超超臨界機(jī)組先進(jìn)技術(shù).ppt

1000MW超超臨界機(jī)組先進(jìn)技術(shù) 汽輪機(jī)運(yùn)行方式優(yōu)化,山西電力科學(xué)研究院 段秋剛 2009年3月15日,目錄,1、前言 2、滑壓運(yùn)行的優(yōu)勢(shì) 3、全周進(jìn)汽汽輪機(jī)概述 4、全周進(jìn)汽運(yùn)行模式 5、過載補(bǔ)汽技術(shù) 6、凝結(jié)水節(jié)流技術(shù) 7、機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀 8、機(jī)組運(yùn)行方式優(yōu)化 9、結(jié)論,前言,以汽輪發(fā)電機(jī)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(jī)組在能量轉(zhuǎn)換過程中，由于存在著各種能量損失，影響機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的因素很多，歸納為：主要設(shè)備的內(nèi)在性能和機(jī)組運(yùn)行管理水平。就電廠而言如何提高發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，關(guān)鍵在于優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行方式，減小機(jī)組運(yùn)行的節(jié)流損失，有效提高機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)。,機(jī)組滑壓運(yùn)行的優(yōu)勢(shì),純滑壓運(yùn)行的汽輪機(jī)，由于沒有低效率的調(diào)節(jié)級(jí)，不僅在額定負(fù)荷時(shí)，可較定壓運(yùn)行熱經(jīng)濟(jì)性提高0.4%左右，而且在低負(fù)荷時(shí)，也較定壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性為高。單元機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，可以近似輸出凈功率的循環(huán)實(shí)際效率（機(jī)組的絕對(duì)內(nèi)效率）來表示，它決定于汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率、循環(huán)的熱效率和給水泵的耗功。,1）兩種運(yùn)行方式下汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率ri比較如圖所示，定壓運(yùn)行時(shí)相對(duì)內(nèi)效率隨負(fù)荷降低而顯著下降；滑壓運(yùn)行時(shí)相對(duì)內(nèi)效率與負(fù)荷基本無關(guān)，不會(huì)隨負(fù)荷減少而降低。這是因?yàn)榛瑝哼\(yùn)行時(shí)全周進(jìn)汽節(jié)流損失小、蒸汽容積流量基本不變，漏汽損失小、末級(jí)濕度減小等。,2）低負(fù)荷下的循環(huán)熱效率t一般情況機(jī)組的滑壓運(yùn)行都較定壓運(yùn)行為低。由于新蒸汽壓力隨負(fù)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(jì)工況時(shí)蒸汽參數(shù)愈低，它的下降也愈顯著。 3）總的來說，機(jī)組的毛絕對(duì)內(nèi)效率i=tri，只有在蒸汽初參數(shù)足夠高和負(fù)荷較低時(shí)，滑壓運(yùn)行汽輪機(jī)的毛絕對(duì)內(nèi)效率才有可能比定壓運(yùn)行噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機(jī)為高。,4）給水泵是單元機(jī)組能耗最大的輔機(jī)。其功率約占主機(jī)容量的2%-7%。因此降低給水泵的功率對(duì)發(fā)電的熱耗和效率影響很大。單元機(jī)組滑壓運(yùn)行時(shí)，給水泵亦滑壓運(yùn)行，低負(fù)荷時(shí)它的壓力流量都同時(shí)降低，因而耗功將明顯下降。在50%負(fù)荷時(shí)，滑壓運(yùn)行給水泵的耗功僅為定壓運(yùn)行時(shí)的55%。,因此在低負(fù)荷時(shí)考慮了給水泵的耗功后，機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性（凈絕對(duì)內(nèi)效率）更有利于滑壓運(yùn)行。圖2為一臺(tái)滑壓運(yùn)行汽輪機(jī)，相對(duì)于定壓運(yùn)行噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的熱經(jīng)濟(jì)性比較圖。圖中以凈熱耗率的相對(duì)值q來表示熱經(jīng)濟(jì)性。由圖上可以看出：蒸汽初參數(shù)低于12.5MPa的采用滑壓運(yùn)行，除額定負(fù)荷附近，并沒有經(jīng)濟(jì)性的好處；蒸汽初參數(shù)為18MPa的滑壓運(yùn)行汽輪機(jī)，也只有50%以下負(fù)荷時(shí)，才比定壓運(yùn)行時(shí)熱耗率低；25MPa初參數(shù)的汽輪機(jī)，則在整個(gè)負(fù)荷變化范圍內(nèi)比定壓運(yùn)行噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的熱耗率低。,全周進(jìn)汽汽輪機(jī)概述,近幾年投產(chǎn)的1000MW超超臨界機(jī)組大部分采用德國(guó)SIEMENS的技術(shù)，無調(diào)節(jié)級(jí)，采用全周進(jìn)汽，并采用了過載補(bǔ)汽閥，利用過載補(bǔ)汽技術(shù)減小機(jī)組在額定工況及以下運(yùn)行的節(jié)流損失，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。陽城國(guó)際發(fā)電有限責(zé)任公司6350MW機(jī)組、山東日照電廠2350MW機(jī)組、福州電廠2350MW機(jī)組、河北邯蜂電廠2660MW機(jī)組均為德國(guó)SIEMENS公司生產(chǎn)的KN系列亞臨界反動(dòng)式單軸、雙缸、兩排汽、一次中間再熱凝汽式汽輪機(jī)，該系列汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)配汽方式與目前較為先進(jìn)的1000MW超超臨界機(jī)組的類似。借鑒1000MW超超臨界機(jī)組先進(jìn)的控制理念和方法，提高該系列全周進(jìn)汽亞臨界機(jī)組經(jīng)濟(jì)性大有研究空間和挖掘潛力。,全周進(jìn)汽運(yùn)行模式,對(duì)全周進(jìn)汽的結(jié)構(gòu)形式，機(jī)組無調(diào)節(jié)級(jí)，第一級(jí)葉片與其它級(jí)一樣，其進(jìn)汽壓力及焓降均與流量成正比，機(jī)組運(yùn)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(jìn)汽壓力的方式調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的進(jìn)汽量及功率。這種設(shè)計(jì)的高壓第一級(jí)葉片不存在部分進(jìn)汽引起的沖擊載荷，葉片應(yīng)力與機(jī)組的負(fù)荷同步變化，使該級(jí)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(jí)葉片的強(qiáng)度問題。 全周進(jìn)汽因不存在噴嘴配汽方式下的高溫葉片強(qiáng)度極限、汽隙激振等問題，因此是1000MW級(jí)超超臨界參數(shù)機(jī)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(jī)中，全周進(jìn)汽模式的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于： 1）由于無強(qiáng)度不足的限制，因此即使功率增加到1000MW等級(jí)，仍可單流程葉片級(jí)，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(jìn)汽無任何附加汽隙激振，提高了機(jī)組軸系的穩(wěn)定性。 3）高壓一級(jí)葉片的焓降僅為噴嘴調(diào)節(jié)部分進(jìn)汽滑壓的1/5，最大載荷僅1/4左右，徹底解決了第一級(jí)葉片的安全性問題。高壓葉片不再約束機(jī)組參數(shù)的提高和功率的增大。高壓缸設(shè)計(jì)壓力可達(dá)到30MPa，單流程功率可達(dá)到1200MW等級(jí)。 4）對(duì)超臨界參數(shù)熱力循環(huán)，部分負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性高，例如：對(duì)于50%負(fù)荷滑壓運(yùn)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(jìn)汽的結(jié)構(gòu)形式，第一級(jí)（調(diào)節(jié)級(jí)）葉片在低負(fù)荷、最小部分進(jìn)汽時(shí)應(yīng)力遠(yuǎn)大于額定負(fù)荷工況，加上部分進(jìn)汽的沖擊載荷等因素，該級(jí)葉片的動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)成為整個(gè)機(jī)組安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。對(duì)于超超臨界參數(shù)機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往的強(qiáng)度極限工況，為保證安全性，不得不采用雙流調(diào)節(jié)級(jí)。而雙流和超臨界壓力兩個(gè)因素的迭加，高壓葉片的端損大幅增加，效率明顯下降。同時(shí)，基于噴嘴調(diào)節(jié)的機(jī)理，即使采用雙流程，調(diào)節(jié)級(jí)葉片仍處在工作溫度最高、應(yīng)力最大的強(qiáng)度極限條件下。 2）噴嘴調(diào)節(jié)部分進(jìn)汽在超超臨界參數(shù)下更容易形成汽隙激振，不利于機(jī)組部分負(fù)荷下的安全運(yùn)行。 3）超臨界參數(shù)下熱力循環(huán)滑壓運(yùn)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(shì)已不明顯。,過載補(bǔ)汽技術(shù),過載補(bǔ)汽技術(shù)是SIEMENS公司在1000MW超超臨界機(jī)組上采用的一項(xiàng)獨(dú)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(bǔ)汽閥節(jié)流后低參數(shù)進(jìn)入高壓缸某級(jí)葉片后室，與新蒸氣混合后在以后各級(jí)繼續(xù)膨脹做功。當(dāng)汽輪機(jī)的進(jìn)汽量大于額定流量的情況下，可采用過載補(bǔ)汽技術(shù)。,針對(duì)無調(diào)節(jié)級(jí)，全周進(jìn)汽，滑壓運(yùn)行的機(jī)組，采用補(bǔ)汽技術(shù)有兩個(gè)目的：1）使滑壓運(yùn)行的機(jī)組在額定流量下，進(jìn)汽壓力達(dá)到額定值，即機(jī)組在額定工況及以下運(yùn)行無節(jié)流損失；2）使機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，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(dòng)。 過載補(bǔ)汽閥只在額定負(fù)荷以上的運(yùn)行區(qū)域及需要調(diào)頻時(shí)開啟，大部分時(shí)間備而不用。補(bǔ)汽技術(shù)提高了汽輪機(jī)的過載、調(diào)頻能力，進(jìn)一步提高了全周進(jìn)汽輪機(jī)型的安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行靈活性。按照IEC規(guī)定，當(dāng)額定流量為最大流量的95%時(shí)，補(bǔ)汽技術(shù)的得益使額定負(fù)荷的熱耗降低20KJ/(kWh)以上。由于過載補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)汽調(diào)節(jié)的運(yùn)行方式，雖然在額定負(fù)荷及以下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)經(jīng)濟(jì)性較高，但當(dāng)機(jī)組參與調(diào)頻運(yùn)行或過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于過載補(bǔ)汽閥的開啟，機(jī)組的熱耗明顯增加，約增加40KJ/(kWh)以上，經(jīng)濟(jì)性將隨著補(bǔ)汽量的增加而下降，在VWO工況機(jī)組的效率將下降2%左右。 而目前我國(guó)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(jī)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(bǔ)汽調(diào)節(jié)方式運(yùn)行的機(jī)組過載補(bǔ)汽閥會(huì)頻繁開啟，從而降低機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)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(fù)荷初期的負(fù)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(fù)荷響應(yīng)的延時(shí)。提高機(jī)組的調(diào)峰、調(diào)頻能力。在國(guó)外已開始逐步推廣應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)還屬于嘗試階段，目前只有個(gè)別1000MW超超臨界機(jī)組在嘗試采用。 凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)的變負(fù)荷過程為：加負(fù)荷時(shí)，減小凝結(jié)水流量，使進(jìn)入低加的抽汽量減少，機(jī)組發(fā)電功率增加。此時(shí)除氧器水位下降，凝汽器水位上升；減負(fù)荷時(shí)，增加凝結(jié)水流量，使進(jìn)入低加的抽汽量增加，機(jī)組發(fā)電功率減少，此時(shí)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(duì)象特性試驗(yàn) ，當(dāng)快速改變30%左右的凝結(jié)水流量，機(jī)組負(fù)荷在30秒左右變化1.5%，且能維持一段時(shí)間，這說明凝結(jié)水節(jié)流對(duì)負(fù)荷的快速響應(yīng)是有效的。,機(jī)組采用全周滑壓運(yùn)行方式，又要避免由于過載補(bǔ)汽閥的開啟，顯然提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，但機(jī)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(fù)荷響應(yīng)的快速性。 因此，機(jī)組采用全周滑壓運(yùn)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(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的有效組合。,同類型亞臨界機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀,該系列全周進(jìn)汽亞臨界機(jī)組目前以SIEMENS公司推薦的改進(jìn)的滑壓運(yùn)行方式之一為基礎(chǔ)。 SIEMENS公司推薦的改進(jìn)的滑壓運(yùn)行方式是在0-50%和90%（95%）-100%工況范圍內(nèi)為定壓運(yùn)行，在50%-90%（95%）工況范圍內(nèi)為滑壓運(yùn)行，改進(jìn)的滑壓運(yùn)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(shí)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(shí)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(jìn)汽亞臨界機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行方式是以第二種改進(jìn)的滑壓運(yùn)行方式為基礎(chǔ)，即實(shí)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(jī)組的實(shí)際運(yùn)行方式所產(chǎn)生的節(jié)流損失遠(yuǎn)大于SIEMENS公司推薦的任何一種改進(jìn)的滑壓運(yùn)行方式。,亞臨界機(jī)組運(yùn)行方式優(yōu)化,過載補(bǔ)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(yùn)行方式機(jī)組的調(diào)頻、調(diào)峰能力，而只有超臨界機(jī)組采用全周滑壓運(yùn)行方式具有好的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于亞臨界機(jī)組，從機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和安全性等方面綜合考慮采用定-滑-定的運(yùn)行方式更為合適，通過修正機(jī)組的初壓曲線使機(jī)組達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)更具有實(shí)質(zhì)性意義。,1）采用SIEMENS公司推薦的改進(jìn)的滑壓運(yùn)行方式，即在機(jī)組現(xiàn)有運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上，采用實(shí)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(jī)組的節(jié)流損失5%，提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。,2）根據(jù)機(jī)組的汽耗率修正機(jī)組的滑壓比例，始終保證汽輪機(jī)的進(jìn)汽量與機(jī)組的滑壓曲線相匹配，始終保證高壓調(diào)汽門運(yùn)行在最佳的工作點(diǎn)，既保證機(jī)組運(yùn)行較小的節(jié)流損失，又避免高壓調(diào)汽門頻繁波動(dòng)，影響抗燃油系統(tǒng)的穩(wěn)定。即： Pact=(D%/N%)(Pnat+5%),3）對(duì)于采用噴嘴節(jié)流調(diào)節(jié)的機(jī)組，運(yùn)行方式的優(yōu)化同樣可以借鑒，即采用順序閥運(yùn)行，保證機(jī)組在滑壓運(yùn)行