210MW机组低压缸光轴运行经济性分析

2020-06-03郭容赫王丽萍

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2020年2期

郭容赫，李壮，王丽萍，王键

（华电电力科学研究院有限公司东北分公司，辽宁沈阳 110000）

近几年来，东北地区火电厂供热机组的容量和供热面积增幅较大，而风电等新能源机组也大规模并网运行。为了最大限度消纳清洁能源，电网要求供热机组提升调峰能力，但对传统的供热机组而言，很难做到既能增加供热面积，又能满足电网深度调峰的要求，特别是在冬季供热期间，电网调峰与供热之间的矛盾十分突出。为解决此矛盾，采用不同方案对传统的供热机组进行技术改造，低压缸光轴改造就是其中之一，该方案即能在电网低谷时段保证正常供热量，又能在该时段内将电负荷减下来，很好地实现了热电解耦[1-3]。

1 光轴改造技术

1.1 技术特性

将纯凝机组的低压缸转子改成无叶片光轴转子，低压缸解列运行，不做功，出力为零，中压缸排汽热量全部对外供热，发挥了机组最大供热能力。在采暖期采用光轴转子，在非采暖期采用纯凝低压转子，两根转子可以互换，既可以满足夏季原有的发电能力，又可以满足冬季的供热需求。

光轴技术既有供热能力强、经济性好、深度降低机组供电煤耗、投资回收周期短等优势，也有一次性投资大和每年维护成本较高的不足[4]。

1.2 改造措施

1.2.1 本体部分

无叶片光轴转子是一根整锻转子，其几何尺寸（转子的长度、轴颈以及轴承跨距等）与原转子基本一致，在重量以及临界转速特性方面，两根转子也基本相同。两根转子能够互换，互换时对低压转子支撑轴承没有影响。为减小叶轮鼓风摩擦产生的热量，光轴转子在叶轮处为等直径结构。低压转子改造前、后的结构如图如1所示。

1.2.2 系统部分

该系统取消了中低压联通管，在中压缸排汽口上部加装一个供热抽汽管道，使中压缸排汽不进入低压缸，而全部进入热网加热器；增加了低压缸冷却系统，防止低压缸光轴产生鼓风。将循环水流量改小，利用原有的凝汽器冷却低压缸的少量蒸汽。由于凝结水流量减小，原汽封冷却器及汽封加热器退出运行，新增加一套汽封冷却器及汽封加热器。

图1 低压转子改造前、后结构

供热期间低压缸退出运行，所以低压缸的各段抽汽为0，需对各段抽汽管道进行隔离，对应的加热器也退出运行。低压缸的真空系统以及汽封管路系统保持不变，运行时凝汽器真空不超过25 kPa。

1.2.3 控制部分

机组按照“以热定电”方式运行，依据热负荷的变化引起排汽压力的变化来控制高压调节阀的开度，进而调整机组主蒸汽流量。对调节系统进行适当改造，保证DEH 系统根据背压机运行来重新组态，使机组具备排汽压力调节功能[5]。

2 经济性分析

某电厂的1 台中间再热、三缸、双排汽、凝汽冲动式汽轮机的额定功率为210 MW，设置7段抽汽，分别送至对应的加热器，其中高压缸有2 段抽汽，中压缸有4 段抽汽，低压缸有1 段抽汽。以额定工况的设计参数为计算依据，新蒸汽在高、中、低压缸做膨胀功，三缸发出的总功率为

式中，WG为发电机端功率；Dr为各段抽汽流量；DnH、DnI、DnL分别为高、中、低压汽缸的纯凝汽流量；hrH、hrI、hrL分别为各段抽汽分别在高、中、低压汽缸的焓降；hH、hI、hL分别为纯凝汽流分别在高、中、低压汽缸的焓降；r为抽汽段数编号；ηjd为机电效率。

通过计算可发现，高、中、低压缸做功能力分别占发电机总功率的29%、46%、25%。低压缸光轴运行与纯凝工况相比，在主蒸汽流量以及压力、温度等初参数相同情况下，发电机负荷可减少25%，但供热量随着负荷变动而变动，不能单独变动。

采用热量法对机组的总热耗量进行分配。发电方面的热耗量等于总热耗量减去供热方面的热耗量，由于供热减少的冷源损失所带来的热经济效益都归于发电方面，也就是“好处归电法”，其发电热耗率为

式中，HR为发电热耗率；QM为主蒸汽在锅炉吸收的热量；QR为再蒸汽在锅炉吸收的热量；QO为对外供出的热量。

引起发电热耗率的改变量为

通过计算可以发现，在主蒸汽流量以及压力、温度等初参数相同的情况下，由于机组供热使得发电热耗率比纯凝工况下降约57%。

光轴供热运行方式增加了供热量，满足了供热需求，可获得供热效益；同时，负荷率有所降低，满足了电网负荷需求，可获得电网电价补偿。

3 试验结果及分析

3.1 试验概况

本试验按照国标（GB8117.2—2008）进行，试验所用的仪器、仪表均经法定计量部门校验合格，测量精度满足试验要求。基准流量采用除氧器入口处的凝结水流量，利用标准孔板，配置0.05级差压变送器测量；用0.1级压力变送器测量压力；用I级铠装E型热电偶测量温度；用现场电度表测量发电机功率。

试验分别在150 MW、130 MW、110 MW 和90 MW 工况点下进行，每次试验过程中保持汽轮机高压调节阀开度不变，使运行参数稳定。

3.2 主要性能指标计算方法

3.2.1 热耗率

式中，HRt为试验热耗率；Q0为输入汽轮机的主蒸汽热量；Qzr为输入汽轮机的再热蒸汽热量；Qhs为输入汽轮机的热网回水热量；Qgs为回热系统输出的加热器给水热量；Qgp为高压缸排汽输出的热量；Qcn为中压缸排汽输出的供热抽汽热量；N为发电机功率。

式中，HRC为修正后热耗率；C1HR为压力、温度参数偏离基准值对热耗率修正的综合修正系数。

3.2.2 发电煤耗率

式中，bfd为试验发电煤耗率；ηgl为试验锅炉效率；ηgd为管道效率。

式中，bfdc为参数修正后发电煤耗率；ηglc为参数修正后锅炉效率。

3.2.3 供热热量

式中，Qgr为供热热量。

3.3 试验结果

通过对试验数据的整理，计算出试验条件下的机组热耗率、煤耗率以及热负荷等主要经济指标，其改造后主要运行参数及经济指标如表1所示。

表1 试验数据及经济指标

3.4 发电能力分析

当采用低压缸光轴运行时，汽轮机由原三缸运行变成两缸运行，在主蒸汽流量相同时，做功能力下降。以纯凝额定工况参数为基准，将试验参数修正到基准工况，结果表明：在额定蒸发量相同时，采用低压缸光轴运行方式的发电能力比纯凝工况减少了54.3 MW。

3.5 供热能力分析

由于机组负荷与主蒸汽流量成正比，发电负荷随着主蒸汽流量的增加而升高，所以当主蒸汽流量增加时，中压缸排汽流量也随之增加，即供热热量增加。根据试验结果，拟合出机组发电机功率与供热热量的关系曲线（图2）及关系式。

发电机功率与供热热量的关系式：

式中，N1为发电机功率；Qgr1为供热热量。

图2 发电机功率与供热热量的关系

从图2 中可以看出，供热热量变化与发电机功率呈线性关系，增加发电机功率，供热热量随之呈线性增加。当采用低压缸光轴运行方式且锅炉在额定蒸发量工况下时，供热能力增加了305.3 MW。

3.6 热耗率与煤耗率分析

当采用低压缸光轴运行方式时，中压缸排汽全部对外供热，没有冷源损失，机组负荷率越高，热耗率越低，煤耗率下降幅度也越大。依据试验结果，拟合出机组发电机功率与发电煤耗率的关系曲线（图3）及关系式。

发电机功率与发电煤耗的关系式：

式中，N1为发电机功率；bfd1为发电煤耗率。

图3 发电机功率与发电煤耗的关系

从图3 可以看出，发电煤耗随着发电功率增加而呈线性减少。当锅炉处于额定蒸发量时，汽机热耗率为4 203.87 kJ·（kW·h）-1，发电煤耗率为158.55 g·（kW·h）-1，比相同参数的纯凝工况热耗率下降了 4 333.45 kJ·（kW·h）-1，发电煤耗率下降了164.79 g·（kW·h）-1。