1 000 MW 超超临界机组能耗偏高原因分析

车永强，路雪晴，郑 威，韩 悦

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.山东科技大学机械电子工程学院，山东 青岛 266590）

0 引言

某厂1 号机为上海汽轮机厂生产的N1013-28／600／620 超超临界、一次中间再热、单轴四缸四排汽、凝汽式汽轮机。热耗保证工况（THA）下，机组设计热耗率7 231 kJ／kWh，高压缸效率89.89%，中压缸效率92.96%，低压缸效率89.66%，锅炉设计效率94.59%，设计厂用电率4.59%，设计发电煤耗率263.47 g／kWh，设计供电煤耗率276.15 g／kWh。该机于2016 年8 月投产，2017 年6 月进行投产考核试验，THA 工况下，高压缸效率89.71%，中压缸效率92.47%，低压缸效率88.84%，经一二类修正后的机组热耗率为7 224.05 kJ／kWh，修正后的锅炉效率95.13%，厂用电率4.22%，发电煤耗率平均值为261.73 g／kWh，供电煤耗率平均值为273.19 g／kWh。从考核试验结果看，机组的整体性能略优于设计值。

2019 年4 月，为掌握机组在运行2 年后的实际性能，电厂委托试验单位对机组进行了常规热力性能试验，测试机组的热耗率、高压缸效率、中压缸效率、机组发电煤耗、机组供电煤耗等性能指标，试验按照GB／T 8117.2—2008《汽轮机热力性能验收试验规程》［1］进行，分别进行了纯凝1 000 MW、850 MW、700 MW、550 MW、400 MW 共5 个工况的性能试验。试验结果显示，1 000 MW 工况下，机组高压缸效率85.97%，中压缸效率91.43%，经二类修正后的机组热耗率7 555.81 kJ／kWh。可以看出机组热耗率比设计值高了324.81 kJ／kWh。

通过对比机组的考核试验及此次常规试验两次试验数据、热力系统试验值与设计值之差，应用等效焓降理论［2］分析热力系统，找出机组热耗率偏高的原因，为机组大修和运行优化提供思路。

1 机组高压缸效率和中压缸效率对能耗影响

2017 年2 月，在机组投产考核试验之前，试验单位曾进行过一次常规性能试验，为分析自投产以来的缸效变化，比对这3 次THA 工况试验下的高中压缸效率变化，数据见表1。

本次THA 工况比2017 年2 月THA 工况相比，高调门开度基本相同，高压缸效率降低约1.21%，两次试验时隔2 年，高压缸效率的降低主要受机组老化的影响；相比2017 年6 月考核试验THA 工况，本次THA 工况高压缸效率降低约3.74%。对比数据可以看出，高调门开度对高压缸效率影响较大，考核试验时高调门开度大，节流损失小，高压缸效率高，而机组实际运行时，考虑满足电网一次调频的要求，高调门开度必须留有一定裕量［3］，这样就需要牺牲一定的经济性。但机组在850 MW 及以下负荷时，高调门开度仅有30%左右，不能充分发挥节流调节机组在低负荷时的优势，需要优化低负荷时的调门开度曲线。

表1 THA 试验工况的高压缸效率和中压缸效率

高压缸效率和中压缸效率降低对机组热耗率的影响分析，一般采用美国ASME PTC6S REPORT—1970 《汽轮机例行试验的简化方法》中给出的计算方法，按此方法和机组设计参数分别计算了高压缸效率变化1%对机组热耗率的影响［4］：

式中：WHP为高压缸做功量，kJ／s；ηm为机械效率，%；ηd为发电机效率，%；Nt为发电机功率，kW；Gr为再热流量，kg／s；HHP为高压缸焓降，kJ／kg；HR为机组设计热耗率，kJ／kWh。

同理，也计算了中压缸效率变化1%对机组热耗率的影响：

式中：WIP为高压缸做功量，kJ／s。

应用式（1）和式（2），高压缸效率每变化1%，影响热耗率16.98 kJ／kWh；中压缸效率每变化1%，影响热耗率37.65 kJ／kWh。本次THA 工况下，高压缸效率85.97%，比设计值偏低3.92%，使热耗率升高约66.41 kJ／kWh，煤耗增加约2.53 g／kWh；中压缸效率91.43%，比设计值偏低1.53%，使热耗率升高约57.66 kJ／kWh，煤耗增加约2.19 g／kWh。

2 再热减温水量对能耗的影响

在汽轮机热力系统平衡图中，再热减温水流量为0，而在实际运行中由于炉侧再热器壁温超温，需要投入一定量的事故减温水，来控制再热器壁温。投再热减温水，增加了热力系统吸热量，同时再热减温水由于没有经过回热加热器的加热及高压缸做功，循环效率较主流工质偏低，机组热耗率和煤耗率增加。通过等效热降理论，计算了再减水占主汽流量1%时，影响机组热耗率约1.87‰。

本次THA 工况下，机组投再热减温水流量为76.17 t／h，占主蒸汽流量比例为2.75%，使机组热耗率升高约37.8 kJ／kWh，煤耗增加约1.44 g／kWh。建议加强锅炉侧燃烧调整，采用尾部烟气挡板来调整再热温度，正常运行尽量不投再热器事故喷水，以提高运行经济性。

上述分析是基于再热减温水流量为真实投入值，如果再热减温水流量虚高，按照热耗率的计算公式估算，再热减温水流量每虚高10 t／h，机组热耗率虚高28.67 kJ／kWh，建议检查再热减温水流量测点准确性。

3 小机汽耗量对能耗的影响

机组配备一台100%容量小汽机和单独小机凝汽器，凝结水回收至大机热井，小机同轴驱动前置泵和给水泵，计算试验小机效率时，需要考虑给水泵组的焓升。受各类因素影响，小机实际运行效率一般低于设计值，必然使小机汽耗量也高于设计值，小机汽耗量增加，降低了主机做功能力，使机组能耗上升。一般分析小机汽耗量对能耗影响时，往往只是比较试验汽耗量与设计汽耗量之间的数值差，然后应用等效热降理论，计算能耗影响值。这种计算方法是片面的，它没有考虑小机进排汽参数与设计值的偏差，对汽耗量的影响。按试验给水泵组焓升、试验小机参数、试验给水流量、试验再热减温水流量、小机设计效率，求出修正后的小机设计进汽流量，再与小机试验进汽流量进行对比。修正后的小机设计进汽流量计算公式为

式中：Gp为试验给水流量，t／h；ΔHp为试验给水泵组焓升，kJ／kg；Gj为试验再热减温水流量，t／h；ΔHj为试验再热减温水焓升，kJ／kg；ηt为小机设计效率，%；ΔHt0为试验小机理想焓降，kJ／kg。

表2 给出了小机本次试验参数与设计值的比对，本次THA 工况下，小机效率为76.7%，修正后的小机设计进汽流量141.28 t／h，试验小机汽耗量比修正后的设计值偏高13.45 t／h，再应用等效热降理论，计算出使机组热耗率升高约23.66 kJ／kWh，煤耗增加约0.90 g／kWh。

表2 小机试验参数与设计值比较

4 给水大旁路内漏对能耗的影响

机组给水系统共设置有3 个高加加热器和1 个外置式蒸冷器，1 号高加出水分为两路，一路走外置式蒸冷器，另一路走外置式蒸冷器旁路；三抽蒸汽先进外置蒸冷器，再进3 号高加；给水大旁路为从3 号高加入口至外置蒸冷器出口。

各工况省煤器入口温度与1 号高加出水温度比较见表3，为了消除测点及测量误差对数值的影响，表3 中温度值均取两次试验同一DCS 测点数据。可以看出2017 年2 月THA 及设计值，给水温度均比1号高加出水温度高4 ℃左右，这主要受外置式蒸冷器的加热影响。而本次THA 工况下，给水温度却比1号高加出水温度低1.54 ℃，说明给水大旁路内漏严重。给水大旁路没有流量表计，只能对1 号高加出口到省煤器入口这一段给水管路（含外置蒸冷器在内）进行热平衡计算，整体来看进入该区域的热量是1号高加出水、三抽至蒸冷器进汽、给水大旁路内漏，离开该区域的热量是省煤器入口给水、3 号高加进汽，通过热平衡和迭代计算，求出给水大旁路内漏流量，表4 给出了5 个试验工况的给水大旁路内漏量的计算结果。

表3 各工况省煤器入口温度与1 号高加出水温度比较℃

表4 各工况下给水大旁路内漏量 t／h

给水大旁路的这部分给水不流经高加，减少了回热抽汽，降低了回热程度，也造成给水温度比设计值偏低4 ℃左右，使机组热经济性降低，以THA 工况为例，使机组热耗率升高约10.95 kJ／kWh，煤耗增加约0.42 g／kWh。

5 其他内漏对能耗的影响

各试验工况下的系统不明泄漏率均低于GB／T 8117.2—2008 《汽轮机热力性能验收试验规程》规定的限制，说明机组能耗高与外漏无关。表5 计算了各试验工况下的凝汽器过冷度，均为负值，而设计值为≤0.5 ℃，说明凝汽器有内漏热量进入，这部分热量未经做功进入凝汽器，降低了机组的经济性。试验前对热力系统查漏发现机组存在几处较大的内漏：低旁A、B 侧阀后温度180 ℃，主汽管道右侧气动疏水门200 ℃，小机高压进汽管道疏水常开等。

表5 各工况下凝汽器过冷度

由于没有具体的内漏流量数值，无法给出对经济性影响的具体数值，通过等效热降计算出THA 工况下内漏汽量为1 t／h 时各自对机组经济性的影响，见表6。

表6 内漏对机组能耗的影响

6 机组能耗偏高整体分析

THA 工况下，机组修正后热耗率比设计值高约324.81 kJ／kWh，通过对机组的热力系统进行的分析，已找出影响机组能耗的原因有：高中压效率低、投用再热减温水、小机耗汽量增大、给水大旁路内漏等，共计影响热耗率196.48 kJ／kWh 的原因，具体影响数值统计见表7，其余128.33 kJ／kWh 的热耗率受汽轮机常规热力性能试验限制，不能具体定量分析，其中有：给水流量测量的精度；低压缸老化导致的低压缸效率降低；轴封漏汽量增大；系统内漏，尤其是高低旁、加热器危急疏水、主再热管道疏水、小机高压进汽管道疏水等。

表7 THA 工况下能耗偏高原因

7 结语

通过比对试验数据，分析机组热力系统，找出了机组能耗偏高的原因，主要有高中压效率低、投用再热减温水、小机汽耗量大、给水大旁路内漏等，并且通过等效焓降等计算，给出了对机组能耗的影响值，为电厂为机组大修和运行优化提供了思路。