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摘要：电厂汽轮机在长期偏离设计工况时，其经济性以及安全性都会降低，本文对厂深度调峰运行机组安全经济性分析及改进措施展开了分析与探讨，仅供参考。
关键词：电厂汽轮机；调峰运行；安全性；经济性
1 汽轮机变负荷运行方式
1.1 定压运行方式
1.1.1 节流配汽
同时开启若干个调节阀实现配汽。其优点为这种情况下汽轮机第一级调速级的载荷较小,但节流配汽在机组低负荷运行时节流损失很大,机组效率较低。另外,当进汽流量发生一定程度变化时,各级温度并不会出现较为明显的变化,故节流配汽对于负荷波动的适应性较好。
1.1.2 喷嘴配汽
若干个调节汽门按顺序依次开启改变进汽的方式。这种配汽方式下,只有一个调节汽门有节流作用,从而减小了节流损失。
1.2 滑压运行方式
1.2.1 纯滑压运行
在机组负荷变化范围内保持调节阀全开,完全依靠汽轮机进汽压力的变化实现负荷的调节。此时,当机组功率确定后,将通过改变给水量、锅炉燃料量等参数来控制进入汽轮机主蒸汽流量和压力,从而适应机组功率的改变。这种运行方式的优点是调节阀无节流损失,提高了变负荷下的机组效率,同时也会减小机组设备由于进汽不均导致的热应力变化。但其缺点是,由于锅炉调节的滞后性,快速响应能力差,所以不能够满足电网调峰的需求,所以目前电厂也较少采用。
1.2.2 节流滑压运行
节流滑压运行是在纯滑压运行基础上的优化,从而提高机组的快速响应能力。具体方法是,常态下汽轮机调节阀门在全开的基础上关小5%~15%,以备负荷的突变。当机组担任调峰任务负荷需要变化时,此时先对调节阀门开度进行调节,待锅炉的调整跟进后,就恢复调节阀的位置。这样就能在一定程度上解决锅炉对负荷变化响应慢的问题。从上述运行方式中可以明显看出节流滑压运行的特点。其优点在于能够很好地适应机组负荷的变化,有利于机组参与电网调峰任务;缺点在于节流阀部分开启造成的节流损失,进而导致的调节级效率下降问题。但由于调节级中焓降的增加,使整个机组的热经济性仍然有提高的可能。
1.2.3 复合滑压运行
复合滑压运行方式是在变负荷运行中将定压运行与滑压运行相结合的一种运行方式,即定-滑-定运行方式。电厂汽轮机组变负荷运行中采用喷嘴配汽的复合滑压运行方式具有较好的经济性和安全性。具体方法是,在负荷较高的区间保持接近机组额定压力的定压运行,即通过调节汽门开度来调节负荷;当负荷在中间区间变动时,让两个或者三个调节阀门全开进行调节,必要时也可以通过开关数个阀门进行调节;当机组运行至较低负荷区间时,恢复到低压力下的定压运行。机组在变负荷中采用复合滑压运行方式能够保持较好的热经济性,同时也能保证较好的负荷响应能力。但在电厂实际运行中,滑压运行与定压运行的切换临界负荷问题一直备受关注,所以说有必要对机组在变负荷运行过程中不同运行方式下的热经济性和安全性问题进行研究。
2 影响因素
2.1 循环热效率
汽轮发电机组在变负荷工况下，机组的整体热力循环以及主机设备等均偏离设计条件运行。热力循环偏离设计条件的主要表现为循环最终给水温度不可避免地降低。最终给水温度是表征回热循环热经济性的重要参数之一，其降低直接导致循环的平均吸热温度降低，因此循环的热效率也将随之降低，从而影响机组的运行经济性。常规回热系统各级抽汽压力与机组的负荷率近似成正比，随着机组负荷率的下降，各级抽汽压力自然下降。
回热系统第1 级抽汽压力的降低将直接导致热力循环的最终给水温度降低，进而导致循环的平均吸热温度降低，因此循环热效率将不可避免地下降，这是热力循环偏离经济工况运行的主要原因。常规回热系统的给水温度与负荷率呈线性关系，相应地，热力循环的平均吸热温度与负荷率也近似呈线性关系。
2.2 汽轮机内效率
汽轮机在变负荷工况下，如果采用定压运行，为了适应进汽量减小的情况，调节阀开度不可避免地需要关小，这会带来很大的节流损失，从而对机组的运行经济性产生严重影响。为了提高机组的运行经济性，绝大多数的机组采用滑压运行方式，1 000MW 超超临界机组甚至取消了调节级设计，而采用节流调节、全滑压运行方式。汽轮机变负荷采用全滑压运行方式时，高、中压缸效率基本上保持不变，只有低压缸效率随着负荷波动。大型汽轮机100％负荷工况的排汽余速损失设计值一般在12～36 kJ／kg，低压缸的等熵焓降hs 一般在500～800 kJ／kg 左右。低压缸的效率受到排汽余速损失的显著影响。余速损失减小，则低压缸效率升高，低压缸的等熵焓降减小，则效率降低。一般来说，在排汽余速损失达到最低时，低压缸效率达到最高。随着汽轮机负荷降低，低压缸的排汽余速损失先逐渐减小，后逐渐增加。该汽轮机在100％负荷工况下的余速损失为24．3 kJ／kg，75％负荷下降低到最小值19．5 kJ／kg，降低4．8 kJ／kg，余速损失的减小使低压缸效率上升0．51％；同时，由于低压缸蒸汽的湿度减小，低压缸的通流效率也缓慢上升0．64％。这两个因素共同作用，使得低压缸的效率在75％负荷下达到最大值90．1％，相对于lOO％负荷工况，上升了1．15％。从理论上来说，低压缸的排汽余速损失与机组负荷率近似呈抛物线关系。汽轮机在设计时，为了提高变负荷工况下的经济性，低压缸效率的最高点一般都取70％～90％负荷。这样，当汽轮机负荷降低时，低压缸的效率不但不会降低，反而能升高，如果高、中压缸效率基本上保持不变，整机效率也就随着低压缸效率的走高而升高，这样就能改善机组在变负荷工况下的经济性，弥补循环热效率下降对于机组运行经济性的负面影响。
3 经济性分析
由上述分析可知，大型汽轮发电机组从100％负荷工况到部分负荷工况，不同类型的机组经济性变化是不同的，这主要是因为：不同类型的机组在额定工况下影响机组热耗的各个效率值在不同的位置；不同类型的机组在变负荷时，影响机组热耗的最重要的两个因素——循环热效率以及汽轮机内效率的变化趋势也不相同。相应地，额定工况经济性好的机组，其循环热效率和汽轮机内效率的改变对机组热耗的影响较小，同时，在机组变负荷时，其循环热效率的下降幅度也小。而汽轮机内效率的变化主要和机组的设计点以及调节类型有很大关系。湿冷机组的设计点一般选择得低一些，空冷机组的设计点选择得高一些，这样，湿冷机组变负荷时汽轮机的内效率会有很大程度的调整，而空冷机组的调整幅度则较小。另外，节流调节、滑压运行机组变负荷时由于高中压缸效率基本上保持不变，整机内效率变化平缓，而喷嘴调节机组变负荷时由于高压缸效率降低，整机内效率会有比较明显的降低。
4 汽轮机变负荷安全性分析
汽轮机组的安全性是机组运行的首要前提,所以机组参与低负荷调峰后,其在变负荷下运行的安全性也是必须要考虑的因素之一。汽轮机在变负荷下运行时,可以通过分析调节级温度和高压缸排汽温度随负荷的变化来进行机组运行安全性的评估。调节级温度的变化以及高压缸排汽温度的变化会导致设备部件温度分布不均匀,进而导致设备部件产生额外的热应力。设备长期在这种热应力的作用下,不仅会影响设备的使用寿命,而且会危及机组运行的安全性。设备的弹性模数及膨胀系数在不同负荷下的变化较小,可以忽略。故设备所受的热应力与温度变化量成正比,即变负荷下设备温度变化量越大,其承受的热应力也越大。
5 结束语
汽轮机组变压运行的安全经济性反映了定功率下可行阀位区间内不同初压下汽轮机组热耗率的连续变化趋势，符合定功率调峰运行模式的电力生产需求，在电力生产过程中具有较好的工程应用价值。
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