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摘 要：近期，国务院常务会议关于全面燃煤电厂大幅降低发电煤耗和污染排放的决定，给国内台数占半的300 MW级别机组的安全高效运行提出了很大挑战，纷纷寻求供热改造的方案以大幅降低机组年平均供电煤耗。该文针对进一步降低300 MW调峰运行机组的年平均供电煤耗提出了适应长时间低负荷运行的一体化改造策略：针对国内本体设计裕度很大的汽轮机进行喷嘴组优化是一种硬改造策略，可以提高调峰机组低负荷运行经济性；针对早期引进的本体设计裕度较小汽轮机进行喷嘴调节与滑压相结合的运行优化是一种软策略，非常易于实施。以2个电厂的8台典型进口和国产机组为例进行实际测试，结果表明：配汽和滑压的软优化策略通用性较强，而喷嘴组硬改造策略必须结合运行方式软优化策略才达到理想效果。这对我国300 MW机组调峰运行适应性的优化改造具有借鉴意义。
关键词：300 MW机组 调峰运行 适应性 喷嘴组改造 运行优化
中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（a）-0128-03
继国家三部委于2014年9月印发《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》，要求到2020年现役燃煤发电机组改造后平均供电煤耗低于310 g/kW·h，其中现役60万 kW及以上机组（除空冷机组外）改造后平均供电煤耗低于300 g/kW·h后；国务院常务会议于2015年12月2日决定全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造、大幅降低发电煤耗和污染排放：在2020年前，对燃煤机组全面实施超低排放和节能改造，使所有现役电厂每千瓦时平均煤耗低于310 g、新建电厂平均煤耗低于300 g，对落后产能和不符合相关强制性标准要求的坚决淘汰关停，东、中部地区要提前至2017年和2018年达标[1]。专家指出：技术上没有问题，并且，国内很大一部分电厂已经实现了平均煤耗低于310 g的指标，下一步推广技术上不存在阻力。
然而，实际中许多300 MW级别纯凝亚临界机组，采用常规的节能技术根本无法达到310 g/kWh供电煤耗的要求；供热改造虽然是大幅降低机组年平均供电煤耗的最有效策略，但其供电煤耗是否达标还要取决于其供热时间及热电比大小。
1 300 MW汽轮机低负荷运行现状
1.1 所选的8台案例机组概述
所选8台案例机组配备4高调门喷嘴组，可以分成4类：2台纯进口330 MW机组，2台半国产化330 MW机组，4台纯国产机组（2台北重330 MW机组和2台东汽300 MW机组）。其中，6台330 MW机组设计裕度较小，机组采用喷嘴配汽满发时4个调门基本全开。4高压调节阀对应4组喷嘴（1、2组9个汽道，3、4组11个汽道），设计时已经基本处于优化状态。2台300 MW机组设计裕度较大，机组满发时基本处于喷嘴调节方式的三阀点运行状态。并且，4个调门对应4组喷嘴，每个喷嘴对应的汽道是相同的。
1.2 300 MW级别机组运行现状
根据中电联统计的信息，至2014年底，中国电力总装机达13.6亿kW，其中火电占比约为67.3%，煤电机组则占总装机的比例约63.2%。另据2015年电力可靠性中心发布的统计数据（虽然不是所有机组都参与了统计，但很有代表性），2014年参加可靠性评价不同等级的煤电机组中，300 MW等级以下的机组数量占了总数的约70%，容量也占了约49%。机组调峰运行时不仅存在经济性低下的问题，而且也由于调峰运行出现了一些影响机组安全稳定性的问题[2-3]。因此，许多电厂进行了一系列常规的节能优化改造，如变频、低温省煤器、轴封改造、阀门管理、滑压运行、冷端优化等，涉及锅炉、汽轮机以及辅机[4-6]。上海外高桥电厂走在技术前列[7]，为了提高4台300 MW机组的调峰能力，通过研发计算机网络管理系统软件对机组运行实行优化管理。软件的形成涉及机组摸底试验、优化调整试验、基准试验、建立机组耗差和经济性评价模型等，并可根据实际运行情况进一步完善。
2 汽轮机本体的硬改造策略
目前，许多亚临界300 MW级别机组需要频繁地参与系统调峰，机组负荷大范围变动甚至长时间低于THA设计值，导致其运行经济性下降严重。汽轮机经济性下降的程度差别与调节级喷嘴组相关性较大，主要原因在于通流面积与实际通流需求的不匹配；并且，随负荷偏离额定值越大经济性下降越严重。再加上原设计喷嘴组在设计制造过程中存在不完善、通流面积过大，造成在运机组的调节级效率较差的普遍问题。因此，即便是机组进行检修后，这个问题也是存在的。所以，对于300 MW机组进行喷嘴组优化改造非常必要，尤其是上述2台本体设计裕度较大的机组。
3 运行方式的软优化策略
3.1 阀门管理优化
然而，汽轮机喷嘴组改造直接影响了机组的调节级实际流量特性，导致高调门特性曲线发生很大的偏离。如图1和2所示，为2台设计裕度较大的300 MW机组进行喷嘴组优化改造前后，试验测得的机组实际调门流量特性曲线。从两图的对比可以看出：前两个调门流量承担的份额下降了10%，因此，机组低负荷运行时调门相对原来开度变大，经济性变好。需要注意的是，进行调节级特性计算时，也需要考虑改变不同喷嘴数目组合对机组调节级叶片强度的影响[8-9]。对于当前正在发展的超临界机组还需进一步考虑阀体激振问题[10]。
3.2 滑压运行方式优化
进一步，由于喷嘴组改造改变了调门流量特性，因此调门特性曲线优化后各负荷点对应的最优主蒸汽压力也发生改变了。通过2台喷嘴组优化改造机组的实际变压力运行试验，得出各个主汽量/负荷的最优主蒸汽压力点，同时综合考虑机组在各个压力下运行的安全稳定性等因素，对试验结果进行适当修正调整，得到了机组最优滑压运行规律；如图3和图4所示，为机组纯凝工况和抽汽工况这两种工况下的优化滑压曲线设计规律，考虑了机组实际供热工况对最优主蒸汽压力的影响。
关键词：300 MW机组 调峰运行 适应性 喷嘴组改造 运行优化
中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（a）-0128-03
继国家三部委于2014年9月印发《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》，要求到2020年现役燃煤发电机组改造后平均供电煤耗低于310 g/kW·h，其中现役60万 kW及以上机组（除空冷机组外）改造后平均供电煤耗低于300 g/kW·h后；国务院常务会议于2015年12月2日决定全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造、大幅降低发电煤耗和污染排放：在2020年前，对燃煤机组全面实施超低排放和节能改造，使所有现役电厂每千瓦时平均煤耗低于310 g、新建电厂平均煤耗低于300 g，对落后产能和不符合相关强制性标准要求的坚决淘汰关停，东、中部地区要提前至2017年和2018年达标[1]。专家指出：技术上没有问题，并且，国内很大一部分电厂已经实现了平均煤耗低于310 g的指标，下一步推广技术上不存在阻力。
然而，实际中许多300 MW级别纯凝亚临界机组，采用常规的节能技术根本无法达到310 g/kWh供电煤耗的要求；供热改造虽然是大幅降低机组年平均供电煤耗的最有效策略，但其供电煤耗是否达标还要取决于其供热时间及热电比大小。
1 300 MW汽轮机低负荷运行现状
1.1 所选的8台案例机组概述
所选8台案例机组配备4高调门喷嘴组，可以分成4类：2台纯进口330 MW机组，2台半国产化330 MW机组，4台纯国产机组（2台北重330 MW机组和2台东汽300 MW机组）。其中，6台330 MW机组设计裕度较小，机组采用喷嘴配汽满发时4个调门基本全开。4高压调节阀对应4组喷嘴（1、2组9个汽道，3、4组11个汽道），设计时已经基本处于优化状态。2台300 MW机组设计裕度较大，机组满发时基本处于喷嘴调节方式的三阀点运行状态。并且，4个调门对应4组喷嘴，每个喷嘴对应的汽道是相同的。
1.2 300 MW级别机组运行现状
根据中电联统计的信息，至2014年底，中国电力总装机达13.6亿kW，其中火电占比约为67.3%，煤电机组则占总装机的比例约63.2%。另据2015年电力可靠性中心发布的统计数据（虽然不是所有机组都参与了统计，但很有代表性），2014年参加可靠性评价不同等级的煤电机组中，300 MW等级以下的机组数量占了总数的约70%，容量也占了约49%。机组调峰运行时不仅存在经济性低下的问题，而且也由于调峰运行出现了一些影响机组安全稳定性的问题[2-3]。因此，许多电厂进行了一系列常规的节能优化改造，如变频、低温省煤器、轴封改造、阀门管理、滑压运行、冷端优化等，涉及锅炉、汽轮机以及辅机[4-6]。上海外高桥电厂走在技术前列[7]，为了提高4台300 MW机组的调峰能力，通过研发计算机网络管理系统软件对机组运行实行优化管理。软件的形成涉及机组摸底试验、优化调整试验、基准试验、建立机组耗差和经济性评价模型等，并可根据实际运行情况进一步完善。
2 汽轮机本体的硬改造策略
目前，许多亚临界300 MW级别机组需要频繁地参与系统调峰，机组负荷大范围变动甚至长时间低于THA设计值，导致其运行经济性下降严重。汽轮机经济性下降的程度差别与调节级喷嘴组相关性较大，主要原因在于通流面积与实际通流需求的不匹配；并且，随负荷偏离额定值越大经济性下降越严重。再加上原设计喷嘴组在设计制造过程中存在不完善、通流面积过大，造成在运机组的调节级效率较差的普遍问题。因此，即便是机组进行检修后，这个问题也是存在的。所以，对于300 MW机组进行喷嘴组优化改造非常必要，尤其是上述2台本体设计裕度较大的机组。
3 运行方式的软优化策略
3.1 阀门管理优化
然而，汽轮机喷嘴组改造直接影响了机组的调节级实际流量特性，导致高调门特性曲线发生很大的偏离。如图1和2所示，为2台设计裕度较大的300 MW机组进行喷嘴组优化改造前后，试验测得的机组实际调门流量特性曲线。从两图的对比可以看出：前两个调门流量承担的份额下降了10%，因此，机组低负荷运行时调门相对原来开度变大，经济性变好。需要注意的是，进行调节级特性计算时，也需要考虑改变不同喷嘴数目组合对机组调节级叶片强度的影响[8-9]。对于当前正在发展的超临界机组还需进一步考虑阀体激振问题[10]。
3.2 滑压运行方式优化
进一步，由于喷嘴组改造改变了调门流量特性，因此调门特性曲线优化后各负荷点对应的最优主蒸汽压力也发生改变了。通过2台喷嘴组优化改造机组的实际变压力运行试验，得出各个主汽量/负荷的最优主蒸汽压力点，同时综合考虑机组在各个压力下运行的安全稳定性等因素，对试验结果进行适当修正调整，得到了机组最优滑压运行规律；如图3和图4所示，为机组纯凝工况和抽汽工况这两种工况下的优化滑压曲线设计规律，考虑了机组实际供热工况对最优主蒸汽压力的影响。