CN112922682A - 一种汽轮发电机组全负荷主汽压力及配汽优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明为解决火力发电领域存在的中低负荷下的节流损失问题，公开了一种汽轮发电机组全负荷主汽压力及配汽优化方法，包括：S1、获取各调阀喷嘴组的通流面积；S2、获得调阀喷嘴组的全组合；S3、发电机组负荷从零开始增加，开启全组合中最小通流面积的A1组合，确定负荷L1对应的主汽压力；S4、随着负荷L1继续增加，按照全组合的调阀开启顺序开启A1组合之后的A2组合并关闭A1组合；S5、循环S4至开启最大通流面积的An组合。本发明在系统分析的基础上，对主汽压及配汽方式后，确定发电机组全负荷最佳的主汽压力及调阀阀序，从而获得机组最高的发电效率，充分挖掘机组中低负荷工况的节能潜力，降低机组供电标煤耗。

Description

一种汽轮发电机组全负荷主汽压力及配汽优化方法

技术领域

本发明涉及火力发电领域，特别涉及一种汽轮发电机组全负荷主汽压力及配汽优化方法。

背景技术

目前大型汽轮发电机组通用的配汽方式主要有以下两种：

节流调节，就是全部蒸汽都要经过一个或几个同时启闭的调节汽阀，再进入第一级(调节级)喷嘴，也称“单阀配汽”。节流调节存在节流损失，负荷越低损失越大。

喷嘴调节，就是新蒸汽经过主汽门后再经过几个依次启、闭的调节汽阀再进入调节级，也称“顺序阀配汽”。每个调门分别控制一组调节级喷嘴，调节级通常是部分进汽的。在部分负荷时只是单个或两个调门有节流损失，经济性较节流调节会更好，适合于机组调峰运行。

基于上述传统理论和技术，火电机组无论在定压运行还是滑压运行方式下，都存在低负荷效率下降等问题。

采用定压运行时，负荷响应速度快，汽包温度稳定，然而汽轮机节流损失大、末级湿度变化大、主蒸汽和再热蒸汽温度难以维持；采用滑压运行时，汽轮机节流损失小，末级湿度变化小，主蒸汽和再热蒸汽温度易于维持，机炉金属温度变化小，但是汽包温度变化大、负荷响应速度慢，参考图1-图4，以滑压运行、喷嘴调节配汽为例进行说明，图2显示随主汽流量/负荷变化的阀1-阀4的调阀后压力及主汽压力的变化，图3显示随主汽流量/负荷变化的阀1-阀4的调阀升程的变化，图4显示随主汽流量/负荷变化的滑压运行下喷嘴配汽调节级效率和调节级内效率的变化。

基于以上分析可知，中低负荷下采用滑压喷嘴配汽方式存在严重的节流损失。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种汽轮发电机组全负荷主汽压力及配汽优化方法，以供电标煤耗最小为优化目标，综合考虑主汽压力对高压缸效率、循环效率、给水泵功耗的影响以及全负荷不同主汽压力下阀序对调节级效率的影响，对大型汽轮发电机组全负荷主汽压及配汽进行优化。

根据本发明的实施例的一种汽轮发电机组全负荷主汽压力及配汽优化方法，包括：

S1、设定不少于四个调阀喷嘴组，至少有两个调阀喷嘴组的通流面积不同，获取各调阀喷嘴组的通流面积；

S2、获得调阀喷嘴组的全组合，全组合包括若干调阀喷嘴组各自形成的组合和若干调阀喷嘴组配合形成的组合，全组合按照通流面积的大小顺序从小到大依次排列并设定为发电机组全负荷工况下的调阀开启顺序；

S3、发电机组负荷从零开始增加，此时机组负荷为L1，开启全组合中最小通流面积的A1组合，确定负荷L1对应的主汽压力；

S4、随着负荷L1继续增加，主汽压力提高至使得调阀A1组合的背压达到临界背压值，随着负荷L1继续增加，当主汽压力继续增加所提高的发电功率大于辅机所消耗的电功率时，主汽压力继续提高，直至负荷增加为L1+ΔL1，主汽压力提高至最大值，此时机组的净发电功率为调阀开启A1组合下发电功率的最大值，按照全组合的调阀开启顺序开启A1组合之后的A2组合并关闭A1组合，确定负荷L2对应的主汽压力；

S5、按照全组合的调阀开启顺序循环S4至开启最大通流面积的An组合，确定负荷Ln对应的主汽压力。

根据本发明实施例的一种汽轮发电机组全负荷主汽压力及配汽优化方法，至少具有如下有益效果：由优化结果可知，减小高压缸调节级节流损失是提高系统发电能效的有效方法，但阀序优化并非单纯为了使高压缸调节级节流损失最小，同时也应该综合考虑在具体负荷下，提高主汽压力可以提高循环效率、同时消耗更多给水泵泵功，而且也可能因此增大高压缸调节级节流损失的影响规律，在系统分析的基础上，对主汽压及配汽方式进行优化后，确定发电机组全负荷最佳的主汽压力及调阀阀序，最终使机组获得机组最高的发电效率，充分挖掘机组中低负荷工况的节能潜力，降低机组供电标煤耗。

根据本发明的一些实施例，先由以下公式确定主汽压力的一次设定值：

其中，q_m是质量流量，单位为kg/s；

A是喷管出口面积，单位m²；

ρ₀是喷管入口蒸汽密度，单位是kg/m³；

k是过热蒸汽等熵指数，设定为1.2至1.5；

P₀是喷管入口蒸汽压力，单位是Pa，设定主汽门压损为1％至5％，即蒸汽压力P₀为95％至99％的主汽压力；

P是喷管出口压力，设定为调节级背压，单位是Pa；

初步假定，发电机组负荷、调节级背压和主蒸汽流量成正比，在负荷确定的情况下，可获得调节级背压、主蒸汽流量，根据上式计算出主汽压力的一次设定值，基于主汽压力设定值，根据主汽压力的微增出力实验最终确定主汽压力值。

根据本发明的一些实施例，S4中随着主汽压力和发电功率在当前开启组合A1情况下提高至上限，此时负荷为L1+ΔL1，调阀开启顺序相邻的组合进行工况过渡，开启全组合中除了过渡前的组合以外的最小通流面积的Am组合，随着负荷进一步增加至L2，当Am不是A2组合时，按照全组合的调阀开启顺序开启过渡后的组合并关闭过渡前的组合和Am组合，当Am是A2组合时，关闭过渡前的组合。

根据本发明的一些实施例，全组合包括全部调阀喷嘴组各自形成的组合和全部调阀喷嘴组配合形成的组合。

根据本发明的一些实施例，设定四个调阀喷嘴组，分别为a1、a2、a3和a4。

根据本发明的一些实施例，四个调阀喷嘴组的通流面积之间的大小关系为a1＝a2＜a3＜a4。

根据本发明的一些实施例，全组合包括11种，分别为A1组合包括a1/a2，A2组合包括a3，A3组合包括a1和a2，A4组合包括a1/a2和a3，A5组合包括a4，A6组合包括a1、a2和a3，A7组合包括a1和a4，A8组合包括a3和a4，A9组合包括a1、a2和a4，A10组合包括a1、a3和a4，A11组合包括a1、a2、a3和a4。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有喷嘴调节配汽方式示意图；

图2为随主汽流量/负荷变化的阀1-阀4的调阀后压力及主汽压力的变化示意图；

图3为显示随主汽流量/负荷变化的阀1-阀4的调阀升程的变化示意图；

图4为显示随主汽流量/负荷变化的滑压运行下喷嘴配汽调节级效率和调节级内效率的变化示意图；

图5为优化实施例中随主汽流量/负荷变化的调阀后压力及主汽压力的变化示意图；

图6为优化实施例中a1调阀喷嘴组随主汽流量/负荷变化的调阀后压力及主汽压力的变化示意图；

图7为优化实施例中a2调阀喷嘴组随主汽流量/负荷变化的调阀后压力及主汽压力的变化示意图；

图8为优化实施例中a3调阀喷嘴组随主汽流量/负荷变化的调阀后压力及主汽压力的变化示意图；

图9为优化实施例中a4调阀喷嘴组随主汽流量/负荷变化的调阀后压力及主汽压力的变化示意图；

图10为优化后调节级效率与调节级效率和滑压运行下喷嘴配汽调节级效率的对比示意图；

图11为优化实施例与滑压运行随主汽流量/负荷变化的供电标煤耗对比示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，符号“/”表示或。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的基础实施例提供一种汽轮发电机组全负荷主汽压力及配汽优化方法，包括：

S1、设定不少于四个调阀喷嘴组，四个调阀喷嘴组为经典模式，超过四个调阀喷嘴组则可以提供更多的调阀喷嘴组组合方式，至少有两个调阀喷嘴组的通流面积不同，获取各调阀喷嘴组的通流面积；

S2、获得调阀喷嘴组的全组合，全组合包括若干调阀喷嘴组各自形成的组合和若干调阀喷嘴组配合形成的组合，即可以存在只包括一个调阀喷嘴组的组合，也可以存在包括至少两个调阀喷嘴组配合的组合，全组合按照通流面积的大小顺序从小到大依次排列并设定为发电机组全负荷工况下的调阀开启顺序，从小到大的调阀开启顺序能够更好的根据负荷需求开启对应的组合；

S3、发电机组负荷从零开始增加，此时机组负荷为L1，开启全组合中最小通流面积的A1组合，确定负荷L1对应的主汽压力；

S4、A1组合处于临界状态时，即喷管压比达到临界压比，继续提高主汽压力不会增加主汽流量，因此会造成一定的节流损失；但提高主汽压力可以提高发电循环效率；因此，应综合考虑提高主汽压力对机组发电能效的影响，确定最佳主汽压力；随着负荷L1继续增加，主汽压力提高至使得调阀A1组合的背压达到临界背压值，随着负荷L1继续增加，当主汽压力继续增加所提高的发电功率大于辅机所消耗的电功率时，主汽压力继续提高，直至负荷增加为L1+ΔL1，主汽压力提高至最大值，此时机组的净发电功率为调阀开启A1组合下发电功率的最大值，按照全组合的调阀开启顺序开启A1组合之后的A2组合并关闭A1组合，确定负荷L2对应的主汽压力；应理解，火电厂的辅机设备中功耗比较大而且优化前后变化比较大的主要是水泵；

S5、按照全组合的调阀开启顺序循环S4至开启最大通流面积的An组合，确定负荷Ln对应的主汽压力。

S4可以理解为随着负荷L(n-1)增加ΔL(n-1)，主汽压力和发电功率在当前开启组合A(n-1)情况下提高至上限，按照全组合的调阀开启顺序开启A(n-1)组合之后的An组合并关闭A(n-1)组合，确定负荷Ln对应的主汽压力，根据调阀开启顺序从A1组合运行到An组合，可以确定每个组合对应的最佳主汽压力。

本发明的基础实施例中，可以是先由以下公式确定主汽压力的一次设定值：

其中，q_m是质量流量，单位为kg/s；

A是喷管出口面积，单位m²；

ρ₀是喷管入口蒸汽密度，单位是kg/m³；

k是过热蒸汽等熵指数，设定为1.2至1.5；

P₀是喷管入口蒸汽压力，单位是Pa，设定主汽门压损为1％至5％，即蒸汽压力P₀为95％至99％的主汽压力；

P是喷管出口压力，设定为调节级背压，单位是Pa；

初步假定，发电机组负荷、调节级背压和主蒸汽流量成正比，在负荷确定的情况下，可获得调节级背压、主蒸汽流量，根据上式计算出主汽压力的一次设定值，基于主汽压力设定值，根据主汽压力的微增出力实验最终确定主汽压力值。

主汽压力除微增出力实验外，还可以通过数据挖掘的方式来确定，数据挖掘和微增出力实验均为领域内常用的主汽压力值确定方式，其中微增出力实验具体可以相当于在现场利用工程实验来矫正最后的主汽压力值，理解为基于主汽压力一次设定值，通过汽轮机热力试验，逐步增大主汽压力，获得汽轮机的供电功率变化趋势，由供电标煤耗最低的工况点对应的主汽压力值最终确定。

调阀开启顺序下各组合均可以计算出各阶段负荷区域下的最佳主汽压力。

本发明的基础实施例中，S4中随着主汽压力和发电功率在当前开启组合A1情况下提高至上限，负荷为L1+ΔL1，单纯依靠A1组合无法继续提高机组发电功率，此时可以开启全组合中除A1组合以外的最小通流面积的Am组合来配合A1组合，进行工况过渡，随着负荷进一步增加至L2，当Am不是A2组合时，再按照全组合的调阀开启顺序开启A2组合并关闭A1组合和Am组合，当Am是A2组合时，关闭A1组合，此过渡方式可以应用于全组合中其他组合之间的过渡过程中。应理解，如果是在A2组合过渡到A3组合的过程中，Am组合可以是除A2组合以外的最小通流面积的组合，即A1组合，后续组合的过渡以此类推。

在A1组合切换到A2组合的过程中，当A1组合开启至主汽压力达到上限P1时，接下来切换到A2组合，主汽压力会变成P2，此时，由于组合切换的过渡期内会出现P2<P1的情况，即主汽压力下降，从而导致发电效率降低。随着负荷增大，在主汽压力保持P1且只开启A1组合的情况下，无法满足增大电功率的需求。因此，需要在A1组合切换到A2组合的过程中增大通流面积，开启另外的最小通流面积的Am组合，此时会出现A1组合全开没有节流损失，Am组合因开度较小，具有节流损失，相比于切换至A2组合时具有更高的发电效率。此过渡方式可以应用于全组合中其他组合之间的过渡过程中。

本发明的基础实施例中，Am组合优选在负荷为L1+ΔL1且继续增加较小负荷时开启，此时开启A1组合以及A1组合以外的具有最小通流面积的Am组合时，仍保持主汽压力为上限值，由于通过Am组合的流量较小，即使产生一定的节流损失，但对整个高压缸调节级的效率影响不大，此时整个机组仍具有较高的发电能效；随着负荷继续增大至L2，通过Am组合的流量增大，由此产生的节流损失增大并影响整个高压缸调节级效率。此时，应关闭A1组合及Am组合，开启组合A2组合并根据喷管流量计算公式确定该负荷下的主汽压力。此过渡方式可以应用于全组合中其他组合之间的过渡过程中。

本发明的基础实施例中，全组合可以包括全部调阀喷嘴组各自形成的组合和全部调阀喷嘴组配合形成的组合，即每个调阀喷嘴组各自都形成组合，全部调阀喷嘴组按照排列组合的数量上限形成组合。

本发明的基础实施例中，可以设定调阀喷嘴组为典型的四调阀，参照图5-图9，四个调阀喷嘴组分别为a1、a2、a3和a4，且四个调阀喷嘴组的通流面积之间的大小关系设定为a1＝a2＜a3＜a4，可得全组合包括11种，分别为A1组合包括a1/a2，A2组合包括a3，A3组合包括a1和a2，A4组合包括a1/a2和a3，A5组合包括a4，A6组合包括a1、a2和a3，A7组合包括a1和a4，A8组合包括a3和a4，A9组合包括a1、a2和a4，A10组合包括a1、a3和a4，A11组合包括a1、a2、a3和a4，其中A1-An组合按照通流面积从小到大进行排序；在A1组合切换过渡到A2组合的过程中，Am组合是A2组合，在切换完成后，只关闭A1组合；在A2组合切换过渡到A3组合的过程中，Am组合是A1组合，在切换完成后，关闭A1组合和A2组合；在后续组合的切换过程中，Am组合可以是A1组合，也可以是A2组合。随着发电机组负荷从低负荷工况逐渐增大，优化结果如图5-图9所示，应依次按照上述序列组合开启相应的调阀，从而获得最佳的发电能效。

由于A1组合对应的压力值较低，图5-图9省略了A1组合的曲线，从A2组合开始显示，图5-图9中根据主汽流量或负荷从0开始按照调阀开启顺序依次开启A1-An组合，可以看到每个组合都在各组组合的主汽压力达到上限后开始逐渐过渡到下一组合，在过渡过程中开启A1能够帮助维持发电能效，对比图2的传统调阀方式，以及通过图10与图4对比，显然在主汽流量或负荷增长的过程中，主汽压力更多的能够维持在极限值，优化后的调节级效率更接近调节级内效率，显著高于滑压运行喷嘴配汽调节级效率，可知降低高压缸调节级节流损失是提高系统发电能效的有效方法，但阀序优化并非单纯为了使高压缸调节级节流损失最小，同时也应该综合考虑在具体负荷下，提高主汽压力可以提高循环效率、同时消耗更多给水泵泵功，而且也可能因此增大高压缸调节级节流损失的影响规律，在系统分析的基础上，对主汽压及配汽方式后，确定发电机组全负荷最佳的主汽压力及调阀阀序，从而获得机组最高的发电效率，充分挖掘机组中低负荷工况的节能潜力，降低机组供电标煤耗。

参照图11，本发明的优化方法相对传统的滑压运行方式，显著降低了供电标煤耗，随着碳中和战略实施，我国火电机组必将全面参与深度调峰，长时间运行在中低负荷工况。相比于传统的滑压运行及喷嘴配汽方式，经本发明的优化方法对发电机组全负荷主汽压力及阀序进行优化后，在中低负荷工况可下降标煤耗6-10g/kWh。以600MW的发电机组，全年均运行在50％THA工况计算，年可节煤8760小时×300MW×8g/kWh＝21024吨标煤，二氧化碳减排56765吨。标煤按700元/吨计，直接经济效益即可达到1472万元。

应理解，本发明的优化方法的其他调阀喷嘴组的设定和全组合的设定也能够实现相对传统配汽方式在主汽压力、调节级效率和标煤耗等方面的优化。

在本说明书的描述中，参考术语“基础实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种汽轮发电机组全负荷主汽压力及配汽优化方法，其特征在于，包括：

S1、设定不少于四个调阀喷嘴组，至少有两个所述调阀喷嘴组的通流面积不同，获取各所述调阀喷嘴组的通流面积；

S2、获得所述调阀喷嘴组的全组合，全组合包括若干所述调阀喷嘴组各自形成的组合和若干所述调阀喷嘴组配合形成的组合，全组合按照通流面积的大小顺序从小到大依次排列并设定为发电机组全负荷工况下的调阀开启顺序；

S3、发电机组负荷从零开始增加，此时机组负荷为L1，开启全组合中最小通流面积的A1组合，确定负荷L1对应的主汽压力；

S4、随着负荷L1继续增加，主汽压力提高至使得调阀A1组合的背压达到临界背压值，随着负荷L1继续增加，当主汽压力继续增加所提高的发电功率大于辅机所消耗的电功率时，主汽压力继续提高，直至负荷增加为L1+ΔL1，主汽压力提高至最大值，此时机组的净发电功率为调阀开启A1组合下发电功率的最大值，按照全组合的调阀开启顺序开启A1组合之后的A2组合并关闭A1组合，确定负荷L2对应的主汽压力；

S5、按照全组合的调阀开启顺序循环S4至开启最大通流面积的An组合，确定负荷Ln对应的主汽压力。

2.根据权利要求1所述的一种汽轮发电机组全负荷主汽压力及配汽优化方法，其特征在于，先由以下公式确定主汽压力的一次设定值：

其中，q_m是质量流量，单位为kg/s；

A是喷管出口面积，单位m²；

ρ₀是喷管入口蒸汽密度，单位是kg/m³；

k是过热蒸汽等熵指数，设定为1.2至1.5；

P₀是喷管入口蒸汽压力，单位是Pa，设定主汽门压损为1％至5％，即蒸汽压力P₀为95％至99％的主汽压力；

P是喷管出口压力，设定为调节级背压，单位是Pa；

初步假定，发电机组负荷、调节级背压和主蒸汽流量成正比，在负荷确定的情况下，可获得调节级背压、主蒸汽流量，根据上式计算出主汽压力的一次设定值，基于主汽压力设定值，根据主汽压力的微增出力实验最终确定主汽压力值。

3.根据权利要求1所述的一种汽轮发电机组全负荷主汽压力及配汽优化方法，其特征在于，随着主汽压力和发电功率在当前开启组合A1情况下提高至上限，此时负荷为L1+ΔL1，调阀开启顺序相邻的组合进行工况过渡，开启全组合中除了过渡前的组合以外的最小通流面积的Am组合，随着负荷进一步增加至L2，当Am不是A2组合时，按照全组合的调阀开启顺序开启过渡后的组合并关闭过渡前的组合和Am组合，当Am是A2组合时，关闭过渡前的组合。

4.根据权利要求1所述的一种汽轮发电机组全负荷主汽压力及配汽优化方法，其特征在于，全组合包括全部所述调阀喷嘴组各自形成的组合和全部所述调阀喷嘴组配合形成的组合。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种汽轮发电机组全负荷主汽压力及配汽优化方法，其特征在于，设定四个所述调阀喷嘴组，分别为a1、a2、a3和a4。

6.根据权利要求5所述的一种汽轮发电机组全负荷主汽压力及配汽优化方法，其特征在于，四个所述调阀喷嘴组的通流面积之间的大小关系为a1＝a2＜a3＜a4。

7.根据权利要求6所述的一种汽轮发电机组全负荷主汽压力及配汽优化方法，其特征在于，全组合包括11种，分别为A1组合包括a1/a2，A2组合包括a3，A3组合包括a1和a2，A4组合包括a1/a2和a3，A5组合包括a4，A6组合包括a1、a2和a3，A7组合包括a1和a4，A8组合包括a3和a4，A9组合包括a1、a2和a4，A10组合包括a1、a3和a4，A11组合包括a1、a2、a3和a4。

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