汽轮机组调峰技术经济性研究

2022-12-20孙海颖

电器工业 2022年12期

孙海颖

（京能（赤峰）能源发展有限公司）

0 引言

近年来随着我国经济的快速发展，人民生活水平日益提高，居民生活用电和商业用电占总用电量的占比显著上升，引起了用电负荷峰谷效应的进一步加剧，这就使得通常参与基本负荷控制的发电机组必须参与电网的调峰控制中，并且一般情况下都处于低负荷运行状态[1-2]。所以，十分有必要对汽轮机组的调峰技术展开深入研究，设计出高效的汽轮机组，参与到电网的调峰控制中，实现整个电力行业技术水平的总体提升，创造更多的经济价值和社会价值[3]。

1 汽轮机组循环效率

一般情况下通过两种方法能够提高汽轮机组的循环效率，第一种方法是加大蒸汽初参数和终参数的差值，即提高初参数，并且降低终参数[4]；第二种方法是对热循环系统进行改造，从热力学的角度进行分析，热循环系统入口参数值越高，出口参数值越低，就能够实现热循环效率的提高[5]。进口参数值与负荷为正向关联关系，当汽轮机组运行在基本负荷状态时，其进口参数值与设计参数是相匹配的，此时的循环效率较高，但是随着负荷的逐步降低，进口参数也会随着降低，热循环效率也就随着下降[6-7]。对于普通的汽轮机组，热耗率为：

通常情况下，汽轮机组的运行负荷不足满负荷的一半时，汽轮机组的循环效率相对于额定工况来说，降低程度为5%左右[8]。如果在非满负荷工况下酌情降低汽轮机系统的通流面积，将汽轮机系统在此时工况下的进口参数保持在较高的状态，则能够在一定程度上提高汽轮机系统的循环效率[9-10]。正是基于上述分析，再结合电网的峰谷特性效应，本文提出了一种新型的调峰汽轮机组。

2 新型调峰汽轮机组结构

根据燃煤型发电机组的运行数据，调峰汽轮机组的工作负荷主要分布在两个区间，分别是高负荷区间（75%～90%）和低负荷区间（40%～55%）[11-12]。在进行调峰汽轮机组的结构设计时，必须要以电网的峰谷特性效应为基础，进行工况点的设计。新型调峰汽轮机组主要包括两个部分，即汽轮机系统和调峰汽缸，调峰汽轮机组的基本结构如图1 所示。图中的导向线和数字表示了流动的方向和流动的顺序。

图1 新型调峰汽轮机组结构

汽轮机系统包含了五个部分，分别是编号为A的汽轮机高压汽缸、编号为B 的汽轮机中压汽缸、编号为C 的汽轮机低压汽缸、编号为D 的汽轮机低压汽缸、编号为G 的发电机；调峰汽缸包含了两个部分，分别是编号为E 的高压缸和编号为F 的中压缸，阀门a 和阀门b 分别为汽轮机系统低压缸的进汽调节阀门。主汽轮机系统还配置了抽汽单元，对进入锅炉的给水进行预加热，调峰汽缸将高压汽缸和中压汽缸集成在一起，没有配置抽汽单元。汽轮机系统和调峰汽缸一起配置在同轴上，两部分之间配置有同步离合器（S）。

调峰汽轮机组一共有三种工作模式：

（1）模式一

汽缸A、汽缸B、汽缸C 串接在一起，汽缸D、汽缸E、汽缸F 同样串接在一起，控制汽缸A 的阀门保持在全开通状态，调节汽缸E 的进汽量。

（2）模式二

直接将汽缸E 和汽缸F 切除掉，将汽缸C 和汽缸D 并接在一起，再与汽缸B 串接在一起，即控制阀门a 处于全开通状态，阀门b 处于全关闭状态。

（3）模式三

汽缸A、汽缸B、汽缸C 串接在一起，汽缸D、汽缸E、汽缸F 同样串接在一起，对汽缸A 和汽缸E进行同步调节。

当调峰汽轮机组以高负荷状态运行时，可以选择模式一和模式三；当调峰汽轮机组以低负荷状态运行时，可以选择模式二。

调峰汽轮机组的全负荷工况可以归纳为两种运行模式：

（1）同步调节模式

汽缸A、汽缸B、汽缸C 串接在一起，汽缸D、汽缸E、汽缸F 同样串接在一起，对汽缸A 和汽缸E进行同步调节。

（2）分段调节模式

当调峰汽轮机组以高负荷状态运行时，汽缸A、汽缸B、汽缸C 串接在一起，汽缸D、汽缸E、汽缸F 同样串接在一起，控制汽缸A 的阀门保持在全开通状态，调节汽缸E 的进汽量；当调峰汽轮机的符合低于一定阈值时，直接将汽缸E 和汽缸F 切除掉，将汽缸C 和汽缸D 并接在一起，再与汽缸B 串接在一起，即控制阀门a 处于全开通状态，阀门b 处于全关闭状态。

同步调节模式下，调峰汽轮机组与普通汽轮机组的运行方式一致；分段调节模式下，低负荷工况下切除调峰气缸后，通流截面积降低，进口参数显著提升。

3 新型调峰汽轮机组热平衡分析

根据电网的峰谷特性效应，再结合双工况点的基本概念，对1000MW 等级的超超临界机组进行了设计，工况点X 状态描述为汽轮机系统和调峰汽缸的进汽阀门处于全开状态，进汽口参数与额定参数相匹配，此时调峰汽轮机组的输出电功率为1000MW；工况点Y 状态描述为调峰汽缸处于切除状态，汽轮机系统的阀门处于全开状态，进汽口参数与额定参数相匹配，此时调峰汽轮机组的输出电功率为650MW。下表给出了普通汽轮机组与调峰汽轮机组在额定工况点的输出功率分配情况，从表中可以看出调峰汽轮机组在额定工况点，高压汽缸和中压汽缸的输出功率相对于普通的汽轮机组降低了30% 以上，低压汽缸的输出功率基本保持不变。

表额定工况点输出功率分配

如图2 所示，在满负荷工况时，调峰汽轮机组两种运行模式下和普通汽轮机组的热耗率分析。它们在额定工况点（即1000MW）的热耗率完全一致，随着负荷的逐步降低，同步调节模式与普通汽轮机组的热耗率变化情况完全一致（热耗值绝对值的差异与调峰汽轮机组的实际设计情况相关联，与曲线中的热耗相比有一定程度的偏差）。分段调节模式下，在高负荷运行状态时，调峰汽轮机组的热耗率要比普通汽轮机组要高，这是由于在高负荷运行状态时，要靠调峰汽缸独立调节，而对于汽轮机汽缸而言，参数变化幅度放大，所以对性能的影响程度也随之放大，影响尚在可控范围可接受范围内。当调峰汽轮机组的实际运行负荷低于调峰汽轮机组的设计负荷时，将调峰汽缸切除，保证其处于热备用状态，其热耗率开始明显低于同步调节模式和普通汽轮机组；当低于一般的额定负荷时，分段调节模式下的热耗率要比普通的汽轮机组要低3%左右，这个带来的经济效益十分可观。

图2 满负荷时热耗率变化曲线

如图3 所示，在满负荷工况时，调峰汽轮机组与普通汽轮机组的主蒸汽压力相对于额定工况点的变化趋势分析。当调峰汽轮机组的运行负荷要高于调峰汽轮机组的设计负荷时，主蒸汽压力值通常都会与设计压力值相匹配，通过调节汽轮机的进汽流来控制功率的输出，造成了一定程度的节流损失；当调峰汽轮机组的运行负荷要低于调峰汽轮机组的设计负荷时，调峰汽缸被完全切除，保证其处于热备用状态，主蒸汽压力值随着负荷的变化而逐步降低。

图3 调峰汽轮机组主蒸汽压力变化对应曲线

普通汽轮机组在低负荷工况时，由于主蒸汽压力的降低，进入锅炉前的给水温度也会降低，这就是造成低负荷工况时循环效率低的关键原因之一。当前很多汽轮机组都是通过配置额外的加热器来提高给水温度，这就导致了采购和运营成本的升高，同时也需要在汽轮机的高压汽缸上配置抽汽单元，同样也会对循环效率造成影响。调峰汽轮机组，在低负荷工况下的进汽压力要明显高于普通汽轮机组，这样就导致了给水温度升高，这样不需要额外配置加热器也能够使得给水保持较高的温度。给水温度与负荷变化情况的关系如图4 所示，调峰汽轮机组与不带加热器的普通汽轮机组和带加热器的普通汽轮机组相比，回热性能都更优，这也就是造成分段调节模式下调峰汽轮机组的热耗率要比普通的汽轮机组要低3%左右的其中一个原因。