需的程度（到第一近似值）。如与采用调节级的方式相比，第1级的进汽在各种负荷状态下几乎都是回转对称的。然而，持续运行时的效率劣势如此之大，致使通常只允许产生2-5%的节流（极少数情况下达到10%）。

采用高压级旁路方式。高压级旁路（也称为“级旁路阀”或“过载阀”），是一种在额定出力下能实现最佳效率的方法，但是，当要求最大负荷时，也出现效率劣势。

带有高压级旁路的汽轮机在额定出力下，其高压缸上游的主蒸汽调节阀处于全开位置，而级旁路阀处于关闭位置。这样就避免了节流损失。此时，与变型的滑压运行方式一样，进入第1级导叶的蒸汽也接近于回转对称；但是在持续运行时，第1级可以得到优化，此时汽轮机可在主蒸汽全压下运行，这一点在采取三种措施时都相同。

如果要求最大负荷，则开启级旁路阀，由此额外增加了通过高压叶片的进汽流量，确保出力的提高。在这种情况下，主蒸汽压力保持不变。进汽点压力的提高降低了流向第1级的蒸汽质量流量，从而减小了第1级的机械应力。但是，通过级旁路阀的进汽应是回转对称的，这样可以很容易确定机械应力，不需要额外增大安全系数。通过高压级旁路，最多可使额定出力下的蒸汽质量流量增加10%左右。高压给水加热器旁路。根据局部混合给水流量的需要来调整给水的预热温度，也能达到增加汽轮机出力的目的，为此可将给水分成两路：一路进行预热，而另一路通过高压给水加热器的旁路管道，然后与经过预热的前一路重新混合。所以使部分给水依旧流过预热管线，是为了保持高压给水加热器的温度，以防产生不允许的热应力。从正常载荷切换到最大过载需缓慢进行（约20～30分钟）以限制温度梯度。

与预热全部给水相比，预热局部给水所需的热量较少，从而增加了通过汽轮机的蒸汽质量流量的可用热，得以按要求增加汽轮机的出力，直至锅炉的潜力充分利用。

在这种情况下主蒸汽的质量流量将稍有减小，机组效率下降。这种增加出力的方式可以频繁使用而不会改变锅炉的结构或缩短部件、尤其是高压给水加热器和锅炉省煤器的寿命。

2 提高部分负荷下机组效率的措施

提高部分负荷下汽轮机的进汽温度。目前，现有大型燃煤机组的典型主蒸汽参数为270bar/600℃，再热蒸汽温度为610～620℃。通常一台机组在这种蒸汽参数下满负荷运行的设计寿命是20万小时（或更多）。如果部分负荷运行的小时数增加，正如本文开篇时所讲，在滑压运行方式下，蒸汽压力与负荷成比例下降，机组的部件未完全按照其强度设计和寿命损耗率予以使用。这为进一步进行机组的优化提供了空间。

汽轮机的进汽温度可根据材料性能按照许用应力与实际应力之比值保持恒定的方式予以提高。因此，在50%左右的压力下，10%Cr和9%Cr材料将达到其应用极限。

如果主蒸汽和再热蒸汽温度提高30K，那么在60%负荷以下运行的机组效率约降低1.1%。

由于满负荷下的机组效率已不再起主导作用，所以在满负荷工况下的汽温降低也是可以接受的。

保持给水终温。不论采用何种控制方式，机组的热耗都将随着负荷的降低明显增大。当负荷从100%降到50%，热循环效率约降低4.2%。这里的关键因数并不是汽轮机的膨胀效率（膨胀效率基本保持不变，因为汽轮机的容积流量大致未变，所以在宽负荷范围内的速度三角形也基本未变），而是热量输入的平均温度下降，因为所有蒸汽的压力将与负荷成比例的降低。

由于汽轮机内所有压力随负荷的下降而下降，故给水的终温也下降。当第一近似值为50%负荷时，即意味着汽轮机内部及各抽汽点为50%压力。与此同时，所有冷凝水和给水加热器出口的给水温度也随之降低。例如，在100%负荷时的给水终温是296℃，而在50%负荷时，给水终温将降到249℃。此外，给水终温的降低也会引起烟气温度的降低，从而影响到锅炉的最低负荷，因为受到NOx排放的限制。

减少给水终温降低程度的一种方法就是增设一个所谓顶部给水加热器，仅在部分负荷时投入使用。此类机组要求在高压通流部分的上游额外增加一个抽汽点。

在理想状态下，这个抽汽点宜设置在高压级旁路蒸汽进口部位。这样就不必增加高压缸的喷嘴数量，使旁路阀进汽点同时起到抽汽点的作用。

如果顶部给水加热器处于运行状态，高压级旁路阀必须关闭。顶部给水加热器加热蒸汽流量的选择应确保给水终温在宽负荷范围内保持不变。

由于压力与负荷成比例下降，因此锅炉给水泵汽轮机进口前的承压部件应力也随之降低，所以给水器的温度甚至能略有提高。

在50%部分负荷时使用顶部给水加热器，最多可降低0.6个百分点的热耗。

结束语

在过去的几个项目中已证实换用新型高压缸是经济合算的，大型燃煤机组所面临的市场新趋势将使高压模块的更换在未来更加具有吸引力，可能成为保持机组竞争力的关键因素。