百万千瓦级燃煤机组低煤耗运行特性研究

丛星亮，李 勇，余永生，陈 鑫

(国网安徽省电力公司电力科学研究院，合肥 230601)

百万千瓦级燃煤机组低煤耗运行特性研究

丛星亮，李 勇，余永生，陈 鑫

(国网安徽省电力公司电力科学研究院，合肥 230601)

机组的负荷对百万千瓦级超超临界机组的低煤耗运行特性具有较大的影响。通过试验的手段研究了机组负荷对锅炉热效率和汽轮机热耗的影响，以反平衡法分析了百万机组的锅炉运行的经济特性。研究发现负荷对锅炉热效率的影响程度较低，而对汽轮机的热耗影响程度较大。根据试验结果推导出百万机组低煤耗运行的最佳负荷区间。

百万千瓦级机组；供电煤耗；负荷；锅炉热效率；汽轮机热耗

我国燃煤火电技术发展已经进入超超临界参数大装机容量时期。文献[1]认为超超临界机组由于蒸汽压力和温度的提高，热效率比国内现有机组平均水平提高约10%。虽然百万千瓦级机组以其高参数的优势具备较低煤耗水平运行的特性，但是较低的负荷可能导致百万千瓦级机组不能保持这样的优势。在较低的负荷下，百万千瓦级超超临界机组运行的经济性可能比不上600 MW超超临界机组。本文通过试验的手段研究了负荷对百万千瓦级超超临界机组低煤耗运行特性的影响。从锅炉热效率和汽轮机热耗两方面详细分析了负荷对百万千瓦级机组产生影响程度，推导出百万千瓦级超超临界机组低煤耗运行的最佳负荷区间。

1 试验方法

试验选取了三个具有代表性的工况：1 000 MW负荷工况、750 MW负荷工况和500 MW负荷工况。汽轮机和锅炉的试验在每个试验工况下都同步进行。本试验主要依据GB10184—1988《电站锅炉性能试验规程》和GB 8117.2—2008《汽轮机热力性能验收试验规程》以及电厂集控运行规程及汽轮机、锅炉《热力计算汇总表》。试验采用IAPWS-IF97公式计算水和水蒸汽特性。

在锅炉热效率试验中，烟气成分分析和排烟温度是非常重要的测量参数。由于空气预热器进口和出口的烟气温度和烟气成分在烟道中的分布极不均匀，试验采用等截面网格法同时测量，主要测量方法如图1所示。将改进型的烟气取样枪和热电阻按照网格法均匀布置在烟道中，利用橡胶管将前置预处理装置、NOVA PLUS烟气分析仪和烟气分析取样枪联接在一起。试验通过前置预处理装置保证进入每根烟气取样枪的烟气流量相等；利用烟气分析仪测量和记录不同时刻的烟气成分，如烟气中氧含量、一氧化碳含量和二氧化碳含量等数据；借助温度采集系统测量和记录不同时刻的烟气温度。

图1 烟气成分分析和烟气温度测量方式

汽轮机试验测量的关键参数见图2。大部分电厂都预留了这些试验测点位置。这些主要测点全部安装了更高精度等级的试验仪表，在除氧器进口安装了标定过的ASME喷嘴，以获得最佳试验精度。试验中汽轮机侧所有压力和温度都采用双测点测量；密封水供水和密封水回水的流量都采用超声波流量计进行现场测量；过热减温水和再热减温水的流量采用孔板流量计进行测量；发电机功率采用WT3000电功率表自动测量。

图2 汽轮机侧主要测点布置图

2 试验结果分析与讨论

2.1 锅炉热效率与负荷的关系

两台百万机组的锅炉热效率与负荷的关系曲线如图3所示。由图3可知，3号机组和4号机组的锅炉热效率都较高，在不同的负荷下达到94.6%； 3号机组的锅炉热效率在三个不同的负荷下都略低于4号机组；锅炉的热效率随着机组负荷的增加并不是完全线性的增大趋势，而是呈现先增加后降低的趋势。试验表明百万超超临界燃煤火电机组的锅炉热效率最大(锅炉最经济运行工况)对应的机组负荷约为800 MW。

由于电厂在燃煤煤种管理方面，锅炉优化燃烧调整方面以及机组运行管理方面已经做了很多改进的工作，因此，3号锅炉和4锅炉的热效率已经达到很高的水平。

图3 锅炉的热效率与机组的负荷

2.2 锅炉热损失

图4和图5示出了某电厂3号锅炉和4号锅炉在负荷1 000、750和500 MW的三个工况下各种热损失，包括排烟热损失(q2)，未完全燃烧气体的热损失(q3)，固体未完全燃烧损失(q4)，散热损失(q5)和灰渣物理热量损失(q6)。由图4和图5可知，锅炉热损失中占最大份额的是排烟损失(q2)，约占到总热损失的86%～90%。散热损失(q5)占总热损失的5.8%～11.8%。其他的热损失占总热损失的比例都较低，不到1.5%。

图4 某电厂3号锅炉的各种热损失

图5 某电厂4号锅炉各种热损失

由此可知，百万超超临界机组的锅炉热效率很大程度上取决于排烟热损失。由于750 MW负荷工况的锅炉排烟热损失最小，该工况的锅炉热效率最高。锅炉的排烟热损失与排烟温度和烟气中的O2含量密切相关。在保证烟气中CO含量较低以及灰渣中的碳含量较低的情况下(保证煤完全充分燃烧)，降低排烟温度和烟气中O2含量能够进一步提升锅炉热效率。

2.3 锅炉关键测量参数

排烟的O2含量与机组负荷的关系如图6所示。由图6可知，随着机组负荷的升高，排烟的O2的含量逐渐降低。修正的排烟温度与机组负荷的关系如图7所示。由图7可知，随着机组负荷的升高，修正的排烟温度逐渐增大。由图6和图7的变化趋势可知必然存在最佳机组负荷使锅炉热效率达到最大，图3的结果也印证这一点。

图6 排烟的O2含量与机组负荷的关系

图7 修正的排烟温度与机组负荷的关系

2.4 汽轮机热耗与负荷

汽轮机修正后的热耗与机组负荷的关系见图8。随着负荷的降低，汽轮机热耗增加。在较高负荷段时，随着负荷的降低汽轮机热耗增加缓慢；在较低负荷段时，随着负荷的降低汽轮机热耗急剧增大。机组负荷从1000 MW到750 MW，热耗降低了100 kJ/kWh左右，而从750 MW到500 MW机组热耗降了近300 kJ/kWh。

图8 汽轮机修正后的热耗与机组负荷的关系

汽轮机采用单阀调节方式，在75%以上负荷，阀门开度较大 ，节流损失很小，充分发挥单阀调节的优势，热耗随负荷降低增加缓慢，而且在这一负荷段，热力参数较高，充分体现机组高参数、大容量的特点，汽轮机都能保持较高的水平运行，经济性能非常好。随着负荷继续下降，节流损失增加比较快，机组性能降低越来越明显，热耗急剧增加。因此保持较高负荷运行才能充分发挥机组超超临界参数和超大容量的特点以及单阀调节的优势。

2.5 最佳运行区间

假设锅炉热效率、汽机热耗与机组负荷呈现类似于二次曲线的规律。由于厂用电率也随负荷的变化程度相对较小，假定为常数3.1%。通过数据拟合的方式获得锅炉热效率、汽机热耗与机组负荷的关系式，外推不同负荷条件下的锅炉热效率、汽机热耗以及供电煤耗，如图9、图10和图11所示。由于3号机组和4号机组的规律相同，以3号机组的数据进行展示。由图9可知，供电煤耗随机组负荷的变化规律与汽机的热耗随机组负荷的变化规律完全一致。这表明机组运行经济性很大程度上与汽机的热耗相关。锅炉的热效率在不同负荷条件下，变化程度相对较低，与厂用电率类似可以假定为常数。

图9 汽机热耗与机组负荷的外推

图10 锅炉热效率与机组负荷的外推

由图11可知，机组整体运行在负荷850 MW以上，供电煤耗基本不变。当负荷低于700 MW后，供电煤耗随着机组负荷的降低呈现大幅度增加的趋势。因此，百万机组最经济的运行负荷在850 MW以上，如果机组运行700 MW以下，将不能很好的发挥百万机组高参数和大容量的优势。文献[2]的研究也发现当机组的负荷低于75%THA工况后，机组煤耗将大幅度增加。

图11 供电煤耗与机组负荷的外推

3 结语

(1) 百万机组的锅炉热效率随着机组负荷的增加呈现先升高后降低的趋势，锅炉的热效率很大程度上取决于排烟损失。锅炉的排烟损失与排烟温度和烟气中的O2含量密切相关。

(2) 随着机组负荷的升高，汽轮机修正后的热耗降低，且热耗降低的幅度逐渐减小。这表明机组负荷越高，其运行经济性越好。

(3) 百万超超临界机组低煤耗运行的最佳在负荷850 MW及以上。当负荷低于700 MW后，供电煤耗随着机组负荷的降低呈现较大幅度增加。

[1] 高正阳,宋 玮,方立军,等. 1000MW超超临界机组双切圆锅炉NO排放特性的数值模拟[J].中国电机工程学报, 2009,29(32):12-18.

[2]李 冉. 1 000 MW超超临界机组能耗分析与优化[D].北京：华北电力大学,2013.

(本文编辑：赵艳粉)

Operation Characteristics of 1000 MW Coal-Fired Units with Low Coal Consumption

CONG Xing-liang, LI Yong, YU Yong-sheng, CHEN Xin

(State Grid Electric Power Research Institute, Anhui Electric Power Company, Hefei 230601, China)

The load of the units has a great impact on the operation characteristics of 1000 MW ultra-supercritical coal-fired units with low coal consumption. The influence of the load on boiler thermal efficiency and turbine heat rate had been researched in experiments. The economic characteristics of the boiler were analyzed on the basis of the negative equation. It was found that the load had lower effect on boiler thermal efficiency, but larger influence on turbine heat rate. The optimal load range of the 1000 MW units was deduced based on the experimental data.

1 000 MW coal-fired units; net coal consumption rate; load; boiler thermal efficiency; turbine heat rate

10.11973/dlyny201606017

丛星亮(1985)，男，博士，研究方向电站锅炉性能试验及其燃烧优化。

TK225

A

2095-1256(2016)06-0746-04

2016-09-17