1 000 MW超超临界机组工况定义条件优化探讨

周正道， 华志刚， 包伟伟， 张晓辉， 李继宏

(1. 国家电力投资集团有限公司， 北京 100033； 2. 国家电投集团中央研究院， 北京 102209)

进入21世纪后，我国电力行业快速发展，装机容量不断创造历史新高。近年来，随着风能、光伏等新能源发电装机份额的提升以及我国经济增速的下降，电力行业出现了严重的产能过剩现象。据统计，截至2017年底，全国发电装机容量为17.8亿kW，同比增长7.6%，火电设备全年平均利用时间为4 209 h[1]。我国依然处于发电产能过剩状态，大型火电机组将长期运行在中低负荷。

目前，国内设计标准对火电机组的基本要求仍是四大工况定义要求。四大工况即热耗率考核工况(THA工况)、铭牌工况(TRL工况)、汽轮机最大连续运行工况(TMCR工况)及阀门全开工况(VWO工况)。按此要求设计，在VWO工况下，机组进汽质量流量约是TRL工况进汽质量流量的1.05倍，约是THA工况进汽质量流量的1.13倍。该要求导致汽轮机通流设计面积增大，再考虑制造及安装因素的影响，机组的实际通流面积严重偏大。根据实际情况，有的660 MW机组在三阀全开工况下功率可达到700 MW。在当前火电机组负荷率不高的情况下，会导致机组的热力循环参数严重偏离额定值，其中最主要的表现为主蒸汽压力及给水温度的偏离，导致循环热效率降低，影响机组运行经济性[2-3]。

因此，应该根据电力行业形势变化及火电机组运行负荷不断下降的现状，对现行四大工况定义条件及时优化，以适应新形势下机组高效运行要求。笔者以某新型高效1 000 MW超超临界湿冷机组为例，采用热力系统的分析计算方法，对其不同工况定义参数的经济性进行计算，并论述对机组运行经济性的影响。

1 机组概况

该机组汽轮机为一次中间再热、单轴、四缸四排汽、湿冷、凝汽式汽轮机，其主要技术规范见表1。机组设置10级回热抽汽，共有4个高压加热器(包括0号高压加热器)、1个除氧器、5个低压加热器，其中3号高压加热器增设外置蒸汽冷却器。机组采用全周进汽、节流调节运行方式。通流部分采用多级反动式设计，高压部分设置15个压力级，中压部分设置2×12个压力级，低压部分设置2×2×5个压力级。末级叶片采用1 220 mm叶片，排汽面积为11.30 m2。在THA工况下，高、中、低压缸效率分别为90%、93%、90%。

表1 机组主要技术规范

2 四大工况定义条件

大型凝汽式汽轮机典型工况是指宏观上能反映机组主要热力性能或对其辅助配套设备提出相应要求的特定工况。根据火电行业长期的设计情况和运行效果，行业内大多数制造厂家及设计院对机组设计基本工况的定义与描述趋于一致，并将其总结为4个典型工况，形成了DL/T 892—2004 《电站汽轮机技术条件》。

(1) THA工况：蒸汽参数为额定值，加热器正常投运，无厂用汽，机组在额定背压下运行，发出额定功率。

(2) TRL工况：蒸汽参数为额定值，加热器正常投运，无厂用汽，在现行标准中夏季背压取11.8 kPa、补水率取3%，机组发出额定功率。

(3) TMCR工况：进汽量保持和TRL工况相等，运行条件不变，背压降至额定背压，补水率降至0%。

(4) VWO工况：所有调节阀全开，其余条件与THA工况相同[4]。

现行四大工况定义条件是为了充分保证机组功率。通过将边界条件放大，提高夏季背压和补水率，防止机组设计、制造、安装、调试等过程中的缺陷影响机组额定功率，VWO工况进汽余量则考虑机组老化和超发。

3 主要定义条件对经济性的影响

3.1 夏季背压

按现行四大工况定义条件设计的机组夏季背压往往取值较大，对于湿冷机组，标准推荐是11.8 kPa。这是由于早期汽轮机组设计和制造受制于加工能力，往往存在较多缺陷：循环水泵的不稳定性往往会导致凝汽器冷却水流量不足或者中断；水环真空泵的不稳定性会导致凝汽器真空度下降；凝汽器内铜管表面脏污结垢将使得凝汽器传热端差增大、水侧阻力增大，降低了冷却效果；凝汽器真空系统往往存在漏入空气，引起真空度异常下降；资料的勘查不足也常常会导致电厂建设后凝汽器冷却水温度相较设计值偏高，影响排汽温度等[5]。以上情况将会导致机组运行背压偏高，特别是在夏季用电高峰时，如果实际运行背压高于设计背压，将会造成机组不能满发。因此，为保证机组达到铭牌负荷，将夏季背压留有余量，以满足机组运行需求。

在同样的机组功率情况下，夏季背压的选择会影响机组通流面积。夏季背压越高，TRL工况时所需进汽量越大，机组所需通流面积越大。表2为不同夏季背压对机组THA工况下热力参数的影响。

表2 不同夏季背压下机组的热力参数

由表2可知：夏季背压越高，则对应的THA工况的机组热耗率越高。与夏季背压为11.8 kPa相比，9.0 kPa时对应的THA工况机组热耗率降低了5.3 kJ/(kW·h)。这是由于工况定义条件中夏季背压会影响机组通流面积，从而影响在额定负荷下的主蒸汽压力。与11.8 kPa相比，9.0 kPa时对应的主蒸汽压力提高了约0.5 MPa。主蒸汽压力升高，相当于提高热力循环初参数，热效率随之提高，机组的运行经济性提高。

3.2 补水率

按现行四大工况定义条件设计的机组补水率取3%，甚至更高，这是因为电厂现场运行中经常存在管理不佳或者阀门等配套设备有质量问题等。汽轮机及锅炉侧外排管道及阀门往往不严密，存在较大的汽水损耗，为维持电厂正常运行的汽水平衡，需要补充大量水[6]。目前，随着汽轮机设计和制造技术的不断进步、配套阀门质量的不断提升、现场运行管理能力的不断完善、智慧化电厂建设配套监测管理系统的普及应用，使得当前机组热力系统的严密性明显提升，较大程度上避免了非正常因素带来的机组流量泄漏。

补水率越大，TRL工况所需进汽量越大，机组所需通流面积越大。表3为不同补水率对机组THA工况下热力参数的影响。

表3 不同补水率时机组的热力参数

由表3可知：补水率越高，则对应的THA工况的机组热耗越高。与补水率为5%相比，1%时对应的机组热耗率降低了约3 kJ/(kW·h)。这是因为补水率会影响机组进汽量，从而影响机组通流面积，进而影响在额定负荷下的主蒸汽压力。随着补水率的降低，机组通流面积减小，THA工况下对应的主汽蒸压力提高，机组的经济性随之提高。

3.3 VWO工况进汽余量

按现行四大工况定义条件设计的机组VWO工况进汽质量流量比TRL工况大5%，该余量主要考虑机组老化、设计制造误差等因素同时存在时的功率下降，余量越大意味着机组通流能力越大[7-8]。随着机组制造工艺日趋完善，加工和安装精度越来越高，电厂现场运行维护的消缺能力不断提升。大量的工程案例及实践证明，VWO工况进汽余量可以取得更小一些。

在VWO工况下阀门全开，主蒸汽压力达到额定值，这意味着其进汽余量越大，进汽量越大，同样会导致机组所需通流面积越大。表4为不同进汽余量对机组热力参数的影响。

表4 不同进汽余量时机组的热力参数

由表4可知：VWO工况进汽余量越小，对应的THA工况的机组热耗率越低。与进汽余量为5%相比，1%时对应THA工况机组热耗率降低了10.3 kJ/(kW·h)，主蒸汽压力升高了0.888 MPa。这是由于进汽余量减小，对应的机组通流面积减小，THA工况下的主蒸汽压力提高，循环热效率随之提高。

3.4 汽轮机最经济工况点

在汽轮机设计中，如何选择最经济工况点十分重要，现行四大工况定义条件汽轮机最经济工况点往往选择THA工况。对于新设计火电机组，在保证铭牌功率的条件下，不建议继续选取THA工况作为汽轮机最经济工况点。

最经济工况点的选择取决于机组末级叶片长度。在设计上，根据所选取的最经济工况点，选取合适长度的末级叶片，使该负荷下汽轮机的排汽余速损失达到相对最佳。机组最佳经济工况点在较高负荷时选取长叶片较为合适，反之则选取较短叶片[8]。

该机组低压缸排汽质量流量为1 488.59 t/h，单边排汽体积流量为2 746.53 m3/s。在该排汽体积流量等级汽轮机中，长度合适的末级叶片主要有1 525 mm、1 220 mm和1 100 mm这3种末级叶片，对应的最经济工况点分别为THA工况、90%THA工况和80%THA工况。表5为在不同负荷下3种末级叶片对应的排汽余速损失和机组热耗率。

表5 不同末级叶片热力参数

由表5可知：在THA工况下，1 535 mm末级叶片的排汽余速损失最低，1 100 mm末级叶片最高，1 220 mm末级叶片居中。与1 100 mm末级叶片相比，在THA工况下，1 535 mm末级叶片排汽余速损失低了14.5 kJ/kg、热耗率低了43.4 kJ/(kW·h)；在75% THA工况下，这3种末级叶片的排汽余速损失及机组热耗率已非常接近，1 535 mm末级叶片已经不具有优势；在50% THA工况下，1 535 mm末级叶片的排汽余速损失已经远高于1 220 mm及1 100 mm末级叶片。

按照THA工况、75%THA工况、50%THA工况的热耗率权重分别为10%、50%、40%计算得到：1 100 mm、1 220 mm、1 535 mm末级叶片的加权热耗率分别为7 350.8 kJ/(kW·h)、7 354.4 kJ/(kW·h)、7 363.6 kJ/(kW·h)。采用1 100 mm末级叶片方案经济性最好。

目前，市场上常见的1 000 MW超超临界汽轮机一般选用1 200 mm左右的末级叶片，该长度等级末级叶片对应的汽轮机最经济工况点在90%THA工况附近，因此机组在75%～100%THA工况运行有经济性优势。随着火电机组运行负荷区间的逐步下移，50%～75%THA工况占比逐渐增大，继续选用该长度等级的末级叶片已不合理。综上所述，在低负荷区间，选用1 100 mm末级叶片的经济性更好，更能使机组适应在低负荷内长期运行。

4 工况定义条件的优化及分析

4.1 优化措施

1 000 MW超超临界湿冷机组普遍采用四大工况定义条件设计，其定义条件一般为：夏季背压取11.8 kPa、补水率取3%、VWO工况进汽余量取5%时，汽轮机最经济工况点为90%THA工况。由于现行定义条件已经不能较好地适应目前电力行业的形势，有必要对现行定义条件中的夏季背压、补水率、VWO工况进汽余量等参数进行修改优化，以保证机组的运行经济性。

具体优化措施为：夏季背压可优化至9 kPa、补水率可优化至1%、进汽余量可优化至1%，并将最汽轮机最经济工况点进一步下调至80% THA工况，末级叶片可采用1 100 mm长度等级的叶片[9-10]。

4.2 经济性分析

按照优化后的工况定义条件，对1 000 MW超超临界机组进行设计计算，图1为采用优化后工况定义条件与原设计的经济性对比。

图1 工况定义条件优化前后经济性对比

由图1可知：在THA工况，优化后机组热耗率较原设计高4.1 kJ/(kW·h)；在75% THA工况，优化后机组热耗率较原设计低19.6 kJ/(kW·h)；在50% THA工况，优化后机组热耗率较原设计低36.5 kJ/(kW·h)。经过加权计算，优化后机组热耗率较原设计低24 kJ/(kW·h)。按照锅炉效率为95%、管道效率为99%计算，发电煤耗降低了约0.87 g/(kW·h)，按照年利用时间为6 000 h、标煤价格为800 元/t计算，每年约节约燃料成本418万元，经济效益明显。

5 结语

笔者以某新型高效1 000 MW超超临界湿冷机组的设计为例，对火电机组基础设计中涉及到的夏季背压、补水率、VWO工况进汽余量等四大工况定义条件对机组经济性的影响全面地进行了论述和分析。结果表明，通过合理优化以上工况定义条件，可使机组在整个负荷区间段内加权热耗率下降24 kJ/(kW·h)，机组的经济性更

好。因此，现行汽轮机相关设计标准应根据电力行业形势的变化，及时修改更新，这对提高整个火电行业的能效水平具有重要意义。