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600MW机组单阀顺序阀滑压运行分析与探讨
600MW机组单阀-顺序阀滑压运行分析与探讨
陈增吉郭修堂李树臣
(华电能源股份公司哈尔滨第三发电厂哈尔滨150024)
摘要:
根据汽轮机组单阀运行、顺序阀运行的基本原理分析,实际生产中机组采用不同的调节方式对企业经济性的影响,通过计算、测量,最终定量给出一个比较结果,为生产提供科学的数据,使企业用最经济的消耗,创造最佳的经济效益。
关键词:
单阀顺序阀滑压优化
1前言
随着电力加快发展,电网大容量机组不断增加,600MW机组已成为电网主力调峰机组,电网要求机组负荷能在300MW至600MW之间任意调整变工况运行,以满足电网调峰不断变化。
为适应电网调度要求的不断提高,同时为优化两台600MW机组的运行和提高机组的经济性。
我厂在机组变负荷运行时采取单阀-顺序阀切换方式。
600MW机组高压调门设计有两种运行状态,即顺序阀(喷嘴调节)和单阀(节流调节),两种状态可以根据机组运行需要进行无扰切换。
在汽轮机内蒸汽热能转变为机械能的过程中,由于进汽节流以及蒸汽通过汽轮机的喷嘴、叶片做功时所产生的各项内部损失,使汽轮机只能把可用焓降的一部分转变为功,进汽节流损失在汽轮机组各项损失中占较大份额,直接表现是压力降低焓值不变熵增大,机组理想焓降减少,内效率下降。
而汽轮机组调节方式的不同,即单阀运行、顺序阀运行其节流损失也不同。
单阀运行就是四个高调门同时开启,而且阀位一致,就象一个阀门一样,故称单阀,它的优点是在启、停机和低负荷运行时四个高压调门同时开启,然后进入第一级喷嘴,这种方式主要是改变调节阀的开度使进汽参数发生变化,即改变蒸汽压力,来调整汽轮机功率,高压缸进汽为全周进汽,缸壁加热均匀,低负荷运行缸壁温度变化幅度小,有利于减小汽轮机的寿命损耗;它的缺点是高压调门节流损失更大,机组效率低。
汽轮机各高压调门同时参与调节,各调门开度相同。
低负荷时,高压调门开度较小,因而高压调门的截流损失较大,不利于机组长期经济运行。
顺序阀运行中新蒸汽经全开的主汽门后再经过几个依次启闭的调节阀流向汽轮机的第一级,每个调节阀分别控制一组调节级喷嘴,负荷增加时在前一个调节阀全开或接近全开时,下一个调节阀开始开启,最后开启的调节阀通常在超负荷使用,在设计工况下,所有调节阀均处于全开状态,故无节流损失,减少负荷时,各调节阀依次关闭,只能有一个调节阀处于部分开启位置而产生节流损失,因而此种调节方式在低负荷时的经济性好于单阀运行。
因此为了提高机组运行的经济性,将汽轮机在单阀运行与顺序阀运行切换是一个非常重要的措施。
下面针对600MW机组不同工况下单阀-顺序阀的运行情况及经济性进行分析。
2设备概况
我厂两台600MW机组为哈尔滨汽轮机厂生产的N600—16.67/537/537型亚临界参数,一次中间再热、单轴、四缸、四排汽凝汽式汽轮机组,其调节级为单列冲动式等截面直叶片,喷嘴组分成四个弧段,分别与四个喷嘴室对应,由四个高压调节阀控制进汽,可以实现单阀或顺序阀控制,喷嘴组排列次序如下,第Ⅰ、Ⅱ组喷嘴放置在内缸的下半部,目的是顺序阀控制时汽缸受热均匀,两只主汽与调节联合阀布置在高压汽缸两侧,每只主汽阀与两只调节阀共用一个阀壳,调节阀开启顺序如下图1:
发电机侧
上半
下半
机头侧
图1调节阀开启顺序
调节级配汽设计参数见下表1:
阀点
4(OP5%)
4
3
2
进汽度
%
100
100
75
50
主汽阀前压力
Mpa
17.504
16.67
16.67
16.67
进汽量
t/h
2025
1926.6
1689
1199
喷嘴进口压力
Mpa
16.98
16.17
16.17
15.22
喷嘴进口焓
kJ/kg
3385
3394.6
3394.6
3394.6
级出口压力
Mpa
13.35
12.7
11.1
7.8
级等熵焓降
kJ/kg
71.7
72.6
116
222
级速比
/
0.4406
0.4380
0.3496
0.255
级压比
/
1.272
1.273
1.461
1.951
级压力反动度
%
13.2
12.93
4.4
-5.6
级效率
%
82.44
82.33
74.7
61.8
级输出功率
kW
32151
30915
39323.6
44061
3顺序阀控制原理
顺序阀控制是DEH中机组功率控制的一种控制功能,按照汽轮机高压调门的开关顺序,对汽轮机流量指令进行分配,从而确定各高压调门的流量,最终确定各高压调门的开度。
这些控制策略一般包含在DEH的阀门管理控制功能中。
在顺序阀运行时,汽轮机的流量指令FDEM需经过背压修正、比例偏置修正、GV流量修正、GV流量开度函数修正后,产生各个GV的开度指令。
控制原理见图1。
FDEM可在机组负荷控制时手动给定或由功率调节器运算产生。
流量背压修正函数F(X1)是机组流量需求与流量指令的修正函数。
汽轮机在不同的流量作功时,汽轮机排汽压力随之变化,蒸汽焓降变化,相应的作功能力不同,因此需对不同的蒸汽流量指令进行修正。
图2顺序阀控制原理
例如,随着负荷升高,汽轮机蒸汽流量增加,汽轮机排汽压力升高,流量需求必须通过修正产生实际的流量指令。
通常这是由汽轮机的自身特性所决定。
流量比例偏置(K+B)和GV流量修正函数F(X2)确定各高压调门在顺序阀控制方式下,调门的开启顺序、重叠度及流量指令。
GV流量开度修正函数F(X3)是阀门的流量特性,是流量与阀位的对应关系,需要通过试验获得。
汽轮机在投入顺序阀控制前,运行在单阀方式下。
由图1可知,流量指令直接通过GV流量开度修正函数F(X3)产生阀位指令,与其它函数无关。
投入顺序阀运行后,可以实际校验各阀门的重叠度,在此GV流量开度修正函数下,得到流量指令FDEM与主蒸汽流量的对应关系如图3所示,流量指令FDEM与主蒸汽流量成线性关系,线性度较好。
图3流量指令与主蒸汽流量对应关系
流量比例偏置因子(K+B)是根据阀门的设计流量和顺序阀时阀门的开启顺序来确定。
汽轮机在顺序阀运行时,GV3、GV4同时开启,然后GV1、GV2考虑阀门间的重叠度依次顺序开启。
由于GV3、GV4阀门同时开启,因此流量比例因子可同时计算。
因为GV2在GV1阀门后开启,考虑到随着汽轮机蒸汽流量的增大,汽轮机排汽压力的升高,GV1的阀门流量为10%额定流量,及当流量指令FDEM为90%时(经背压修正后的流量指令f1为103%),GV2的流量指令f2为0%,GV2关闭;当流量指令FDEM为100%时(经背压修正后的流量指令f1为137%),GV2的流量指令f2为100%,GV2开足。
各阀门的重叠度函数见表2。
表2GV流量修正函数%
GV1GV2GV3GV4
R(f2)S(f3)R(f2)S(f3)R(f2)S(f3)R(f2)S(f3)
-5.0000.00.000.00.0000.00.0000.0
-2.4997.52.495.097.50097.597.50097.5
2.5002.52.502.5101.24997.5101.24997.5
97.50097.5100.00100.0101.250100.0101.250100.0
97.501100.0100.00100.0
顺序阀时阀门开启次序见图4。
图4顺序阀阀门开启顺序
4单阀-顺序阀运行经济性分析
4.1机组经济运行的理论分析
按理论计算,全厂机组热效率为:
η=ηglηgdηrηxnηjηd
式中:
ηgl——锅炉热效率;
ηgd——管道热效率;
ηr——循环热效率;
ηxn——汽机相对内效率;
ηj——机械传递效率;
ηd——发电机电效率
其中ηxn=ηjlηxn1
ηjl——高压调门节流效率;
ηxn1——高调门开足时的汽机相对内效率;
因负荷变化时,ηr、ηjl变化最大,其余各项效率变化不大,为分析问题方便,我们假设K=ηglηgdηjηdηxnl为一常数(对于中间再热机组,正常运行中调门开足,再热蒸汽参数变化不大,中、低压缸内效率变化不大,也可看作一常数,所以这里只考虑高压缸内效率),这样整机热效率可写为:
η=kηrηjl
整机热效率η在经济负荷时最大,600MW机组560MW负荷是最经济负荷,随着负荷下降,初参数压力要达到额定值(ηr基本不变),就必须关小高压调门,负荷越低高压调门开度越小,从而高压调门节流损失就越大,ηjl就越小,η总的是下降的。
对于机组一定的中低负荷,关小高压调门升高主蒸汽压力,相对内效率ηr增大,但高压调门关小后节流效率ηjl下降,如果关小高压调门,提高ηr增大的幅度超过了ηjl的下降幅度,则关小调门定压运行有利于整机热效率η的提高;反之开大高调门虽然ηjl提高了,但主汽压力则下降ηr减小了,如果开大调门,ηjl的提高幅度超过ηr的下降幅度,则开大调门复合运行方式可提高整机热效率η;ηr和ηjl存在一最佳值,可使η在同一负荷工况条件下达到最大,也就是说虽然中低负荷机组总体效率η呈下降趋势,但在一定负荷时,高压调门开到一定开度,主汽压力值有一最佳值,机组总体效率η在该负荷下达到最大值。
一方面由于进汽阀的节流损失降低,高压缸的效率增加,高压缸排汽温度升高使机组更容易达到其设计的再热蒸汽温度,机组的汽动给水泵耗功因其出口压力的降低而降低,导致拖动给水泵的小汽轮机少耗汽,从而带来经济性提高;另一方面由于汽轮机高压缸的焓降减少,循环热效率要减小,而机组的绝对内效率就是相对内效率和循环热效率的乘积。
因此,综合这两方面的因素可以寻找合理的滑压运行曲线。
4.2调峰负荷下最佳滑压运行参数的确定
600MW机组调峰运行大多数采取“复合滑压运行方式”,即在中间负荷区域内,全关最后1~2个调速汽门,进行滑压运行。
选取在给定负荷点的最佳滑压运行参数以获取最高的效率。
根据机组的热力系统资料和结构参数,利用机组变工况理论计算,得出较宽的主蒸汽压力范围内的热耗率,找出给定负荷点的最佳滑压运行的主蒸汽压力。
以此为指导,在主蒸汽压力变化较小范围内选择三四个主蒸汽压力进行试验验证。
理论计算和试验结果如图3、图4所示。
图3和图4分别代表负荷下滑压运行主蒸汽压力的优化曲线。
由图可见,由于理论计算和实际试验时机组的边界条件(如系统疏水泄漏和汽封间隙)的不同导致了相同主蒸汽压力下绝对热耗率有较大的差值。
尽管如此,但是热耗率随主蒸汽压力变化的趋势是相同的,而且在机组经常运行的两个负荷点,理论计算和实际试验的热耗率变化曲线其最低点所对应的主蒸汽压力基本相同。
对于400MW负荷,当主蒸汽压力滑到14.7MPa时,机组热耗率达到最小;对于300MW负荷,当主蒸汽压力滑到13.5MPa时,机组热耗率达到最小。
5单阀-顺序阀运行试验分析
为验证理论分析的效果和机组采取合理运行方式的需要,我厂对4号600MW机组单阀-顺序阀运行情况进行了试验。
下面对试验结果进行分析:
5.1试验内容:
本次试验分为单阀试验、顺序阀试验。
(1)单阀试验为定参数,进行6个工况机炉效率测试,即550MW、500MW、450MW、400MW、350MW、300MW。
主要控制参数如下(机侧):
主蒸汽压力:
16.67Mpa主蒸汽温度:
535℃
再热汽温度:
535℃炉膛出口氧量:
4.5%
(2)顺序阀试验分定参数、滑参数测试。
定参数测试工况、参数同上。
滑参数测试工况及主要控制参数如下表:
工况
负荷
MW
主汽压力
MPa
主汽温度
℃
再热温度
℃
第一工况
400
16.4
535
535
第二工况
350
15.2
535
535
第三工况
300
13.6
535
535
滑压试验以热工提供汽门曲线对应压力值为准。
上面给出压力作为参考值。
每一工况正式试验60分钟,正式试验开始前必须稳定运行60分钟,以消除各参数惯性滞后的影响,每一个负荷点下的单阀、顺序阀正式试验控制参数平均值偏差及波动值应在下表范围内:
运行参数
平均值对规定值的最大偏差
连续两次读数差值对平均值的最大波动
主汽压力
±0.51%
±0.425%
主汽温度
±16℃
±4℃
再热温度
±16℃
±4℃
再热压损
±50%
抽汽压力
±5%
温汽温度
±6℃
最终给水温度
±6℃
机组背压
±2.5%
±1.0%
出力
±5%
发电机功率因数
±0.1%
±1.0%
转数
±5.0%
±0.25%
试验机组运行稳定正常,主辅机设备齐全,热力系统运行良好无异常泄漏,各记录表计准确无误,相关测试参数跟踪变化灵敏可靠,调速系统无卡涩晃动,汽门开到位,系统隔离满足试验条件,试验期间除影响机组安全外,不得进行设备及热系统任何操作。
计算方法参照GB8117—87《电站汽轮机热力性验收能试验规程》,计算数据选取哈尔滨汽轮机有限责任公司《N600—16.7/537/537型汽轮机热力特性计算书》。
试验具体测试数据计算结果见附表。
机组热耗曲线、煤耗曲线见附表。
5.2试验分析
5.2.1热耗率:
从计算出的各工况热耗率看出,顺序阀运行方式低于单阀运行方式,并且随着负荷的减少,不同阀位热耗值偏差逐渐增大,在400MW负荷以下,顺序阀情况下,主机热耗值低于单阀相同工况运行时150kJ/kwh左右。
占总热耗值2%左右,影响主机循环热效率1%。
5.2.2高压缸效率:
顺序阀运行方式高压缸效率明显高于单阀运行状态高压缸效率。
在低于70%额定负荷时,高压缸效率达到8%的偏差,所以说保证机组调节阀长时间在顺序阀方式下调整,机组效益好于单阀运行方式。
5.2.3机组煤耗:
通过综合比较,不同负荷下机组煤耗率,不同调节方式煤耗率相差4g/kwh左右,按单台600MW机组年发电量22亿度计算,年均燃煤量相差8800吨(标煤),即顺序阀方式运行比单阀运行方式平均少燃用原煤8800吨(标煤)。
哈三公司设计煤种发热量为5000大卡/kg。
而标煤发热量为7000大卡/kg,按设计煤种折算单台600MW机年均节约燃煤12320吨,从企业自身考虑即节省燃料资金,又降低了生产设备的单耗,厂用电量明显减少,效益突出。
从社会效益看减少了燃煤量,相对降低了有害气体及烟尘的排放量,有利于环境保护,同时对有限能源的可持续利用也是大有好处的。
6结论
a)从机组热经济性角度,顺序阀控制方式较好。
但如果在单阀控制方式下,如热经济性与顺序阀控制相比降低不多,也可以使用的。
b)理论计算和试验结果表明,在机组经常运行的两个低负荷点均存在最佳滑压运行参数,且理论计算和试验的最佳滑压运行主蒸汽压力基本相同。
c)顺序阀能使机组大部分时间都在经济高效状态下运行。
通过综合测算高调门优化经济运行能减少机组热耗,节约煤耗6-8g/kwh,大大降低了运行成本。
d)顺序阀运行是通过改变第一级的喷嘴数来改变通流面积从而改变蒸汽流量,但工况变动时,高压部分蒸汽的温度变化比较大,容易在调节级处产生较大热应力,从而使汽轮机负荷迅速变化的适应性降低。
另外在第一调节阀全开而第二调节阀尚未开启时,调节级焓降达到最大值,此时流过第一喷嘴组的流量也最大,由于蒸汽对动叶的冲击力与流量及焓降的乘积成正比,故这时位于第一喷嘴组后的调节级动叶的应力最大,也是最危险工况。
因此这是机组运行中必须注意的问题。
附表1#4机组单阀顺序阀试验结果汇总表(550MW)
序号
名称
单位
550MW单阀
550MW顺序阀
1
试验日期
2005.08.11
2005.08.11
3
发电机端功率
kw
540000
542000
4
#1调门开度
%
27.9
100
5
#2调门开度
%
27.9
45.9
6
#3调门开度
%
27.9
0
7
#4调门开度
%
27.9
100
8
主蒸汽压力
MPa
16.66
16.85
9
主蒸汽温度
℃
533.6
533.43
10
调节级压力
MPa
11.72
11.59
11
调节级温度
℃
487.4
484.80
12
高排压力
MPa
3.51
3.47
13
高排温度
℃
324.17
317.58
14
一抽压力
MPa
5.78
5.74
15
一抽温度
℃
394
387.36
16
再热蒸汽压力
MPa
3.17
3.14
17
再热蒸汽温度
℃
526.9
523.82
18
排汽压力
MPa
0.0065
0.0060
19
主给水流量
t/h
1780.0
1760.0
20
主给水压力
MPa
19.2
19.1
21
主给水温度
℃
272.80
272.90
22
计算主蒸汽流量
t/h
1783.0
1764.1
23
高压缸效率
%
79.18
81.35
24
试验热耗
kJ/kwh
8430.7
8322.1
25
试验热效率
%
42.7
43.3
26
主汽压力对热耗修正系数
%
1.00004
0.99922
27
主汽压力对功率修正系数
%
0.99942
1.01044
28
主汽温度对热耗修正系数
%
1.00107
1.00113
29
主汽温度对功率修正系数
%
1.00033
1.00041
30
再热温度对热耗修正系数
%
1.00237
1.00315
31
再热温度对热耗修正系数
%
0.99150
0.98891
32
再热压力降对热耗修正系数
%
1.00059
1.00046
33
再热压力降对功率修正系数
%
0.99858
0.99886
34
排汽压力对热耗修正系数
%
1.01599
1.01074
35
排汽压力对功率修正系数
%
0.98333
0.98873
36
修正后功率
kw
554788.6
549003.9
37
修正后热耗
kJ/kwh
8264.34
8201.32
38
修正后机效率
%
43.6
43.9
39
锅炉效率
%
91.99
91.99
41
厂用电率(设计值)
%
5.9
5.9
42
发电煤耗
g/kwh
316.02
313.61
43
供电煤耗
g/kwh
335.83
333.27
附表2#4机组单阀顺序阀试验结果汇总表(500MW)
序号
名称
单位
500MW单阀
500MW顺序阀
1
试验日期
2005.08.12
2005.08.12
3
发电机端功率
kw
508520
509000
4
#1调门开度
%
24.6
100
5
#2调门开度
%
24.6
21.5
6
#3调门开度
%
24.6
0
7
#4调门开度
%
24.6
100
8
主蒸汽压力
MPa
16.78
16.67
9
主蒸汽温度
℃
535.92
533.77
10
调节级压力
MPa
10.57
10.41
11
调节级温度
℃
491.2
488.8
12
高排压力
MPa
3.22
3.18
13
高排温度
℃
320.9
311.5
14
一抽压力
MPa
5.35
5.30
15
一抽温度
℃
393.35
380.48
16
再热蒸汽压力
MPa
2.91
2.88
17
再热蒸汽温度
℃
529.27
524.38
18
排汽压力
MPa
0.0058
0.0059
19
主给水流量
t/h
1445.00
1405.00
20
主给水压力
MPa
18.8
18.8
21
主给水温度
℃
268.70
267.70
22
计算主蒸汽流量
t/h
1616.306
1593.013
23
高压缸效率
%
76.37
79.46
24
试验热耗
kJ/kwh
8435.9
8383.4
25
试验热效率
%
42.7
42.9
26
主汽压力对热耗修正系数
%
0.99957
0.99913
27
主汽压力对功率修正系数
%
1.00629
1.01160
28
主汽温度对热耗修正系数
%
1.00034
1.00102
29
主汽温度对功率修正系数
%
1.00010
1.00037
30
再热温度对热耗修正系数
%
1.00185
1.00301
31
再热温度对热耗修正系数
%
0.99350
0.98938
32
再热压力降对热耗修正系数
%
1.00054
1.00039
33
再热压力降对功率修正系数
%
0.99870
0.99903
34
排汽压力对热耗修正系数
%
1.01003
1.01063
35
排汽压力对功率修正系数
%
0.98154
0.98776
36
修正后功率
kw
518835.8
515176.8
37
修正后热耗
kJ/kwh
8332.97
8265.88
38
修正后机效率
%
43.2
43.6
39
锅炉效率
%
92.21
92.21
41
厂用电率(设计值)
%
5.9
5.9
42
发电煤耗
g/kwh
317.88
315.32
43
供电煤耗
g/kwh
337.81
335.09
附表3#4机组单阀顺序阀试验结果汇总表(450MW)
序号
名称
单位
450MW单阀
450MW顺序阀
1
试验日期
2005.08.12
2005.08.12
3
发电机端功率
kw
437850
452000
4
#1调门开度
%
22.8
69.0
5
#2调门开度
%
22.8
9.0
6
#3调门开度
%
22.8
0
7
#4调门开度
%
22.8
69.3
8
主蒸汽压力
MPa
16.51
16.88
9
主蒸汽温度
℃
534.71
537.13
10
调节级压力
MPa
9.31
9.14
11
调节级温度
℃
483.5
478.40
12
高排压力
MPa
2.90
2.85
13
高排温度
℃
314.10
306.70
14
一抽压力
MPa
4.95
4.73
15
一抽温度
℃
384.8
371.26
16
再热蒸汽压力
MPa
2.65
2.58
17
再热蒸汽温度
℃
532.67
528.90
18
排汽压力
MPa
0.0059
0.0058
19
主给水流量
t/h
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- 600 MW 机组 顺序 阀滑压 运行 分析 探讨