外高桥三期21000mw超超临界汽轮机上汽调频优化及运行成效

外高桥三期21000mw超超临界汽轮机上汽调频优化及运行成效

0外高桥运行效果外高桥三年工程中配备了2台1000吨大型国内超调汽轮发电站。2台机组在2008年完成了性能试验,性能试验供电煤耗分别为272.6,272.9g/(kW·h),至2008年底的实际运行累计煤耗为287.44g/(kW·h)(带脱硫),处于世界先进水平。在外高桥三期工程的建设过程中,针对机组的主、辅设备及系统进行了一系列的优化和重大技术创新。其中,汽轮机的参数和控制方式以及相关主要辅机的优化等是机组优化的主要组成部分。1sien汽气价格外高桥电厂三期工程启动之前,国内已有玉环、邹县、泰州开建百万千瓦级超超临界机组项目,且采用技术及机型各有不同。鉴于德国SIEMENS在百万千瓦级的单轴汽轮机领域有着较多的业绩,且综合技术优势明显,再加上外高桥电厂二期2×900MW超临界机组项目的SIEMENS汽轮机性能表现优异,故三期工程的汽轮机亦选择了上海电站集团引进的SIEMEN机型。上汽的投标基本方案为玉环机型(以下简称“投标机型”)。投标机型型式:单轴,反动式,一次再热,四缸四排汽(备选五缸六排汽),无调节级,单支点轴系,双背压。过负荷调节方式为补汽阀。末级叶片1046mm(备选方案末级叶片977mm)。该机型的基本参数如表1:在对该机型的性能参数及运行方式作了深入研究后,我们认为该机型的蒸汽参数及运行方式还可作进一步的优化,以期获得更优的技术经济性能。2优化主要症状和运行模式2.1无调节级滑压机组理论和实践证明,大容量超临界机组,采用无调节级并滑压运行,在全负荷范围内的经济性均优于带调节级的机组,且取消调节级后,可获得一系列的附加技术优势,故SIEMENS大型超临界汽轮机均采用了无调节级设计,滑压运行方式。不过,纯滑压运行的机组虽无节流损失,经济性最优,但调频响应最差。为兼顾一次调频与经济性,根据用户需求的不同,可采用不同的滑压及调频运行方式。2.2稳态工况下不原理与其他机型相比,投标机型的高压缸增加了1个第5级动叶后的中间进(补)汽口,在主汽阀前与该进汽口之间连有1个补汽调节阀。在设计工况(循环水温20℃)额定出力(1000MW)及以下的稳定负荷,该补汽阀处于关闭状态,负荷超过1000MW,补汽阀逐步开启直至最大出力,即相当于VWO工况。在补汽阀开启后直至VWO工况的加负荷,流量增加,但主汽压力不变(稳态),反之亦然。与此相对应,稳态工况下(不调频),主汽调节阀在最低定压运行点Pmin以上的所有负荷,均可处于全开状态。因此,在Pmin以上直至设计额定功率(稳态),机组均可为纯滑压运行,而超过设计额定功率后则为定压运行,如图1。与SIEMENS采用调门预节流方式的所谓改进型滑压运行机组(如外高桥二期900MW超临界机组)不同,在正常负荷范围内,投标机型的主调门及补汽阀均参与调频。在加负荷时,可先开补汽阀作为快速响应,然后再由机组的协调控制系统增加锅炉热负荷直至补汽阀全关;在减负荷时,先关小主调门,然后锅炉降低热负荷直至主调门全开。无论是开启补汽阀还是关小主调门,均会增加节流损失,这就意味着投标机型在稳定运行时无节流损失,而在参与一次调频及快速二次调频时将出现附加节流损失,即相当于用效率换调频。不过,从SIEMENS给出的热平衡计算图可以看出,当补汽阀开启后,汽轮机的效率会明显下降。2.3投标模式的不足和对策2.3.1高压缸2.2w初始发电机52从图1可以看到,投标机型在最高负荷附近存在一个压力不随负荷变化的平台,而随着功率的增加,补汽阀开大,节流损失也将相应增大。根据SIEMENS提供的热平衡图,VWO工况的出力为1060MW,比额定工况高6%,但蒸汽流量却上升了8%,其过负荷增量部分的热效率很低。理论上,补汽阀将27MPa/600℃的蒸汽节流至约16MPa再进入高压缸第5级后继续发电,其效率应相当于亚临界水平,而实际的情况是效率下降得更多。事实上,当增量蒸汽从补汽口进入汽缸后,第6级前的压力相应增加,而此时主蒸汽压力则不再上升,1~5级的压力差相应下降,这将使一部分蒸汽从1~5级主回路中被“挤出”而流入补汽阀。因此,实际进入补汽阀的蒸汽流量比预期值明显增加,这导致了效率的加剧下降,说明补汽阀方式的过负荷运行经济性很差。2.3.2补汽阀开启量的影响若取消运行曲线的顶部压力平台(取消补汽阀)而将滑压曲线向上延伸至VWO点,这在技术上是可行的,运行效率必然更高。但如此一来,主蒸汽管道、给水泵、高压加热器及锅炉等的设计压力都将随之增加,这将显著增加机组投资。因此,在最高负荷区采用适当牺牲效率的方法限制设计压力,不失为一种可行的折中方案。不过,究竟在哪个负荷点开始开启补汽阀限制压力的升高,亦需要加以技术经济比较。基于开启补汽阀后,机组效率迅速下降的现实,应在正常运行时避免开启补汽阀。进一步的分析可以看出,在设计工况的1000MW额定功率(THA),蒸汽流量大于2732t/h后即开启补汽阀并不合理。事实上,设计工况按全年的平均冷却水温为基准,即全年约有50%时间的水温超过平均值(见图2)。相应地,汽轮机在该时段内的热耗及汽耗将高于设计值,1000MW时的主蒸汽流量将高于2732t/h;若仍为滑压运行,主汽压力将按比例增加。在此情况下,若要限制主汽压力不超过设计值以确保安全,唯一的途径就是开启补汽阀以弥补不足。应指出的是,在正常情况下,机组在额定功率点的运行概率较高,并且全年中夏季的满负荷运行概率更高。按投标机型的运行方式,必然出现在全年中,有超过一半时间的满负荷工况处于补汽阀开启方式下。图3是以图2的水温变化为基准,在水温超过20℃时开启补汽阀所导致的汽耗变化,图3中阴影部分便是汽耗的增量。需特别注意的是,这种在实际运行中会发生的汽耗和煤耗的附加增量,在机组的性能试验中却不会得到反映。另外,如果汽轮机的实际效率由于种种原因而降低,汽耗高于设计值,则主蒸汽压力将高于设计值,必然导致补汽阀的开启概率进一步增加,这将更加恶化机组的实际运行效率。事实上,较合理的补汽阀开启点应为夏季最高循环水温时对应的额定功率,这可确保在全年的1000MW及以下工况不开补汽阀。不过,若仍采用原设计压力26.25MPa作为此工况下的补汽阀开启值,又导致在其他工况下由于冷却水温的降低,汽耗的下降,额定功率对应的汽轮机运行初压力均会低于设计值(在20℃冷却水温时约降低4%,约25.25MPa),这就又要降低机组的热力循环效率。最终的优化结果如下:(1)27MPa定为主蒸汽设计压力,并将此压力作为补汽阀的开启点。(2)27MPa作为夏季最高冷却水温时1000MW的滑压运行压力,在大于1000MW后补汽阀开启并转为27MPa定压运行方式。相应地,平均冷却水温时的1000MW运行压力下滑为25.81MPa。(3)滑压与定压(开补汽阀)的分界不按功率分,采用压力准则。汽机主汽门前压力不大于27MPa采用纯滑压运行,与负荷及冷却水温无关。按此准则,平均冷却水温时的最高滑压功率达1043MW;且冷却水温低于平均值时,最高滑压运行功率更高。事实上,由于机组综合优化效果很好,实际汽耗明显低于设计值,经过了2008年夏季最高气温的考验,在最高冷却水温达33℃下,满负荷的主蒸汽压力也只有26.6MPa。因此,在整个高温季节,均没有开启补汽阀。2.4节能型抽汽凝结水调门从2.2节的分析可以看出,在全负荷的范围内,补汽阀均将参与调频;而从2.3.1节的分析可知,补汽阀的开启意味着机组效率的下降。调频过程中频繁地开启补汽阀,并使其经常在小开度方式下运行,其阀芯和阀座的冲蚀风险将大大上升,这将导致机组运行效率的下降。另外,根据实际供货的汽轮机调节系统的运行特性,发现其DEH的编程者并没有很好地理解该型汽轮机的调频特点,在全负荷范围内存在较大的调门节流区域。为解决这类问题,我们又对汽轮机的控制及调频方式进行了较大的改进,研究开发了节能型抽汽调频技术。该方法主要是改变汽轮机的调频原理,由传统的调节汽轮机进汽来改变机组功率转变为调节回热抽汽量而改变功率。对汽轮机回热抽汽量进行调节的方法为间接法,通过调节凝结水流量,间接同步改变各级低压回热抽气量,从而达到调节汽轮机功率的目的。这样一来,就可以使主调门常开,并在整个滑压运行区域使补汽阀常关,消除汽轮机进汽节流损失。对于直流锅炉,由于没有汽包,系统蓄热量小,故汽轮机的调门可调功率很小,且响应慢;而采用凝结水调频法反而速度快,功率调节范围相对较大。当然,这种调频方式的技术要求很高,对原有的凝汽器水位,除氧器水位调节系统以及机组的协调控制系统等都要进行相应地改进。从外高桥三期2台机组的实践来看,新的调频方式获得了成功。目前,机组的加(减)负荷的速率能达到1.5MW/min。与传统调频方式相比,节能型抽汽(凝结水)调频技术使调频过程中的节流损失降到了最低,提高了机组的实际运行经济性。不过,需指出的是,该技术对机组实际运行经济性的提高不能在性能试验中得到反映。3外高桥港再热系统压降控制及经济效益按照目前我国的设计规范,再热系统的压降按高压缸排汽压力P2的10%控制,通常是锅炉再热器及冷、热再热管道各占一半。这一压降的取值,是技术经济比较的产物。因为该压降吞噬了一部分再热蒸汽的做功能力,增加了汽轮机的热耗,但减少这一压降需增加管道(含再热器)的投资。随着燃料价格的不断上涨及超临界机组的再热压力比亚临界机组有较大的提高,美、欧的设计规范早已将此压降定在P2的8%及以下。外高桥二期900MW超临界机组最终的招标结果是德国ALSTOM中标,再热系统压降为P2的6.67%。根据计算,再热系统的压降从10%P2减为9%P2,汽轮机热耗约下降0.072%。根据这一分析及兼顾造价,我们最终仍沿用二期的压降控制原则,锅炉在招标时就已明确规定再热器压降控制在0.2MPa以内,冷、热再热管道的压降控制并不采用简单的加大管径的方法。与其他同类项目不同,我们坚持除个别点布置困难而采用1.5D(D为直径)的管件弯头外,其他所有弯头均采用不小于3D的弯管。另外,适当增加了冷再热管道的管径。经综合优化,获得了三重效益:(1)弯管的造价远低于弯头,明显降低了四大管道的总造价。(2)不小于3D的弯管的局部阻力系数大大低于1.5D弯头,有效减少了管系的压降。根据效率修正曲线,汽轮机的热耗将因此下降18kJ/(kW·h)。(3)与1.5D的管件弯头相比,大于3D的弯管在运行时产生的振动能量将明显下降,这更有利于管系的安全运行。机组投产后,机组在额定工况下的再热系统压降实测低于6.7%,完全达到了优化要求。另外,主蒸汽管和主给水管道系统亦采用了不小于3D的弯管,有效降低了管系的压降,从而使给水泵的能耗亦相应下降。4发动机的后部压力优化4.1增加排汽面积,降低背压鉴于SIEMENS汽轮机独特的推(拉)杆和单支点轴系技术,单轴四缸不再是大机组的限制,德国已有五缸六排汽的百万千瓦级超超临界机组的成功经验,且增加排汽面积,减少余速损失和降低背压对机组的经济性亦有着很大的影响,外高桥三期1000MW机组的招标时规定投标商可投四缸及五缸方案。与四缸相比,五缸方案的热耗约能下降1%,但终因其价格较高,最终没能采用。在北方平均水温较低的地区,我们在着眼提高蒸汽初参数的同时,更应注意降低背压。从技术发展战略上来说,若能在国内出现一个五缸的成功案例,对推动我国百万千瓦级汽轮机技术的发展,进一步提高机组的经济性有着不可估量的意义。4.2双背压的选择与外高桥900MW机型不同,投标方案采用双背压。这样,同样的循环冷却水流量及水温,在不增加凝汽器冷却面积的情况下,可以获得更低的平均背压,提高了经济性。4.3设计冷却水温下降对于四缸方案,仍存在着进一步的优化空间。通过对外高桥区域长江水温的统计显示,年平均水温为18.75℃,考虑增加2×1000MW热负荷后的区域温升,三期的设计冷却水温定为19℃,经核算,设计背压可从4.19kPa/5.26kPa下降为3.86kPa/4.88kPa,热耗则可下降19kJ/(kW·h)。给水泵汽轮机自设凝汽器,排汽不再进入主机凝汽器。与二期相比,主凝汽器结构及冷却面积完全相同(44000m2),而VWO工况的排汽流量由1776t/h(含给水泵汽轮机)降为1613t/h,即降低了传热强度,亦减少了凝汽器汽侧的流动压降,相应又可降低背压和端差,进一步提高了经济性。5进水系统综合优化工程实例汽动给水泵汽源取自主汽轮机抽汽,其能耗的高低对主汽轮机的热耗影响较大。本项目的1000MW给水泵的最大功率达43MW,能耗下降1%就颇为可观。在直流炉的启动阶段,给水泵也是能耗大户,特别在新机组的启动和调试阶段,由于频繁的启停,其累积能耗数量巨大。从三期工程的可研阶段起,给水系统的综合优化便列为了主要课题之一。通过对二期工程给水系统的配置、调试和运行情况的分析,参考美国、德国的大型超(超)临界机组的给水系统设计和运行经验,在给水系统的配置和系统设计方面进行了大幅度的优化。5.1机组启动阶段汽泵所耗的能耗首次采用100%汽动给水泵,自配独立凝汽器,可单独启动,不设电动泵。其启动汽源取自相邻机组(或二期)的冷再热蒸汽,可大大降低给水泵在机组启停阶段的能耗。传统的给水泵配置,如二期的2×50%汽动给水泵+1×40%电动给水泵,在机组的启动阶段,采用电动泵进行锅炉进水、冷态和热态水冲洗以及锅炉启动等,而在锅炉点火后所产的蒸汽,却通过旁路系统直接送入凝汽器而白白浪费。即使在机组并网后加负荷直至旁路全部关闭,相当数量的蒸汽热能都被浪费。采用外高桥三期的配置后,机组启动阶段给水泵所耗能源为临近汽轮机已作过功的高压缸排汽,而非高价值的电力。而一旦锅炉产汽后,给水泵汽轮机的汽源即可适时切回本机(冷再热蒸汽)。这就大大降低了机组启动阶段的给水泵实际能耗,尤其在新机组的启动调试阶段。5.2机组运行效率低经过调研和论证,最终选用了德国ALSTOM的专用给水泵小汽轮机,这种小汽轮机有两大特点,一是效率高;二是其特殊的调门配置。该小汽轮机的额定效率高达86.7%,比外高桥二期的小汽轮机名义效率还高出5.7%。与常规小汽轮机2个调门的配置不同,该机还增加了1个汽源为冷再热蒸汽的调门及对应的调节级,如图4。对于配有100%高压旁路的系统,给水泵的设计容量要包括旁路喷水。外高桥三期的给水泵最大流量为锅炉BMCR工况的116%。这使得若采用常规小汽轮机,当机组运行于额定工况时,给水泵却反而远离设计工况,故其中1个调门将处于严重节流状态,从而使小汽轮机的实际运行效率又大大低于名义效率。而ALSTOM的专用小汽轮机,可设定为在机组额定工况时,对应“第5级抽汽”的2个调门全开,第3个调门则在超过额定负荷时补汽,并在机组FCB等工况时承担全部的功率。因此,机组在额定工况时的运行效率能达