抽汽背压式汽轮机回热系统投运方式对其运行影响的研究

蔺奕存，伍 刚，张明理，高景辉，闫文辰，付志龙，吕吉明，邓顺怀

(1.西安热工研究院有限公司，西安 710054；2.华能秦煤瑞金发电有限责任公司，江西赣州 341000)

随着燃煤机组装机容量的提升，提高机组蒸汽参数是提升发电效率的最有效途径，但是蒸汽参数提高后，给回热系统造成的不可逆损失也会提高[1-5]。在此背景下，关于双机回热系统的研究越来越多。与单机回热系统相比，双机回热系统不仅可以减少汽轮机通流部分抽汽数、提高效率，而且可以降低抽汽的过热度，提高能级利用率[6]。在双机回热系统中，采用抽汽背压式汽轮机(BEST)作为主设备，其承担驱动给水泵及给回热系统提供抽汽这两大功能[7]。在实际工程应用中，通过增设电机组平衡BEST驱动给水泵的过剩功率，并且将这部分功率输送至厂用电，降低了厂用电率，可以有效降低机组热耗，使热经济性达到最佳[8-9]。

双机回热系统使机组回热系统变得复杂，但是BEST回热系统的优化，会对机组运行的可靠性及经济性产生显著的影响[10]。回热系统利用汽轮机抽汽加热锅炉给水和凝结水，可提高电厂热效率，节省燃料，并有助于机组安全运行[11]。在机组实际运行中，BEST回热系统的投运方式会对BEST回热系统的正常运行及机组经济性产生较大的影响。

因此，笔者主要针对2种BEST回热系统投运方式进行对比分析，探讨BEST回热系统投运方式对机组系统运行的影响，并且提出相应的建议，为类似机组BEST回热系统的投运提供参考。

1 系统概况

某电厂主汽轮机型号为N1000-31/605/622/620，采用超超临界、二次中间再热、五缸四排汽、单轴、双背压、凝汽式汽轮机。回热系统为主汽轮机与BEST共同构成的双机回热系统，共有12级非调整抽汽。BEST型号为B57-12.26/0.8/448.9，采用单缸、单流、反动式、全周进汽、背压式汽轮机，其运行方式为变参数、变功率、变转速。BEST有5级抽汽(对应机组的2～6级抽汽)，分别供给2号、3号、4号、5号高压加热器(简称高加)和除氧器。BEST的排汽可供至7号低压加热器(简称低加)、溢流至8号低加或排至凝汽器。高加疏水逐级自流至除氧器，7号低加疏水自流至8号低加。机组正常运行时，BEST进汽来自一次低温再热蒸汽。BEST回热系统示意图见图1。

图1 BEST及其回热系统示意图

BEST转速可在给水泵汽轮机数字式电液控制系统(MEH)主控或变流器主控2种模式下进行控制，并且2种主控模式可以进行切换。MEH主控是通过调节进汽调节阀开度进行转速调节；变流器主控是通过改变发电机转矩从而对轴系转速进行调节。变流器主控方式下，BEST进汽调节阀全开，避免了节流损失，提高了经济性[9]。

通过控制背压从而对BEST的功率进行控制，当电机组功率超限时，BEST的主控方式将由变流器主控切换为MEH主控。BEST背压在额定背压(0.8 MPa)时，BEST剩余功率及电机组最大功率曲线见图2。

图2 BEST剩余功率及电机组最大功率曲线

2 BEST回热系统投运方式

2.1 加热器随机投运

常规汽轮发电机组通常在汽轮机冲转、定速及并网过程中，根据锅炉给水温度要求，率先投运与主汽轮机本体抽汽无关的加热器，然后根据抽汽参数随机投运与主汽轮机抽汽相连接的高加及低加。

在该机组整套启动过程中，随着锅炉点火及升温升压，先投运1号高加提高锅炉给水温度，此时由辅助蒸汽加热除氧器给水。随着BEST进汽汽源切换至一次低温再热蒸汽，投运7号低加暖管并逐渐关闭排汽旁路。机组并网带负荷后，随机投运2号至5号高加、8号至10号低加及除氧器，各级疏水在投运初期先排至凝汽器，加热器全部投运后根据压差将疏水管路逐渐切换至正常疏水。当机组负荷达到300 MW时，高加和低加全部投运正常运行，各级疏水均已切换至正常疏水。当机组负荷达到360 MW时，电机组功率达到14.8 MW(当前工况下额定负荷为14.7 MW)超限，BEST控制模式由变流器主控切换至MEH主控。为了控制BEST功率，进汽调节阀开度减小。不同负荷下BEST各级抽汽的压力和温度见表1(一冷为一次再热蒸汽冷段管道抽汽，2～8抽为2～8级抽汽)，BEST回热系统相关参数见表2。

表1 加热器随机投运时不同负荷下BEST各级抽汽的压力和温度

表2 加热器随机投运时BEST回热系统相关参数

2.2 先投运低加后投运高加

在某次启动过程中对BEST回热系统投运方式进行了调整。首先投运与BEST相连的低加，然后按照抽汽压力等级由低到高投运高加。与加热器随机投运相同的是，在锅炉升温升压的过程中投运1号高加，除氧器的给水加热由辅助蒸汽供给。主汽轮机冲转定速后，将BEST进汽汽源切换至一次低温再热蒸汽，并且及时按次序投运8号、7号低加暖管。等到8号低加水侧温度升高后，逐渐投运8号低加。等到7号低加水侧温度升高后，逐渐关闭BEST排汽旁路，投运7号低加，并投运6级抽汽至除氧器暖管。7号低加压力建立后，及时将疏水切换至正常疏水至8号低加，以避免危急疏水影响BEST背压的建立。机组并网后，随着机组负荷的上升，逐渐将除氧器的给水加热由辅助蒸汽切换至6级抽汽，再依次投运5号、4号、3号高加，以及2号高加暖管。暖管结束后按照压力等级由低到高投运高加，并且根据各加热器之间的压差，将加热器疏水切换至正常疏水。投运加热器的原则是加热器水侧温度升高后，逐渐开大抽汽电动阀，直至抽汽电动阀完全打开，抽汽电动阀的开启以BEST背压稳定为前提。当机组负荷为400 MW时，BEST回热系统全部投运，各级疏水逐级自流。与加热器随机投运方式相比，在先投运低加后投运高加的过程中，BEST进汽调节阀始终保持全开，变流器未出现过负荷保护动作，但是该方式需要更长的时间。先投运低加后投运高加时，不同负荷下BEST各级抽汽的压力及温度见表3，BEST回热系统相关参数见表4。

表3 先投运低加后投运高加时不同负荷下BEST各级抽汽的压力及温度

表4 先投运低加后投运高加时BEST回热系统相关参数

3 对比与分析

针对2种投运方式对BEST回热系统及电机组产生的影响进行综合对比分析。

3.1 BEST背压

BEST回热系统投运过程中，不同负荷下进汽压力与背压的变化见图3。BEST进汽压力在各负荷段均与设计进汽压力基本保持一致，并且在2种投运方式下，BEST进汽压力参数几乎相同，但BEST背压却与设计背压有较大的偏差。

图3 2种投运方式下BEST进汽压力与背压的变化

根据投运过程中机组运行工况的变化可知：采取加热器随机投运方式时，机组负荷为360 MW情况下，BEST由于电机组过负荷保护导致BEST运行控制模式切换为MEH主控模式，进汽调节阀对BEST转速进行调节造成节流损失；随着机组负荷的升高，进而导致BEST实际背压与设计背压有较大的差距。机组负荷为300 MW时BEST背压为0.08 MPa，此时BEST回热系统已完全投运。在机组负荷为500～700 MW的升负荷过程中，BEST背压由0.17 MPa增加至0.45 MPa，增加了0.28 MPa。当机组负荷达到1 000 MW时，背压最终达到0.59 MPa，但是仍与设计背压相差0.21 MPa。

采用先投运低加后投运高加方式，在机组负荷为400 MW时，BEST回热系统完全投运，此时BEST背压为0.38 MPa。在机组负荷增加至500 MW的过程中，BEST背压由0.38 MPa增加至0.66 MPa，增加了0.28 MPa。当机组满负荷时，BEST背压达到了0.85 MPa。

由于BEST排汽与回热系统中的7号低加相连，与常规背压式汽轮机相比，BEST背压不稳定因素较多，运行中背压波动范围比常规背压式汽轮机要大，并且受凝结水量、凝结水温度的影响更频繁[7，12]。BEST背压的变化会引起功率的变化[13]。当进汽参数相同时，排汽参数越低，BEST背压越低，功率越大，导致驱动给水泵后的剩余功率增大，造成电机组功率超限。

采取加热器随机投运时，电机组功率超限说明BEST在驱动给水泵后的剩余功率大于设计功率。对于BEST而言，其功率与热用户的热负荷密切相关，BEST的背压则直接反映了热负荷的大小。BEST背压越高，说明热用户的热负荷较低，BEST功率降低。在BEST回热系统中，与其相关的加热器为2号至5号高加、除氧器、7号至8号低加。BEST回热系统中各加热器热负荷的变化直接影响了BEST的功率。BEST回热系统工况的变化对机组的运行经济性存在较大的影响[14-19]。因此，进一步对2种投运方式下机组运行过程中BEST回热系统的参数进行对比分析。

3.2 BEST回热系统参数

加热器随机投运时及加热器的出口水温及抽汽压力见图4。

图4 加热器随机投运时加热器的出口水温及抽汽压力

由图4(a)可得：加热器随机投运时，在各负荷段，各加热器出口水温均与设计温度有一定的差距。机组负荷为300 MW时，BEST在变流器主控下进汽调节阀全开。负荷一定时，BEST进汽压力不变，总进汽量不变。此时，给水温度较低，各级高加所需热量增加，大量抽汽用于加热各高加给水。

由图4(b)可得：加热器随机投运导致各级抽汽压力均与设计压力有较大差距，进而造成BEST背压降低。此外，由于7号低加进口水温较低，BEST排汽大量用于加热凝结水，进一步导致背压降低。

在机组负荷的提升过程中，凝结水及给水流量增加，为维持加热器的温升，各加热器的抽汽量增加，造成BEST无法正常建立背压；同时，BEST功率也逐渐增大。当剩余功率超过当前工况电机组额定功率时，造成电机组功率超限，BEST控制方式由变流器主控方式切换至MEH主控，通过进汽调节阀控制BEST转速。机组负荷为360 MW时，由于电机组功率超限，BEST控制方式切为MEH主控。进汽调节阀节流使各级抽汽压力及背压进一步降低，造成加热器无法正常加热给水和凝结水。该现象导致了BEST回热系统出现恶性循环，当机组达到满负荷时，各加热器抽汽压力和出口水温仍与设计值有明显的差距。

此外，机组在高负荷稳定运行时，通过关小BEST排汽至7号低加的抽汽电动阀，虽然BEST背压得到一定程度的提升，同时电机组功率受到抑制，但7号低加凝结水侧温升出现了相应的下降。无论怎样对BEST回热系统进行调整，都无法使BEST背压、凝结水温度及给水温度等参数接近设计值。

先投运低加后投运高加时加热器的出口水温及抽汽压力见图5。

图5 先投运低加后投运高加时加热器的出口水温及抽汽压力

机组负荷为300 MW时，8号低加在主汽轮机定速后立即投运，8号低加出口凝结水温度与设计温度基本一致(见图5(a))。因此，在投运7号低加时，7号低加出口实际凝结水温度与设计温度的偏差较小，进入除氧器的给水温度明显提升。此时，至除氧器的6级抽汽的阀门已全开。因此，除氧器水温也有明显的提升，给水初温提升。但是，此时机组负荷偏低，主蒸汽参数偏低，导致7号低加出口水温和除氧器水温与设计温度相比，仍有较大的差距。机组负荷为300 MW时，2号至5号高加尚未投运，因此各加热器出口水温与设计温度具有较大的偏差。7号低加进口水温的提升，使BEST建立起一定的排汽背压。

随着机组负荷的提升，BEST进汽参数提升，除氧器水温及7号低加出口凝结水温度随之升高。按照压力等级由低到高的方式投运5号至2号高加，5号至2号高加出口水温显著提升。凝结水温度及给水初温的提升，使得BEST背压提高。当BEST回热系统投运正常后，随着负荷的提升，各加热器抽汽压力及出口水温逐渐接近设计值。尤其是加热器出口水温在机组满负荷时达到设计值。同时，在机组升负荷过程中，BEST转速均由变流器主控，未出现电机组功率超限的情况。

4 经济效益

BEST回热系统是整个电厂热力系统中至关紧要的环节，高加是其中的重要组成部分，它对锅炉、汽轮机的效率有着非常大的影响，充分利用高加加热给水是提高热效率和经济性的关键。在机组负荷为1 000 MW时，加热器随机投运方式下给水温度为310.76 ℃，先投运低加后投运高加方式下给水温度为325.37 ℃。采用先投运低加后投运高加方式，给水温度更接近设计温度。

给水温度增加1 K，机组供电煤耗率大约降低0.071 g/(kW·h)[20]。在2种投运方式下，机组负荷为1 000 MW时，与加热器随机投运方式相比，采用先投运低加后投运高加方式，供电煤耗率可降低1.036 6 g/(kW·h)。

5 结语

通过对比目前2种BEST回热系统投运方式，得出采用先投运低加后投运高加的方式，可以有效提高凝结水温度和BEST背压，避免了电机组功率超限的发生，保证了机组的安全稳定运行。

此外，针对BEST回热系统的投运提出以下建议：(1)在机组低负荷阶段，尽可能提高主蒸汽参数，不仅有利于BEST回热系统中低加的投运，并且尽早提高凝结水温度及给水初温，还有利于机组冷态启动时BEST的暖机；(2)在投运抽汽压力等级较高的高加时，以该级高加水侧温度缓慢上升且BEST背压不大幅波动为原则，缓慢投运高加。