1000MW超超臨界汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)優(yōu)化1000MW超超臨界汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)優(yōu)化及討論馮偉忠（上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司， 上海 郵編200137）【摘要】：外高橋三期21000MW超超臨界汽輪機(jī)為上汽（SIEMENS）機(jī)型，采用補(bǔ)汽閥調(diào)頻及過負(fù)荷調(diào)節(jié)。通過優(yōu)化，以壓力條件作為劃分定壓和滑壓的判據(jù)，最高冷卻水溫條件下功率1000MW時不開補(bǔ)汽閥，且其他水溫下能在功率1000MW且P1000MW后補(bǔ)汽閥開啟并轉(zhuǎn)為27MPa定壓運(yùn)行方式。相應(yīng)的，平均冷卻水溫時的1000MW運(yùn)行壓力下滑為25.81MPa。 滑壓與定壓（開補(bǔ)汽閥）的分界不按功率分，采用壓力準(zhǔn)則。汽機(jī)主汽門前壓力27MPa采用純滑壓運(yùn)行，與負(fù)荷及冷卻水溫?zé)o關(guān)。按此準(zhǔn)則，平均冷卻水溫時的最高滑壓功率達(dá)1043MW。且冷卻水溫低于平均值時，最高滑壓運(yùn)行功率更高。4、再熱蒸汽系統(tǒng)壓降優(yōu)化目前我國的設(shè)計規(guī)范，再熱系統(tǒng)的壓降按高壓缸排汽壓力P2的10%控制，通常是鍋爐再熱器及冷、熱再熱管道各占一半。這一壓降的取值，是技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的產(chǎn)物。因為該壓降吞噬了一部分再熱蒸汽的做功能力，增加了汽輪機(jī)的熱耗。但減少這一壓降需增加管道（含再熱器）的投資。隨著燃料價格的不斷上漲及超臨界機(jī)組的再熱壓力比亞臨界機(jī)組有較大的提高，美、歐的設(shè)計規(guī)范早已將此壓降定在P2的8%及以下。1996年外高橋二期900MW機(jī)組的招標(biāo)書，根據(jù)咨詢方美國Sarginlandy的意見，按P2的8%作要求。最終的招標(biāo)結(jié)果是德國ALSTOM中標(biāo)，再熱系統(tǒng)壓降為P2的6.67%。現(xiàn)具體分析一下再熱系統(tǒng)壓降減少后對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響。若蒸汽流量不變，按式1，中壓缸的進(jìn)汽壓力不變。相應(yīng)的，再熱系統(tǒng)壓降的減少即為高壓缸排汽壓力P2的下降，即由P2變?yōu)镻2a（見圖3）。再者，通常P2約為高壓缸進(jìn)汽壓力的1/4。由式1即可推得，P2的變化對高壓缸進(jìn)汽壓力的影響極小。圖中：122a為高壓缸絕熱做功過程線，3a33b為再熱器等壓吸熱過程線。23及2a3a為虛擬的再熱系統(tǒng)等焓節(jié)流過程線。P2及P2a均為等壓線。圖3 再熱系統(tǒng)壓降變化影響圖從圖3可見，當(dāng)排汽壓力由P2變?yōu)镻2a后，高壓缸蒸汽的單位有效焓降增加了hA= h2-h2a。當(dāng)然，進(jìn)入再熱器的蒸汽焓亦同樣下降，與原先相比，需增加一單位吸熱量hR= h3-h3a= h2-h2a=hA。不過，由于回?zé)岢槠?，進(jìn)入中壓缸的蒸汽量只有主蒸汽流量的83%，或高壓缸排汽流量的87%。因此，再熱器內(nèi)的總吸熱量的增量小于高壓缸總做功能力的增量。這相當(dāng)于在原有的熱力循環(huán)上增加了一個效率高于100%的小循環(huán)，其結(jié)果必然使機(jī)組的效率提高，熱耗下降。根據(jù)計算，再熱系統(tǒng)的壓降從10%P2減為9%P2，汽輪機(jī)熱耗約下降0.072%，以此類推。應(yīng)該說，這一數(shù)值是較可觀的。根據(jù)這一分析及兼顧造價，我們最終仍沿用二期的壓降控制原則。除鍋爐再熱器壓降在招標(biāo)時就已明確外，冷、熱再熱管道的壓降控制并不采用簡單的加大管徑的方法。與其他同類項目不同，我們堅持參照二期工程的設(shè)計，除個別點(diǎn)布置困難而采用1.5D的管件彎頭外，其他所有彎頭均采用3D的彎管。另外，再適當(dāng)增加了冷再熱管道的管徑。綜合優(yōu)化再熱系統(tǒng)的結(jié)果，竟獲得了三重效益：彎管的造價遠(yuǎn)低于彎頭，明顯降低了四大管道的總造價，同比下降約20%；3D的彎管的局部阻力系數(shù)大大低于1.5D彎頭，有效的減少了管系的壓降。根據(jù)SIEMENS提供的效率修正曲線，汽輪機(jī)的熱耗將因此下降18kJ/kWh；與1.5D的管件彎頭相比，3D的彎管在運(yùn)行時產(chǎn)生的振動能量將明顯下降，這更有利于管系的安全運(yùn)行。5、汽輪機(jī)背壓優(yōu)化5.1 低壓缸配置討論鑒于SIEMENS汽輪機(jī)獨(dú)特的推（拉）桿和單支點(diǎn)軸系技術(shù)，單軸四缸不再是大機(jī)組的限制，德國已有五缸六排汽的百萬級超超臨界機(jī)組的成功經(jīng)驗，且增加排汽面積，減少余速損失和降低背壓對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性亦有著舉足輕重的影響，外高橋三期1000MW機(jī)組的招標(biāo)時規(guī)定投標(biāo)商可投四缸及五缸方案。上汽（SIEMENS）做了響應(yīng)。其四缸方案已如前所述，排汽面積為410.96 m2，末級葉片1146mm（與外高橋二期900MW機(jī)組相同）。五缸方案的排汽面積為68.9m2，末級葉片977mm（與德國Boxberg電廠910MW機(jī)組相同）。與四缸相比，五缸方案的熱耗約能下降1%余。但因其價格較高，最終沒能采用，留下了一個永久的遺憾。在中國的北方，特別是內(nèi)蒙、東北等地區(qū)，全年的平均水溫遠(yuǎn)低于長江口。比照德國Boxberg電廠910MW機(jī)組，Niederaussem電廠1025MW機(jī)組（采用1146mm末級葉片，排汽面積達(dá)610.96 m2），設(shè)計冷卻水進(jìn)/出水溫14/24，背壓低達(dá)2.91/3.68KPa，與常規(guī)背壓相比，可提高機(jī)組效率1.4%。作為比較，采用600/600的超超臨界蒸汽參數(shù)，也不過提高機(jī)組效率1.3%。因此，在平均水溫較低的地區(qū)，我們在著眼提高蒸汽初參數(shù)的同時，更應(yīng)注意降低背壓，否則也是一種資源浪費(fèi)。從技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略上來說，若能在國內(nèi)出現(xiàn)一個五缸的成功案例，對推動我國百萬級汽輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性有著不可估量的意義。5.2 雙背壓與外高橋900MW機(jī)型不同，投標(biāo)方案采用雙背壓。這樣，同樣的循環(huán)冷卻水流量及水溫，在不增加凝汽器冷卻面積的情況下，可以獲得更低的平均背壓，提高了經(jīng)濟(jì)性。5.3 背壓優(yōu)化對于四缸方案，仍存在著進(jìn)一步的優(yōu)化空間。通過對外高橋區(qū)域長江水溫的統(tǒng)計顯示，年平均水溫為18.75，考慮增加21000MW熱負(fù)荷后的區(qū)域溫升，三期的設(shè)計冷卻水溫定為19，經(jīng)核算，設(shè)計背壓可從4.19/5.26 kPa下降為3.86kPa/4.88kPa，熱耗則可下降19kj/kwh。給水泵汽輪機(jī)自設(shè)凝汽器，排汽不再進(jìn)入主機(jī)凝汽器。與二期相比，主凝汽器結(jié)構(gòu)及冷卻面積完全相同（44000m2），而VWO工況的排汽流量由1776T/h（含給水泵汽輪機(jī)）降為1613T/h，即降低了傳熱強(qiáng)度，亦減少了凝汽器汽側(cè)的流動壓降，相應(yīng)又可降低背壓和端差，進(jìn)一步提高了經(jīng)濟(jì)性。另外，采用單臺100%容量汽動給水泵，且選用的給水泵汽輪機(jī)效率高達(dá)86.7%，減少了抽汽量，使主機(jī)汽耗下降，折合熱耗下降18 kj/kwh。6、結(jié)論6.1 從綜合運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性評價，采用補(bǔ)汽閥的滑壓運(yùn)行及調(diào)頻方式優(yōu)于外高橋二期900MW機(jī)組的改進(jìn)型節(jié)流滑壓運(yùn)行和調(diào)頻方式。鑒于補(bǔ)汽閥開啟后會引起顯著的效率下降，應(yīng)避免在穩(wěn)定工況的額定功率及以下開啟補(bǔ)汽閥。6.2 采用壓力條件作為劃分定壓和滑壓的判據(jù)，既確保了最高冷卻水溫時1000MW不開補(bǔ)汽閥，保證了通常運(yùn)行工況的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，又使機(jī)組在其他水溫下能在1000MW且27MPa的情況下盡可能進(jìn)行滑壓運(yùn)行，進(jìn)一步提高了過負(fù)荷運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。6.3再熱系統(tǒng)壓降控制為P2的6.67%，且采用3D彎管的再熱管系設(shè)計，即降低造價，提高了熱經(jīng)濟(jì)性，又能降低管系的振動能量，提高運(yùn)行安全性。6.4 最終沒能促成五缸方案的實施而留下了遺憾，但通過降低冷卻水設(shè)計溫度，單獨(dú)設(shè)汽動給水泵汽輪機(jī)的凝汽器，降低進(jìn)入主凝汽器的蒸汽流量及熱負(fù)荷，降低了機(jī)組平均背壓和端差，進(jìn)一步提高了機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。參考文獻(xiàn)： 馮偉忠。