超超臨界機組先進技術(shù).ppt

1000MW超超臨界機組先進技術(shù) 汽輪機運行方式優(yōu)化,山西電力科學研究院 段秋剛 2009年3月15日,目錄,1、前言 2、滑壓運行的優(yōu)勢 3、全周進汽汽輪機概述 4、全周進汽運行模式 5、過載補汽技術(shù) 6、凝結(jié)水節(jié)流技術(shù) 7、機組運行現(xiàn)狀 8、機組運行方式優(yōu)化 9、結(jié)論,前言,以汽輪發(fā)電機組為核心的大型發(fā)電廠是能源轉(zhuǎn)換的重要方式，又是消耗一次能源的大戶。汽輪發(fā)電機組在能量轉(zhuǎn)換過程中，由于存在著各種能量損失，影響機組熱經(jīng)濟性的因素很多，歸納為：主要設(shè)備的內(nèi)在性能和機組運行管理水平。就電廠而言如何提高發(fā)電機組的經(jīng)濟性，關(guān)鍵在于優(yōu)化機組的運行方式，減小機組運行的節(jié)流損失，有效提高機組的運行參數(shù)。,機組滑壓運行的優(yōu)勢,純滑壓運行的汽輪機，由于沒有低效率的調(diào)節(jié)級，不僅在額定負荷時，可較定壓運行熱經(jīng)濟性提高0.4%左右，而且在低負荷時，也較定壓運行的經(jīng)濟性為高。單元機組的熱經(jīng)濟性，可以近似輸出凈功率的循環(huán)實際效率（機組的絕對內(nèi)效率）來表示，它決定于汽輪機的相對內(nèi)效率、循環(huán)的熱效率和給水泵的耗功。,1）兩種運行方式下汽輪機的相對內(nèi)效率ri比較如圖所示，定壓運行時相對內(nèi)效率隨負荷降低而顯著下降；滑壓運行時相對內(nèi)效率與負荷基本無關(guān)，不會隨負荷減少而降低。這是因為滑壓運行時全周進汽節(jié)流損失小、蒸汽容積流量基本不變，漏汽損失小、末級濕度減小等。,2）低負荷下的循環(huán)熱效率t一般情況機組的滑壓運行都較定壓運行為低。由于新蒸汽壓力隨負荷減小而降低，使循環(huán)熱效率減小較多。根據(jù)水蒸汽的特性，設(shè)計工況時蒸汽參數(shù)愈低，它的下降也愈顯著。 3）總的來說，機組的毛絕對內(nèi)效率i=tri，只有在蒸汽初參數(shù)足夠高和負荷較低時，滑壓運行汽輪機的毛絕對內(nèi)效率才有可能比定壓運行噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機為高。,4）給水泵是單元機組能耗最大的輔機。其功率約占主機容量的2%-7%。因此降低給水泵的功率對發(fā)電的熱耗和效率影響很大。單元機組滑壓運行時，給水泵亦滑壓運行，低負荷時它的壓力流量都同時降低，因而耗功將明顯下降。在50%負荷時，滑壓運行給水泵的耗功僅為定壓運行時的55%。,因此在低負荷時考慮了給水泵的耗功后，機組的熱經(jīng)濟性（凈絕對內(nèi)效率）更有利于滑壓運行。圖2為一臺滑壓運行汽輪機，相對于定壓運行噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機的熱經(jīng)濟性比較圖。圖中以凈熱耗率的相對值q來表示熱經(jīng)濟性。由圖上可以看出：蒸汽初參數(shù)低于12.5MPa的采用滑壓運行，除額定負荷附近，并沒有經(jīng)濟性的好處；蒸汽初參數(shù)為18MPa的滑壓運行汽輪機，也只有50%以下負荷時，才比定壓運行時熱耗率低；25MPa初參數(shù)的汽輪機，則在整個負荷變化范圍內(nèi)比定壓運行噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機的熱耗率低。,全周進汽汽輪機概述,近幾年投產(chǎn)的1000MW超超臨界機組大部分采用德國SIEMENS的技術(shù)，無調(diào)節(jié)級，采用全周進汽，并采用了過載補汽閥，利用過載補汽技術(shù)減小機組在額定工況及以下運行的節(jié)流損失，提高機組的經(jīng)濟性。陽城國際發(fā)電有限責任公司6350MW機組、山東日照電廠2350MW機組、福州電廠2350MW機組、河北邯蜂電廠2660MW機組均為德國SIEMENS公司生產(chǎn)的KN系列亞臨界反動式單軸、雙缸、兩排汽、一次中間再熱凝汽式汽輪機，該系列汽輪機的結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)配汽方式與目前較為先進的1000MW超超臨界機組的類似。借鑒1000MW超超臨界機組先進的控制理念和方法，提高該系列全周進汽亞臨界機組經(jīng)濟性大有研究空間和挖掘潛力。,全周進汽運行模式,對全周進汽的結(jié)構(gòu)形式，機組無調(diào)節(jié)級，第一級葉片與其它級一樣，其進汽壓力及焓降均與流量成正比，機組運行模式為“定-滑壓”的單閥控制模式，只能通過節(jié)流或滑壓降低進汽壓力的方式調(diào)節(jié)汽輪機的進汽量及功率。這種設(shè)計的高壓第一級葉片不存在部分進汽引起的沖擊載荷，葉片應(yīng)力與機組的負荷同步變化，使該級葉片在任何工況均處在溫度雖高，但應(yīng)力水平卻較低的安全狀態(tài)，徹底解決了高壓第一級葉片的強度問題。 全周進汽因不存在噴嘴配汽方式下的高溫葉片強度極限、汽隙激振等問題，因此是1000MW級超超臨界參數(shù)機組宜采用的最合適、最安全、最可靠的配汽方式。,在1000MW超超臨界汽輪機中，全周進汽模式的技術(shù)優(yōu)勢在于： 1）由于無強度不足的限制，因此即使功率增加到1000MW等級，仍可單流程葉片級，與雙流程相比，額定工況高壓缸的效率至少提高約3%。 2）全周進汽無任何附加汽隙激振，提高了機組軸系的穩(wěn)定性。 3）高壓一級葉片的焓降僅為噴嘴調(diào)節(jié)部分進汽滑壓的1/5，最大載荷僅1/4左右，徹底解決了第一級葉片的安全性問題。高壓葉片不再約束機組參數(shù)的提高和功率的增大。高壓缸設(shè)計壓力可達到30MPa，單流程功率可達到1200MW等級。 4）對超臨界參數(shù)熱力循環(huán)，部分負荷經(jīng)濟性高，例如：對于50%負荷滑壓運行的熱耗比額定工況提高4.6%，而噴嘴調(diào)節(jié)的熱耗則增加5.9%-7%。,相反，噴嘴調(diào)節(jié)非全周進汽的結(jié)構(gòu)形式，第一級（調(diào)節(jié)級）葉片在低負荷、最小部分進汽時應(yīng)力遠大于額定負荷工況，加上部分進汽的沖擊載荷等因素，該級葉片的動強度設(shè)計成為整個機組安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。對于超超臨界參數(shù)機組，該結(jié)構(gòu)形式顯示出明顯的不足： 1）蒸汽流量及壓力的載荷遠遠超過以往的強度極限工況，為保證安全性，不得不采用雙流調(diào)節(jié)級。而雙流和超臨界壓力兩個因素的迭加，高壓葉片的端損大幅增加，效率明顯下降。同時，基于噴嘴調(diào)節(jié)的機理，即使采用雙流程，調(diào)節(jié)級葉片仍處在工作溫度最高、應(yīng)力最大的強度極限條件下。 2）噴嘴調(diào)節(jié)部分進汽在超超臨界參數(shù)下更容易形成汽隙激振，不利于機組部分負荷下的安全運行。 3）超臨界參數(shù)下熱力循環(huán)滑壓運行效率已高于定壓噴嘴調(diào)節(jié)，采用噴嘴調(diào)節(jié)提高效率的優(yōu)勢已不明顯。,過載補汽技術(shù),過載補汽技術(shù)是SIEMENS公司在1000MW超超臨界機組上采用的一項獨特技術(shù)，是從某一工況開始從主汽閥后，調(diào)節(jié)閥前引出一股蒸汽（約0%-10%），經(jīng)過載補汽閥節(jié)流后低參數(shù)進入高壓缸某級葉片后室，與新蒸氣混合后在以后各級繼續(xù)膨脹做功。當汽輪機的進汽量大于額定流量的情況下，可采用過載補汽技術(shù)。,針對無調(diào)節(jié)級，全周進汽，滑壓運行的機組，采用補汽技術(shù)有兩個目的：1）使滑壓運行的機組在額定流量下，進汽壓力達到額定值，即機組在額定工況及以下運行無節(jié)流損失；2）使機組在實際運行時，不必通過主汽調(diào)節(jié)閥的節(jié)流就具備調(diào)頻功能，可避免節(jié)流損失，而且調(diào)頻響應(yīng)速度快，可減小鍋爐壓力波動。 過載補汽閥只在額定負荷以上的運行區(qū)域及需要調(diào)頻時開啟，大部分時間備而不用。補汽技術(shù)提高了汽輪機的過載、調(diào)頻能力，進一步提高了全周進汽輪機型的安全可靠性、經(jīng)濟性和運行靈活性。按照IEC規(guī)定，當額定流量為最大流量的95%時，補汽技術(shù)的得益使額定負荷的熱耗降低20KJ/(kWh)以上。由于過載補汽技術(shù)能夠提高大電網(wǎng)的穩(wěn)定性和調(diào)頻能力，歐盟電網(wǎng)將過載補汽技術(shù)作為推薦采用的技術(shù)之一。,采用全周滑壓+過載補汽調(diào)節(jié)的運行方式，雖然在額定負荷及以下穩(wěn)定運行時經(jīng)濟性較高，但當機組參與調(diào)頻運行或過負荷運行時，由于過載補汽閥的開啟，機組的熱耗明顯增加，約增加40KJ/(kWh)以上，經(jīng)濟性將隨著補汽量的增加而下降，在VWO工況機組的效率將下降2%左右。 而目前我國電力行業(yè)的格局仍以火力發(fā)電為主，而且用電的峰谷差日益增大，火電機組參與調(diào)峰、調(diào)頻更加頻繁，這就使的采用全周滑壓+過載補汽調(diào)節(jié)方式運行的機組過載補汽閥會頻繁開啟，從而降低機組運行的經(jīng)濟性。,基于凝結(jié)水節(jié)流的新型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),基于凝結(jié)水節(jié)流的新型節(jié)能型的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，主要是解決變負荷初期的負荷響應(yīng)速度，能夠改善由于鍋爐側(cè)的滯后而產(chǎn)生的的負荷響應(yīng)的延時。提高機組的調(diào)峰、調(diào)頻能力。在國外已開始逐步推廣應(yīng)用，在國內(nèi)還屬于嘗試階段，目前只有個別1000MW超超臨界機組在嘗試采用。 凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)的變負荷過程為：加負荷時，減小凝結(jié)水流量，使進入低加的抽汽量減少，機組發(fā)電功率增加。此時除氧器水位下降，凝汽器水位上升；減負荷時，增加凝結(jié)水流量，使進入低加的抽汽量增加，機組發(fā)電功率減少，此時除氧器水位上升，凝汽器水位下降。,通過凝結(jié)水節(jié)流的對象特性試驗 ，當快速改變30%左右的凝結(jié)水流量，機組負荷在30秒左右變化1.5%，且能維持一段時間，這說明凝結(jié)水節(jié)流對負荷的快速響應(yīng)是有效的。,機組采用全周滑壓運行方式，又要避免由于過載補汽閥的開啟，顯然提高了機組運行的經(jīng)濟性，但機組卻失去了快速調(diào)峰、調(diào)頻能力。而基于凝結(jié)水節(jié)流的新型節(jié)能型的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)恰恰能夠解決負荷響應(yīng)的快速性。 因此，機組采用全周滑壓運行方式和基于凝結(jié)水節(jié)流的新型節(jié)能型的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是提高機組運行經(jīng)濟性的有效組合。,同類型亞臨界機組運行現(xiàn)狀,該系列全周進汽亞臨界機組目前以SIEMENS公司推薦的改進的滑壓運行方式之一為基礎(chǔ)。 SIEMENS公司推薦的改進的滑壓運行方式是在0-50%和90%（95%）-100%工況范圍內(nèi)為定壓運行，在50%-90%（95%）工況范圍內(nèi)為滑壓運行，改進的滑壓運行方式為兩種情況：第一種情況是具有恒定的節(jié)流調(diào)節(jié)量10%，滑壓范圍為50%-90%，實際滑壓與自然滑壓的比值為1.1，即Pact=1.1Pnat；第二種情況是實際滑壓和自然滑壓有5%的平移，即Pact=Pnat+5%，滑壓范圍為50%-95%，具有5%的節(jié)流調(diào)節(jié)量。,該系列全周進汽亞臨界機組的實際運行方式是以第二種改進的滑壓運行方式為基礎(chǔ)，即實際滑壓和自然滑壓有10%的平移，即Pact=Pnat+10%，滑壓范圍為50%-90%，具有10%的節(jié)流調(diào)節(jié)量。 可見目前機組的實際運行方式所產(chǎn)生的節(jié)流損失遠大于SIEMENS公司推薦的任何一種改進的滑壓運行方式。,亞臨界機組運行方式優(yōu)化,過載補汽技術(shù)和凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)，都是為了提高采用全周滑壓運行方式機組的調(diào)頻、調(diào)峰能力，而只有超臨界機組采用全周滑壓運行方式具有好的經(jīng)濟性。對于亞臨界機組，從機組的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和安全性等方面綜合考慮采用定-滑-定的運行方式更為合適，通過修正機組的初壓曲線使機組達到最佳運行狀態(tài)更具有實質(zhì)性意義。,1）采用SIEMENS公司推薦的改進的滑壓運行方式，即在機組現(xiàn)有運行方式的基礎(chǔ)上，采用實際滑壓和自然滑壓有5%的平移，即Pact=Pnat+5%，滑壓范圍為40%-95%，具有5%的節(jié)流調(diào)節(jié)量。降低機組的節(jié)流損失5%，提高了機組運行的經(jīng)濟性。,2）根據(jù)機組的汽耗率修正機組的滑壓比例，始終保證汽輪機的進汽量與機組的滑壓曲線相匹配，始終保證高壓調(diào)汽門運行在最佳的工作點，既保證機組運行較小的節(jié)流損失，又避免高壓調(diào)汽門頻繁波動，影響抗燃油系統(tǒng)的穩(wěn)定。即： Pact=(D%/N%)(Pnat+5%),3）對于采用噴嘴節(jié)流調(diào)節(jié)的機組，運行方式的優(yōu)化同樣可以借鑒，即采用順序閥運行，保證機組在滑壓運行