摘 要 : 简要叙述了 IEC60045 - 1 规范以最大保证出力定义为铭牌及热耗保证出力的设计原则 , 以及以热力系统非正常运行的汽轮机超负荷能力作为机组出力贮备的原则。按照 IEC 规程 , 不仅使相同通流能力设计机组的铭牌出力增加 5 % 7 % , 使机组经济性提高 , 还可以保证在全寿命期间实际运行时 , 在背压变化、老化及系统参数偏差条件下 , 机组仍具备发铭牌出力的能力。本文通过论述得出结论 , 全面理解和贯彻 IEC60045 -1 规范是汽轮机制造厂和电厂共同面临的重大课题。
作者简介 : 彭泽瑛 (1942 - ) , 教授级高级工程师 , 上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂设计研究所主任工程师 , 长期从事汽轮机热力及叶片设计工作。
0 前言
汽轮机工况定义及容量规范是火电厂设备配置的中心环节。汽轮机制造商按机组铭牌功率、最大(计算 ) 功率工况定义,以及按用户要求的铭牌与最大功率差值进行各种定义工况的热平衡计算 , 提供相应的发电负荷、蒸汽流量、参数。汽轮机工况定义及容量规范不仅是电厂和汽轮机制造商合同的重要内容 , 在商务上有明确的性能保证条款 , 而且是选配炉、电以及热力系统其他设备技术规范的依据。对汽轮机制造商而言 , 规范的工况定义实际上是一个用来确定相对铭牌出力 ,机组有多大出力设计裕量的汽轮机通流能力的设计导则。
在我国电力工业的发展过程中 , 出于各种原因 , 有三种不同的汽轮机工况及容量规范 : 原电力部行业标准 DL/ T892 - 2004 、国标 GB5578 -2007 、及 IEC60045 - 1 - 1991 。长期以来 , 我国的电力用户很少关注热力系统运行的超负荷的功能 , 机组在长期运行中一旦出现出力不足的问题 ,通常主要问责对象总是汽轮机设计方。在这种观点的指导下 , 一度出现要求汽轮机设计裕度越来越大的倾向。以 DL/ T892 - 2004 为例 , 规范要求的汽轮机通流能力设计 ( 相对额定背压、额定功率 ) 裕量达到 12 % 13 % , 机组全寿命期内 , 最恶劣端界条件下保持铭牌出力的功率贮备全部由汽轮机通流设计来承当。按这种规范配置的汽轮机发电机组 , 在 85 % 90 % 的能力下 , 已能发出额定出力 , 因此机组长期在部分负荷下运行 , 不仅浪费了设备的能力 , 而且明显降低了机组运行的经济性。
规程 IEC60045 - 1 合理、科学地解决了汽轮机容量设计中“保证效率和保证出力”的矛盾。一方面通过工况的容量定义 , 使额定功率尽量接近
汽轮机的阀门全开工况 , 保证机组具备最佳的经济效益 ( 高效率和高铭牌出力) ;另一方面 , 以允许、非正常热力端界条件下的超负荷能力来保证机组在实际运行和各种边界条件变化时仍具有足够的发铭牌出力的能力。随着国际电力市场的开发 , 由规范应用实践所体现出的巨大经济效益表明 , 采用国际电力行业通用规程 IEC60045 - 1 将是必然的趋势。本文将就该规范中有关汽轮机容量设计 , 以及如何保证机组具备足够负荷能力的规定进行分析。
1、我国汽轮机容量定义规范的应用状况
汽轮机容量规范分为两部分 : 额定 ( 铭牌 ) 功率工况的定义和汽轮机最大功率 ( 通常又称为VWO) 设计通流能力的定义。前者与汽轮机制造厂的出力和热耗性能保证相对应 , 后者作为汽轮机通流能力 ( 流量和尺寸 ) 设计以及强度考核的依据 , 这两个功率定义的差就是汽轮机通流部分设计 ( 相对额定功率 ) 的裕量。我国汽轮机容量规范制订 40 多年来 , 有过 4 次演变 , 演变的核心在于汽轮机通流能力应该定义多大的设计裕量。198年引进西屋的 300MW/ 600MW 考核机组采用的设计裕量为 5 % - 4 %,DL/ T892 - 2004 GB5578 -2007 规范定义的设计裕量分别为 13 % 和 8 % [1] 。和
这里需要说明的是 :1981 年技术转让的引进型 300MW/ 600MW 考核机组采用的是 IEC60045- 1 规范的工况及容量定义 [2 - 3] 。虽然在西屋内部资料 CT - 23984 - 1977 年中有 11.8kPa ,3 % 补水率条件发额定功率 , 及相应最大保证流量的定义 ,但明确该定义仅仅适用于“不具备可以通过 1 号高加切除超发功率的机组” , 并特别指出“对 1 号
高加可切除运行的机组 , 铭牌功率应增加约4. 5 % ”。1981 年引进的考核机组具备高加切除发额定功率的能力 , 因而汽轮机容量设计并没有采用该资料的定义。事实是自 1981 年直到 1995年 , 不仅石横及平圩电厂考核机组设计 , 而且西屋与 STP 在进行的诸多国际投标项目和国内项目如秦山核电、国内杨柳青、丰城及阳逻等产品的联合开发中 , 均未采用 CT - 23984 - 1977 规范设计 , 西屋始终采用与 IEC60045 - 1 相同的汽轮机额定功率定义。
自上个世纪 90 年代开始 , 国内大容量火电项目的招标基本采用大设计余量的原电力部的标准 , 即汽轮机阀门全开的设计通流能力是额定热力系统条件下发额定出力时的 113 % 左右。自2003 年起 , 华能在玉环 4 ×超超临界 1000MW 项目中首次采用了按当地夏季背压发额定负荷的设计规范。汽轮机的设计容量比原电力标准下降约5 % , 该规范有关按保证夏季出力的容量设计定义被引入到 2007 年版本的国标 GB5578 中。
2 、IEC60045 - 1 对汽轮机容量设计的要求
IEC60045 - 1 规范与汽轮机容量相关的要求为 : 第一 , 汽轮机的额定功率就是最大保证连续功率 (MCR) , 同时也是机组的热耗保证工况 ; 第二 ,对汽轮机的最大通流容量 VWO 设计 : 该规程仅说明 MCR 工况阀门可不全开 ( 注 : 而不是必须不
全开) ,因此也没有明确余量大小 , 国际上各制造厂一般按比 MCR 容量大 0 %- 5 % 的原则设定。
上述对汽轮机容量设计要求的特点是 :(1) 将汽轮机热力性能的三大指标 : 铭牌出力、最大保证出力和热耗保证合为同一工况 , 相比以额定背压和高背压分别作为汽轮机性能和容量设计基准的 DL/ T892 和 GB5578 标准 , 从热力气动原理的角度来看 ,IEC 规范对汽轮机性能设计要求统一、清晰 , 因此更为科学、合理。
(2) 汽轮机额定工况的流量非常接近阀门全开流量 , 与其他规范相比 , 电厂所有设备的能力得到充分利用。与 DL/ T892 - 2004 规范相比 , 可使机组的铭牌出力增加约 7 % , 就全国电网而言 , 相当于装机容量增加了 2 千万千瓦 , 大幅降低了单位千瓦的设备投资和运行成本 ; 在相同的平均负荷率下 , 可降低机组全年的运行能耗约 0. 5 %-0. 7 % 。
(3) 由于没有过多的容量余量来掩盖设备系统以及运行质量的偏差 , 该规范是一个对设备设计、制造、安装质量以及运行水平有更高要求的规范。
目前我们出口国际市场的机组 , 基本采用IEC 规程的铭牌功率定义。国内市场 : 所有百万千瓦核电项目均将 TMCR 同时作为铭牌出力、最大保证出力和性能保证工况 ,VWO 流量按 103 %的 TMCR 设置 ; 在空冷机组方面 ,2007 年 4 月在关于我国空冷机组工况定义的研讨会上明确了“建议我国空冷机组参照国际标准 IEC45 - 1 -1991 的相关规定 , 对其进行工况定义 , 即铭牌出力按照 TMCR 工况确定 , 这样有利于与国际标准接轨 , 有利于汽轮机、锅炉、辅机的标准设计 , 有利于空冷机组安全经济运行”。2008 年以来 , 国内专家就湿冷汽轮机如何采用 IEC60045 - 1 规范的铭牌功率定义 , 召开了多次技术研讨会。
3、汽轮机通流设计裕量不作为机组实际运行的出力贮备
由于通常按 IEC 规范 , 汽轮机最大通流设计(VWO) 相对 MCR 调门的“不开启余度”仅设定在 0 %- 5 % 之间 , 而机组实际运行时 , 热力端界条件的改变 , 即全寿命期间内因设备老化、系统和参数偏离的因素 , 出力累计降低的最大量级约为12 %( 按老化 3 % 、冷却温度高低影响7 % 、系统参数及泄漏偏差约 2 % 计算 ) 。为此 , 我们可以得出一个非常清晰的结论 , 即按 IEC 规范的定义 , 汽轮机通流部分的设计 ( 功率 ) 裕度不能弥补因机组实际运行端界条件变化而造成的出力下降 , 即使不考虑机组设备的正常老化和运行参数系统的偏差 , 汽轮机通流能力也不能满足夏季工况机组额定 ( 铭牌 ) 功率的要求。IEC 规范对汽轮机容量设计的基点是机组获得尽量高的经济性 ( 高效率和降低单位容量成本) ,而不是考虑实际运行出力的贮备。这与原电力部规范是完全不同的技术理念。
4、改变热力端界条件以获得最大超负荷能力
在按尽量高的效率原则定义汽轮机的额定功率、最大功率之外 , 作为机组的运行出力贮备 ,IEC60045 - 1 规范又引入了“最大超负荷能力”(Maximum Overload Capability) 定义。这个超负荷能力的来源不是汽轮机通流部分 , 而是改变汽轮机热力系统的端界条件 , 当然也包括锅炉热容量的超发。规范要求在规定的超负荷端界条件下 ,VWO 调门全开时汽轮机应具有发出最大超负荷功率的能力。规范还特别列出了两个超负荷
端界条件的实例 :
(1) 最终高加切除。热力计算表明 , 在阀门开度不变时机组出力约增加 6. 5 %;
(2) 提高新蒸汽进汽压力 , 规程要求在每 12个月平均值为额定值前提下 , 机组具有 5 % 超压连续运行 ( 没有运行时间限制 ) 的能力 , 这也意味着在同样阀门开度情况下 , 进汽流量增加 5 % 及出力增加约 4. 5 % 。由于目前大功率机组滑压运行模式的年平均进汽压力总是低于额定值 , 因此 ,通过超压提高出力实际是一项允许随时使用的技术措施。
由于规范要求的高加切除和提高蒸汽压力能力是在调门全开 VWO 状态下进行的 , 因此上述由于热力循环条件变化而产生的超负荷能力可以用于补偿出力下降 , 也可用于机组的超发。在确定用于超发时 , 还将涉及发电机和输配电系统的能力问题。规范明确将机组最大超负荷功率纳入“非正常运行”范畴 , 买方可以设定超负荷运行的方式 , 如加热器停用或超压等 ; 或者针对其他特殊方式向汽轮机制造商提出要求 , 而卖方则可以阐明这种非正常运行的限制 , 包括运行时间、尖峰负荷值的限制等。
IEC 规范对超负荷能力的规定 , 是机组在全寿命期 , 实际运行中始终保持铭牌出力能力的保证。在国外电网中 , 由于能源结构的变化 , 要求大容量火电机组具备2.5秒内负荷增加 2.5% 、 5秒内增加5% , 至少维持 5 分钟的调峰及超发能力。在火电机组热力系统运行中将采取更多的超负荷措施 , 诸如通过低压加热器水侧和汽侧节流、凝结水节流、给水箱汽侧的节流 , 以及锅炉喷水等措施以获取附加出力。
需要着重说明 , 规范所列举的两个超负荷能力 : 超压 5 % 以及 1 号高加切除 , 同样适用于湿冷和空冷汽轮机 , 但均对应 ( 锅炉 ) 热功率的增加 , 应得到锅炉的确认。附带说明 , 相对容量以反应堆热功率为中心的核电汽轮机 , 上述这两个超负荷能力 , 以及增加汽轮机通流设计裕量 , 都要求热功率同步增加 , 因而均不适用于核电汽轮机。
5 超负荷能力对汽轮机的要求是安全可靠性
虽然超负荷功率并不是依靠增加汽轮机通流尺寸的方式来达到 , 但通过采用提高主蒸汽压力超压5%) 、高加切除 , 或者通过其他热力系统增加出力的措施 , 都将影响通流部分各级段的流量和参数 , 直接增加汽轮机叶片级的载荷和动应力。汽轮机要满足规范“超负荷能力”的要求 , 其强度考核必须由以往的最大功率工况改变为超负荷功率工况 , 例如 :
(1) 超压5% , 各级叶片的流量和进汽压力同步增加5 %;
(2) 高加切除 , 高压一抽后各段的流量和参数增加7 % 。
上述两个因素将使叶片的动应力水平增加约15% 。超负荷能力对汽轮机的要求是在长期超负荷连续运行时 , 机组应具有足够高的安全可靠性。
此外 , 在落实汽轮机“超负荷能力”的同时还应关注电厂其他设备运行的影响 , 例如 : 超压5%相应的主蒸汽流量增加以及高加切除工况给水温度降低都将大幅度增加锅炉的热容量 ; 各加热器及其他给水辅助设备运行参数和容量的增加 ; 发电机功率及输配电容量的增加等。“超负荷能力”对整个电厂设备的安全可靠性以及运行控制、维护水平提出了更高的要求。
6 结论
(1) 按照 IEC60045 - 1 汽轮机额定功率等于最大连续功率的原则 , 机组铭牌出力大 , 可充分发挥设备的发电能力 , 不仅运行效率高 , 而且降低单位出力的造价 , 节约电力投资 , 具有明显的经济效益。该规范的核心思想之一是按“高经济性”原则确定汽轮机的容量 ; 二是不以增加汽轮机通流尺寸、增加容量配置作为机组在全寿命期的最恶劣端界条件 ( 最大可能有 12 % 的出力下降 ) 下仍能发出铭牌出力的贮备。
(2) EC60045 - 1 的另一核心思想是将“超负荷能力”要求作为机组实际运行时的出力贮备。这种在全寿命期内保证机组发足铭牌出力的”超负荷能力”完全来源于热力循环的“非正常运行” ,即通过改变汽轮机热力端界参数、变工况运行的方式增加发电能力。热力计算表明 , 仅按规范举例的超压 5 % 以及 1 号高加切除两个措施 , 机组的超负荷能力已可分别增加 4. 5 % 和 6. 5 % 。汽轮机设计制造的责任是保证在规定的非正常端界条件下发“超负荷功率”运行时的安全可靠性。
(3) 为实现电厂的最优化设计 , 即达到 : ①机、炉、电和系统容量最经济匹配 ; ②汽轮机按最优性能设计 ; ③在全寿命内规定的非正常条件下发足铭牌出力的目标 ,IEC 规范是将所确立的以最大连续功率为额定 ( 铭牌 ) 功率 , 以及热力系统具备“超负荷能力”运行的两个技术原则融为一体 , 相互相成 ; 不遵照 , 或者仅遵照其中一个原则 , 势必极大地影响电厂运行的经济性。如果我们仅仅采取了额定功率和容量的定义 , 但没有遵照和理解规范关于超负荷能力的原则 , 虽然增加了铭牌出力 , 提高了汽轮机设计及运行效率 , 但却不能保证机组在全寿命期间保持铭牌出力的能力。在我国中、南部地区最需要满发出力的夏季高温季节 , 要么不得不去寻求降铭牌负荷的运行方式 , 要么又去追究汽轮机容量设计和配置“出力不足”的责任 , 显然这都是对规范的不完整理解或者曲解。
在我国电力装备进入国际电力市场 , 以及电力行业提高经济效益的形势下 , 如何全面地理解和应用国际 IEC60045 - 1 关于汽轮机工况及容量配置的原则 , 是汽轮机制造厂和电厂用户 , 供需双方共同面临的重大课题。在国外 , 特别是在风电和核电比例大的欧洲互联网中 , 在发挥火电机组的超负荷能力方面已积累了相当成熟的经验 ,值得我们借鉴 [4 -5] 。
参考文献 :
[1] 彭泽瑛 . 我国汽轮机工况及容量规范的应用状况 [J ]. 热力透
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[3] 上海汽轮机厂美国西屋公司技术转让资料 . No 604 Thermal Perf ormance Data f or 600 MW Verif ication Unit [Z]. 1982.
[4] Rudolf Krai ,Dr. Bert Ruk ,Dr. Oldrich Zaviska. Reservesf or Top 2 Quality Power [J ]. Siemens Power Journal 4/ 98.
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