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1、华北电力大学本科毕业设计（论文）摘要 随着我国电力的快速发展，大容量高参数的汽轮机组日益增多,对其运行的经济性和安全性的要求也越来越高。大型火电机组在电力中占的比重越来越大，电网的峰谷差不断增大造成了电网的调峰越来越困难，调峰任务日益紧迫。由于我国各大电网的组成结构一般都以火电为主，少量的水电又有很多是径流式，不宜弃水调峰，且普遍缺乏其它调峰手段，因而火电机组担负电网调峰将是长期的任务。为了保证电网的稳定运行，大机组参与调峰是我国电力发展的必然趋势。本文比较分析两班制和低负荷两种调峰方式，结合我国目前的电力组成结构和技术水平，可得大容量机组参与调峰采用低负荷方式比较适宜，并分析了低负荷调峰时对
2、汽轮机运行经济性和安全性的影响。汽轮机在低负荷运行时，大幅度地偏离了设计工况，故使汽轮机效率下降，但降低程度与运行方式有关，同时机组的安全性也与运行方式密切相关。本文通过比较汽轮机组的定压运行、滑压运行和复合滑压运行三种方式，最后得出结论，机组低负荷调峰时采用复合滑压运行方式是比较经济可靠的。关键词：调峰；低负荷；经济性；安全性；运行方式I华北电力大学本科毕业设计（论文）AbstractAlong with the development of electricity in our country，big capacity and high parameter turbine units in
3、creases increasingly, as to its the economy and the request of the safety for runing is also more and more high.with the power of large generating units accounted for an increasing proportion ,the difference of apex and vale that appear is augmenting, the task of electritied wire neting peak regulat
4、ion is increasing , to ensure the electritied wire neting stability operation,large electricity generating units in undertaking is the development trend of our country,.Comparative analysis of two-shift and two peak regulation styles form a low load,in conjunction with our country electric power str
5、ucture and composition of the current technological level of electricity, high-capacity power plants for peak regulation in the country to be used by low-load styles. turbine economic and security implications.Turbine at low load operation, substantially deviated from the design of the state, so the
6、 decline in turbine efficiency, but the lower level with the operational style,At the same time the security of the units are closely related with the operational style.Comparative analysis of the impact of fixed pressure operation ,slip pressure operation and compex pressure operation to security a
7、nd economic of steam turbine,Finally,we get the conclusion, crew load plants using low pressure composite piece is more economical and reliable operation.Keywords： peak regulation,low load,economic,safety,operational styleII目录摘要IAbstractII1. 前言11.1 选题目的和意义11.2 国外国内调峰现状12. 国内机组主要调峰方式分析比较32.1 调峰方式简介32
8、.2 两班制和低负荷方式比较：32.2.1 安全性32.2.2 经济性32.2.3 调峰幅度42.2.4 机动性42.2.5 事故概率43. 机组低负荷运行常见问题分析53.1 锅炉侧分析53.1.1 锅炉常见事故53.1.2 影响因素及注意事项53.1.3 采取的措施63.2 机侧分析73.2.1 小容积流量工况73.2.2 过渡工况和鼓风工况73.2.3 低压级叶片的颤振83.2.4 低压缸排气室过热93.3 辅机分析93.3.1 高压加热器93.3.2 除氧器104. 机组低负荷运行方式研究114.1 低负荷运行方式介绍114.1.1 定压运行方式114.1.2 滑压运行方式124.2
9、低负荷运行的前提保障134.2.1 锅炉燃烧稳定性134.2.2 水循环安全可靠性144.3 机组低负荷运行安全性分析154.3.1 汽轮机安全性分析154.3.2 锅炉安全性分析164.4 机组不同运行方式经济性分析174.4.1 高压缸效率174.4.2 给水泵功耗184.4.3 汽轮机热耗和机组的供电煤耗185. 低负荷调峰方式下的滑压运行205.1 滑压运行的优缺点205.2 滑压方式的比较215.3 低负荷复合滑压的优越性215.4 不同滑压运行方式在国内外的应用情况22总 结24参考文献25致谢261. 前言1.1 选题目的和意义随着国家宏观调控及近几年电力工业的发展，市政生活用电
10、的年递增速度已大于工业用电，致使用电结构也发生了改变，电网负荷昼夜峰谷差越来越大。调峰是电网必须面对的问题，但不同电网峰谷差不同，电网自身条件不同，采取的调峰方式可能不尽相同。一般是核电站和大型火电站担负基本负荷，水电站和燃油电站承担电网的调峰和调频。但是，燃油价格昂贵，经济效益较差。水电所占比例较少，分布不均匀，而且受水流季节性的影响，没有很多调节能力，因此几年内我国的基本负荷和调峰还将主要由火电承担。在我国大机组调峰中，两班制调峰还处于实验阶段，技术还不够成熟，所以大机组普遍采用低负荷调峰方式。通过分析比较各种调峰方式，重点对低负荷调峰进行研究分析，找出机组在满足电网调峰的同时，既能够保证
11、机组安全稳定运行，又能提高机组运行经济性的运行方式势在必行。1.2 国外国内调峰现状根据研究，解决电网调峰问题最有效的手段是水电机组调峰。因此现在世界上各国都在改建原设计的容量小的水电站，增加机组的容量，以提高其调峰能力。如美国大古力水电站，原装机组容量为1974MW，平均年发电量为14.6TW h，年利用时数为7400h。改建后的装机容量为10560MW，为原来设计的5倍，大大增加了调峰能力，而年发电量只增加了31.5%，年利用时数降低到2000h以下。抽水蓄能电站兼有调峰和填谷的双重功能，调峰幅度大，是国外最常用的一种电网调峰方式。美国蓄能式水电站的最大容量为2100MW，单机最大容量为2
12、50384MW。国外电网专门用于调峰的火电机组容量较大。20世纪60年代，一些工业发达的国家已开始制造专门承担低负荷调峰的汽轮机机组。美国Penevania电站安装了两台850MW的中间负荷机组，日本也投入了超临界1000MW中间负荷机组，甚至世界上单机容量最大1300MW机组也开始承担变动负荷。这些机组的变负荷速度一般可以达到6%7%/min，最低负荷达25%30%。据中国电力新闻网调查报告显示2006年全国发电量达到28344亿千瓦时。其中，火电发电量23573亿千瓦时，约占全部发电量83.2%；水电发电量4167亿千瓦时，约占全部发电量14.7%；核电发电量543亿千瓦时，约占全部发电量
13、1.9%。由此可见，火力发电机组是占绝对比例的，水电机组、燃气轮机等发电机组，因其各自的局限性，还不能满足电网调峰的要求，因此目前还是火电机组调峰占主导地位。我国70年代、80年代新装机组中，200MW以上大容量高参数机组占绝大部分，所以200MW、300MW乃至更大容量机组参与调峰也是必然的趋势。当前我国火电机组的调峰方式主要有两种：两班制和低负荷运行方式。两班制运行是指机组根据电网日负荷曲线的分配规律，白天正常运行，夜间电网负荷低谷时停运，次日清晨再重新启动并网。在利用两班制运行方式承担调峰任务时，不同程度地出现了启停寿命损耗大、升速慢、安全性差等问题。低负荷运行是一种传统的调峰方式，其调
14、峰能力往往受到自身性能的限制。现在国内一批较大容量机组开始参与调峰，如我国的300MW机组已经开始低负荷运行，机组在低负荷运行期间偏离设计工况，必然会导致经济性的降低，同时对安全性也会带来威胁，如汽缸过热、末级叶片颤振、锅炉燃烧稳定性降低、胀差等，这些我们都要慎重考虑，所以研究火电机组低负荷运行方式很有必要。262. 国内机组主要调峰方式分析比较2.1 调峰方式简介两班制运行方式就是夜里短时间停运，早上再启动 ，它是电网中调峰的有效手段，国内外的制造厂、运行厂均为此作了大量的研究工作，积累了较多的经验。国外已制造出了专门用于调峰的大容量汽轮机，设计带基本负荷的机组经过试验改进，也可以实施两班制
15、运行。据资料介绍，日本的两班制运行机组占61%，以450MW以下机组为主。国内目前可实行两班制运行机组仅限于100MW及以下非再热机组，对于大容量再热机组，还缺乏这方面的运行和改进经验，尚需进一步探讨。低负荷运行是带基本负荷的机组参加电网调峰的主要运行方式之一，也是最简单的一种方式，这种方式的调峰幅度取决于机组技术上允许的最低负荷。需要做最低负荷试验，对于单元制机组汽轮机的工作受制于锅炉的安全运行，以锅炉燃烧的稳定性和水动力循环的可靠性为前提。2.2 两班制和低负荷方式比较2.2.1 安全性 不论从设备寿命还是安全操作来看，控制负荷变化率与一定范围内的低负荷方式最好，两班制涉及的安全问题较多，
16、机组频繁启停寿命损耗加剧，操作也较多，出现误操作几率大，安全性差。低负荷运行时，采用定压方式，汽轮机调节级温度变化小，机组寿命损耗为两班制的1/2。如采用变压方式，汽温基本不变，较安全。原来带基本负荷的机组后来改造为两班制运行机组，由于原设计汽轮机轴向间隙较小，所以胀差问题突出。另外汽缸温差、轴向位移、辅机阀门等均影响机组运行的安全性。但对于低负荷运行方式，由于机组处于旋转热备用状态，这些安全性指标均变化不大。2.2.2 经济性低负荷机组一般当负荷低于70%时，效率急剧下降，采用低负荷运行方式，当夜间负荷降到其可能的最低值时，效率十分低下，显然，长时间低负荷运行是不经济的。两班制虽无机组效率低
17、的问题，但机组启动损失较大。若低谷运行时间不长，采用两班制运行就不经济，所以要比较运行经济性，首先要提供低负荷低谷持续时间这个先决条件，然后根据实验数据进行比较求出一种方式对另一种方式的临界时间。对单元制机组，调峰时若低负荷运行，与带额定负荷相比，其多耗煤量为BL =(bL-bN)Pt (2-1)式中 BL低负荷运行附加的燃料损失，kgbL、bN-低负荷运行是和额定运行时的供电煤耗率，g/kw.h；P-机组负荷，kw；t-调峰时间如果已知机组的调峰启停损失BS，则采用两班制或低负荷运行的临界时间tcr， 可由BS=BL求得tcr=BS /(bL-bN)P (2-2)此处临界时间的概念是当机组低
18、负荷运行时间超过临界时间tcr则是不经济的，应该将机组停运，采用两班制。2.2.3 调峰幅度两班制调峰幅度可达100%，而低负荷方式在锅炉不然油的情况下，一般只能调30%，经锅炉改造后目前可以达到50%甚至以下。2.2.4 机动性 低负荷方式机动性最好，如300MW机组负荷变动率2%/min，则半小时内就可以调整60MW负荷。两班制方式机动性差，无再热机组从点火到带满负荷要109120min，有中间再热的机组视情况不同，启动时间也达36小时。2.2.5 事故概率两班制运行机组，由于频繁启动，主辅机缺陷往往会暴露出来，容易酿成事故；低负荷运行无重大操作，事故概率最低。3. 机组低负荷运行常见问题
19、分析3.1 锅炉侧分析3.1.1 锅炉常见事故1）在低负荷调峰中，经常会出现锅炉灭火事故，灭火的原因有设备方面的，也有人为误操作方面的。如果灭火事故得到及时的控制，也不会造成太大损失，但是，锅炉灭火次数的增加，就意味着爆燃的几率在增加，这直接影响到锅炉的安全运行。2）在低负荷调峰时，常出现主汽温度达不到设计值的情况。主汽温度的调节方法有两种：蒸汽侧的调节和烟气侧的调节。一般情况下即使在额定负荷下运行也很少能采取蒸汽侧调节这种方法，因为额定负荷下主汽温度刚能达到设计值，减温水系统很少能使用上。锅炉低负荷调峰时，随着负荷的降低，主汽温度也逐渐降低，这时主蒸汽温度远低于设计值，这既不经济，也不利于汽
20、轮机的安全运行。3.1.2 影响因素及注意事项锅炉低负荷运行时，燃烧煤种的变化对锅炉燃烧稳定性影响较大，煤质的好坏是影响锅炉下限运行的最主要因素。燃料的水分增加，使着火不易且不稳定；燃料的挥发份越低，火焰传播的速度越低，火焰也越不稳定；煤粉细度越大，即煤粉越粗，火焰传播的速度也越低，煤粉不易着火；煤的灰份越高，火焰传播的速度也越低，煤粉也越不易着火，所以，在低负荷运行期间，必须保证锅炉燃烧煤种的稳定性。一方面，要尽量采购接近设计数据的煤种，以避免煤质变化给燃烧带来的影响。另一方面，化学煤质化验人员要及时将锅炉煤质报告单和煤粉细度单送交锅炉运行人员，便于锅炉运行人员根据煤质做好燃烧调整工作。锅炉
21、及其附属设备健康水平的高低、给粉机故障或因粉仓内壁贴粉严重会导致给粉机下粉不好，引起燃烧工况的大幅度波动，使锅炉燃烧恶化，严重时将发生锅炉灭火。汽机调速系统出现异常时，往往会发生加减负荷幅度超过规定值的现象，此时，锅炉运行人员如果燃烧调节幅度过大，使风粉配比失调，就会造成锅炉燃烧恶化，严重时将导致锅炉灭火。因单侧引、送风机故障停运，要做好燃烧调整，防止火焰过分偏斜。另外，引、送风机在检修完毕后启动时，务必加强对炉膛负压的监视，以防止设备启动破坏本就脆弱的燃烧工况。因单侧制粉系统故障停运，除加强对运行侧制粉系统的检查，必要时，可采取从临侧制粉系统或临炉输送粉。当负荷降低后，由于炉膛温度的降低，高
22、负荷时在水冷壁上的结焦会因逐渐冷却而掉落，掉焦。一方面会破坏炉内正常的空气动力工况，使直流喷燃器着火紊乱，严重时造成锅炉灭火。另一方面，大量的焦渣下落砸在水冷壁管子上，易砸伤管子造成泄漏。对于制粉系统的运行，锅炉低负荷运行前，尽量将粉仓粉位制到最高位。低负荷运行时使磨煤机尽可能处于停运状态，而且停磨后将一次风温维持到130 ，这样有利于煤粉的着火和燃烧。低负荷运行过程中粉仓粉位必须在安全粉位以上，以防止下粉不均匀现象的发生，这就是“高粉位调峰”原则。制粉系统启停倒风过程中，要缓慢仔细，尽量保持一次总风压的稳定。倒风中，一次总风压变化不得超过l96Pa。在锅炉低负荷运行中，严禁两套制粉系统同时倒
23、风。保持合格的煤粉细度十分重要，较粗的煤粉不利于燃料的着火与燃尽，而且还会增加不完全燃烧热损失。锅炉在低负荷运行时，煤粉细度要比额定负荷下的设计煤粉细度小一点。运行人员在调整上要做到“四勤”。锅炉低负荷运行时，运行人员应做到四勤，即：勤检查、勤调整、勤分析、勤联系。勤检查：低负荷运行过程中，运行人员要勤检查燃烧器来粉情况，防止燃烧器来粉过淡，造成着火不稳。如果给粉机出现故障被迫停运造成炉膛缺角燃烧时，应及时通知检修人员处理，并增加运行给粉机的给粉量，关闭故障给粉机的一次风门，同时注意一次风压的变化。勤调整：主要是指锅炉燃烧调节。在调节中尽量做到风粉配比、一二次风配比合理，使锅炉各参数保持平稳过
24、渡，以保证燃料迅速着火，完全燃烧，炉膛温度场和热负荷分布均匀。燃烧调节中禁止猛增、猛减风量和燃料量。勤分析：应经常对各仪表、参数变化进行综合分析，及时发现设备运行中的异常现象，正确处理，保证燃烧工况稳定。勤联系：炉、机、电运行人员应加强联系，机组加减负荷的速度应缓慢，以适应机组的热惯性。3.1.3 采取的措施1） 尽可能减少负荷变化的影响。有关资料显示，锅炉负荷每变化10%，主蒸汽温度变化为10一般将负荷增减速度控制在5MWmin内。2） 控制锅炉炉膛过量空气系数。过量空气增大时，燃烧生成的烟气量增多，烟气流速增大，对流传热加强，导致过热汽温升高。空气不能过量，否则，在锅炉低负荷运行时，极易造
25、成燃烧不稳，严重时将造成锅炉灭火。为此，在低负荷运行时，标志过量空气量大小的烟气含氧量一般控制在56.5之间。3）.控制好燃煤煤质及煤粉细度。燃煤煤质的变化对汽温的影响也比较大，燃煤的水分和灰分的适量增加，均可使汽温提高。资料显示燃煤水分变化1，汽温变化15，燃煤灰分变化10，汽温变化5因此，加强小窑煤与统配煤的掺烧工作，使其接近设计煤种显得十分重要。结合锅炉低负荷运行时煤粉燃烧与汽温两者对煤粉细度的要求，煤粉细度须严格控制，一般在2530之间为佳。3.2 机侧分析3.2.1 小容积流量工况理论上，把容积流量减小的过程中，动叶根部开始出现脱流的工况，以及以后的容积流量更小的工况称为级的小容积流
26、量工况。汽轮机低压级的特点是叶片长度增加，顶部叶型薄而弯曲，叶型扭曲厉害。叶片的出口汽流速度较高，绕流流场处于跨音速等。当低压级降低负荷，在小容积流量下工作时，会导致低压通流部分尤其是末级叶片中的流动发生较大的变化。当负荷降低到一定程度，叶片根部、顶部、出现扩压区导致涡流，流线急剧弯曲。前苏联哈尔科夫工学院对模型透平级作了从额定负荷到空负荷的试验，结果表明：低压级负荷降低时，叶片根部、顶部、均会出现脱流现象，使得该处的蒸汽倒流，速度三角形发生很大变化。正常容积流量下，流体可以充满整个流道，流道是正常的。当容积流量减小到54%时，动叶后跟部已出现沿圆周方向的涡流，但速度比圆周速度小得多，动叶根部
27、留下向上倾斜，且随着容积流量的减小，动叶后根部涡流区与脱流高度增大，当容积流量减小到46%时，不但动叶后涡流和叶根脱流高度更大，而且喷管与动叶的间隙出现涡流，这一涡流中心的轨迹是一个圆，喷管中流线向下弯曲，动叶中流线向上弯曲更大；当容积流量减小到28%时，动叶后涡流几乎占据了整个叶高，只有外缘有流量，动叶内流线成对角线，动叶静叶间隙涡流扩大到大部分叶高，只有隔板体附近有蒸汽流过。当叶根脱流超过1/3叶高时，叶间外缘涡流沿轴向深入喷管。低压级叶片发生脱流的必要条件是轴向扩压流动和流体粘性的作用，而由于叶栅上下端部有二次流 ，容易较厚的边界层，因此涡流必须出现在扩压区和叶栅上下端部的边界层增厚处。
28、 由于叶片的根部，顶部脱流易形成漩涡区，不仅对叶片有冲蚀作用，而且还形成稳定的扰动源，引起叶片危险的振动，这是导致末级叶片损坏的重要原因，为消除或减少根部脱流现象，叶片必须增加根部反动度。如前苏联提出末级叶片根部反动度的最佳值为0.220.33，日本250Mw汽轮机末级叶片的反动度为0.3，美国Westinghouse公司提出根部反动度不得低于0.12。3.2.2 过渡工况和鼓风工况汽轮机低压级在容积流量降低的低负荷工况下运行时，会出现脱流以至于蒸汽的倒流。这样就极大的影响了动叶进出口的速度三角形，有的部位的速度三角形已呈倒置。这就意味着这种情况下不仅不能产生功率，还要对于正常流动的蒸汽产生阻
29、碍，并消耗功率。如果汽轮机的某级非但不对外做功，而且还要消耗轴上的机械功，那么级的这种工况称为鼓风工况，也称耗能工况或压气机工况。把级能对外做有效功的工况成为透平工况。在由透平工况向鼓风工况过度的某种中间工况，此时级的有效焓降为零，级的相对内效率为零，称此工况为过渡工况，显然，在低负荷运行下，总希望透平工况的范围扩大，鼓风工况的范围缩小，过渡工况出现的越迟越好。因此正确确定过渡工况是重要的。3.2.3 低压级叶片的颤振低负荷运行会造成汽轮机末级叶片的颤振，容易引起汽轮机整体的振动和末级叶片的断裂。颤动即自激振动，是当叶片表面蒸汽流发生脱离现象形成涡流所致。小容积流量时，原设计流场被破坏，末级叶
30、片沿叶高的热力参数将重新分布，沿汽缸壁和叶轮的汽流发生了分离，汽流在动叶片根部和静叶栅出口顶部出现汽流脱离，形成倒涡流区。图1为汽机测试所得的动应力随相对容积流量的关系曲线，在0.41.0范围内，动应力随负荷的降低而减小，进一步降低容积流量，动应力开始上升，当容积流量为0.2附近达到最大，然后随容积流量的减少急剧下降至零。图中虚线为假设有汽流脱离时的动应力。图3-1 动应力与容积流量的关系在容积流量减小时，激振力的频率并没有变化，所以这种动应力突增现象无法用强迫振动予以解释。由于动应力突增现象是发生在小容积流量工况，所以小容积流量工况的气动特性是引起动应力突增的根源。引起汽轮机叶片在小容积流工
31、况下动应力突增的是流体自激振动中的失速颤振。失速颤振的发生与叶片在大的负冲角下内弧表面大尺度的非稳定分离区的振荡行为有关。当叶片由于外界原因以某一固有频率作初始微幅振动时，叶片与汽流间将发生能量交换。当叶片在一个振动周期内，汽流对叶片所作的正功小于机械阻尼所消耗的功时，叶片从汽流吸收的能量不断被机械阻尼所消耗，叶片振动的振幅逐渐衰减，振动趋于消失。反之，叶片从汽流吸收的能量不断增加，叶片振动的振幅逐步加大，于是发生颤振。3.2.4 低压缸排气室过热如前所述，在小容积流量下，汽轮机的低压级会出现鼓风工况，要消耗一部分机械功，并转变为热能，加热蒸气，在由蒸汽加热转子。由于末级通流部分面积最大，故在
32、容积流量减小的过程中，末级最先可能达到鼓风工况，最先被加热。容积流量进一步减小，到二级的通流面积与容积流量相比也太大时，到二级也达鼓风工况，也被加热。如此逐级向前推进。单缸凝汽式汽轮机在空载工况下，将只有调节的喷管有蒸汽膨胀做功，其余各级都在接近于排气压力的压力下空转。凡处在空转下的级都将受到加热。例如，某汽轮机在空载工况下，低压缸进汽温度为110130，但是由于鼓风工况加热，排气温度高达200250另外，在低负荷运行时，由于流入低压缸的蒸汽量很少，最末级动叶的流量也不是均匀分配的，凝汽器的真空有所降低，故可能导致排气温室升高。排气温度的升高会引起低压缸的变形和轴承位置的变化，从而可能导致机组
33、振动异常增大。因此对排气缸温度应予以限制，避免过高导致事故的发生。例如国产300MW汽轮机规定排气是正常温度为小于65，报警值为70。为了使排气室温度不超限，在排气室设置了喷水减温装置。当排气室温度超过规定值时，喷水装置开始向排气室喷水，降低其温度。实验表明，喷水冷却装置投运时，若凝汽器真空度比较高，则末级动叶后气温沿整个叶高都将降到排气压力下的饱和温度，如5060左右，比较安全。如对于300MW汽轮机，当排气温度大于70时，喷水装置自动投入。由于小容积流量工况下，喷水冷却装置喷出的水滴，将通过根部涡流，被吸入动叶，随着涡流运动，冷却动叶。对于单元再热机组，在汽轮机负荷很小时，再热起来的多余蒸
34、汽将通过减温减压器送入凝汽器。减温减压器中喷出的部分水滴，也将经过凝汽器倒流入末级动叶根部，冷却末级。若停用喷水冷却装置且切除减温减压器通入凝汽器的排气，则几分钟后末级动叶后气温就升高到200左右，这时，有的机组末级叶间间隙外缘温度可达250左右，因此在这种工况下，不能停用喷水冷却装置。在低负荷连续运行时，若长时间喷水，由于小流量下末级叶片表面的脱硫现象，产生部分回流蒸汽，有可能将喷出来的水卷入，叶片产生水蚀。3.3 辅机分析 3.3.1 高压加热器高压加热器在负荷变化时产生的热应力主要发生在管板上。正常运行中管板的热应力，主要是由于给水温度在加热器中的升高使进出口处形成的温差引起的。管板上应
35、力的大小取决于该项温差的大小。满负荷运行时，给水温度升高约2540，当汽轮机旁路投入运行时，因加热器与再热器连通，给水温度可达到60120此时由于高压加热器蒸汽和凝结水之间温度和放热系数的不同，可在管板汽侧引起附加应力。在高压加热器投运的过程中，由于加热器出口温度突然升高，将会在管板上产生热冲击，在冷态启动时加热器水室与给水箱水温之差可达80100，在启动时同样会产生热冲击。如果一台高压加热器单独解列一定时间，温度下降后再投运给水和水室的温差可能高达200，将会引起很大的瞬间热应力。当高压加热器满负荷运行时，如果给水泵跳闸，备用给水泵自动投运，给水泵和管道中的低温水进入加热器水室将会造成管板严
36、重的热冲击。为了保证高压加热器热应力及疲劳寿命损耗限定在允许范围之内，可采用如下的一些措施：应适当控制温度变化率。在工况变化时，温度变化率一般限制在38/h，特殊情况下温度变化率可达到93/h，不宜再高。当温度突变50时，管板上的最大集中应力，根据Manson公式计算结果约为300Mpa已接近管板材料的屈服极限。保持加热器排汽畅通将加热器内非凝结气体排出，是保证加热器正常工作的重要条件。加热器内如有非凝结气体聚集，不但会降低加热器的效率、而且会加快部件的腐蚀。还应避免加热器超负荷运行，当加热器在超负荷工况下运行时，蒸汽和给水都会加大加热器的工作应力，缩短其使用寿命。3.3.2 除氧器滑压运行的
37、除氧器，调峰时负荷大幅度改变会使除氧器产生内外壁温差和热应力，在负荷波动过程中，除氧器壳体和水箱都将承受交变应力，这种交变应力在腐蚀介质的作用下将会产生腐蚀疲劳，从而造成除氧器和水箱的寿命损耗。为了减少除氧器的疲劳损伤，提高使用寿命，应控制机组的负荷变化率，尤其是降负荷过程，一般情况下要求机组的负荷变化率不超过3%/min。 4. 机组低负荷运行方式研究4.1 低负荷运行方式介绍4.1.1 定压运行方式定压运行方式是指:汽轮发电机组在正常运行时，主蒸汽压力保持额定压力，不随负荷变化而变化。一般定压运行的汽轮发电机组可以采用节流配汽，也可以采用喷嘴配汽。对节流配汽的调节是通过调速汽门的节流将主蒸
38、汽压力降低到所需负荷对应的压力；而喷嘴配汽的调节是通过四个或八个调速汽门改变进汽度，节流只在单个阀门上进行，来改变负荷。图2和图3分别是定压运行节流配汽和喷嘴配汽的运行方式特性曲线图。图4是不同运行方式下调节级后蒸汽温度与主蒸汽流量的关系。由图1和图3中曲线可以看出，定压运行节流配汽运行方式有以下特点:1) 在部分负荷时，调速汽门的节流很大，造成汽轮机组的损失也很大；2) 机组在结构上都不采用调节级，从设计和制造各方面都要比有调节级要简单得多；图4-1 定压运行、节流配汽运行方式的特性曲线图图4-2 定压运行、喷嘴配汽运行方式的特性曲线图图4-3 不同运行方式下调节级后蒸汽温度与主蒸汽流量的关
39、系 3) 调速汽门出口压力与主蒸汽流量，也就是机组的负荷成正比线性关系；4) 当流量变化时，各级温度变化较小，对负荷变化的适应性较好。由图2 和图3 可以看出，定压运行喷嘴配汽运行方式有以下特点:1) 节流只在单个阀门开的时候才存在，所以节流损失比定压运行节流配汽要小得多；2) 调节级压力与负荷的变化关系与节流调节相同；3) 特别是在高负荷区，同样的蒸汽流量变化量，引起的调节级后蒸汽温度变化量比其它运行方式要大，这对调节级及转子的热应力和寿命都很不利。4.1.2 滑压运行方式4.1.2.1 全滑压运行方式汽轮机滑压运行时，调节汽门全开。根据负荷大小调节进入锅炉的燃料量、给水量和空气量，使锅炉出
40、口汽压和流量随负荷升降而升降，但出口汽温不变，因此汽轮机的进汽温度维持额定值不变，而进汽压力与流量都随负荷升降而增减，可借以调节汽轮机的功率。全滑压运行方式有以下特点:1) 调速汽门不存在节流，也不存在节流损失。仅仅是通过调速汽门的损失，其在全负荷范围内都很小，比定压运行方式要小得多；2) 由于汽轮发电机组的主蒸汽压力是随负荷升高而升高的，给水泵的工作点也是一根上升的滑压曲线，在部分负荷时，给水泵消耗的功率远远小于额定工况的功耗，节省了给水泵的功率，这对汽轮发电机组效率有利；3) 汽轮机结构上不采用调节级，避免了由调节级带来的振动和强度问题，简化了汽轮机的设计和制造。5) 调节级后的蒸汽温度与
41、主蒸汽流量的变化关系是一根稍微有些下降的曲线，就是说，随着负荷的增加，调节级后的蒸汽温度基本保持不变，反而略有下降。这种变化规律，在汽轮机负荷改变时，对调节级和转子的热应力影响很小，也就是说机组的负荷可以在不受热应力限制的情况下变化得快一些。4.1.2.2.节流滑压运行汽轮机也不需要调节级，第一级全周进汽，节流调节汽门预先关小5%15%，进行滑压运行。负荷急剧升高时，开大节流调节汽门应急调节；负荷突降时，也可关小调节汽门加以调节，待锅炉燃烧状况跟上后，再将节流调节汽门开度恢复到原位，这就可避免锅炉热惯性对负荷迅速变化的限制。这种调节方式的缺点是节流调节汽门中有节流损失。4.1.2.3.复合滑压
42、运行方式在这种运行方式中，汽轮机采用喷嘴配汽，高负荷区域内进行定压运行，用启闭调节汽门来调节负荷，较低负荷区域内，仅全关最后一个、两个或三个调节汽门，进行滑压运行，负荷急剧增减时，可启闭调节汽门进行应急调节。在滑压运行的最低点负荷之下又进行负荷水平较低的定压运行。这是滑压与定压相结合的一种运行方式。4.2 低负荷运行的前提保障在电力结构中，火电一般约占70%比例，故需承担更多的调峰任务。在发达国家担任调峰任务的主要是大型火电机组，如：前苏联200MW、300MW、500MW机组均参加调峰，日本核电带基本负荷，包括1O00MW机组在内的火电机组均参加调峰，美国从80年代初就规定，火电机组一律参加
43、调峰。目前，我国对尖峰机组的过热器，汽温调节方法、设计参数等研究不够充分，考虑到设备的寿命和运行的安全，对中、大型火电机组仍倾向于采用低负荷运行的调峰方式。这种运行方式的成败，很大程度上取决于锅炉燃烧的稳定性和水动力工况的安全性。4.2.1 锅炉燃烧稳定性锅炉降低负荷时，炉温随之降低，会引起燃料燃烧不稳定甚至熄灭。低负荷运行的关键是锅炉燃烧的稳定问题，也是锅炉不投油的最低稳燃负荷问题。锅炉低负荷燃烧的稳定性主要靠强化煤粉的加热和着火过程来保持，根据煤粉吸热的物理过程，煤粉表面要加热至着火温度，主要取决火焰及炉墙的辐射热和高温烟气回流的对流热两部分，而且对流加热在着火阶段起主要作用。因此，强化燃
44、烧过程的初始阶段，强化煤粉和高温延期的对流换热，强化煤粉高浓度的集聚是实现锅炉低负荷脱油稳燃的关键。根据这个原理，国内开发了多种煤粉燃烧新技术，如旋流预燃室、钝体燃烧器、大速差直流预燃室等，下面简单介绍一下钝体燃烧器。钝体燃烧器是一种较早开发的能产生回流烟气的直流燃烧器，在许多电厂得到了应用，在江西，信丰、萍乡、乐平、分宜、南昌和景德镇等6个电厂，总容量为1075th的9台锅炉先后安装了钝体。运行表明：钝体具有较明显的稳定强化燃烧的功能，但也有易被烧毁的缺点。后来开发出了稳燃腔，即将钝体缩到了一个比通常喷口较大的腔体内，既能形成较大回流区，又能保证钝体不被烧毁。在海口和青山电厂50MW机组上应
45、用，可在50负荷下脱油稳燃。在钝体基础上还开发出了一种开缝，钝体燃烧器原理示意图如下：图4-4 开缝钝体原理示意图研究已表明：适当提高煤粉浓度，会使反应速度加快，着火温度下降，着火时间、距离缩短，着火热降低，火焰温度和传播速度提高，NO x排放量减少。众所周知，当锅炉负荷降低时，炉膛整体温度水平也随之降低，如果煤质较羞，易出现熄火和不稳定燃烧现象。但是，工业试验表明：采用如开缝钝体这样的稳焰装置后，燃用高灰分，低热值的劣质烟煤锅炉，仍能在50%负荷下脱油稳燃。究其原因是因为：开缝钝体燃烧器在整体温度水平降低时，仍能维持一个局部的高温区，即高温烟气回流区，其温度约10001300。开缝钝体燃烧器
46、能在一次风口附近这一局部区域内，合理组织温度、浓度、流速等工况，故能保证锅炉在调峰低负荷下稳燃。4.2.2 水循环安全可靠性华北电力大学和东北电力学院在2003 年7 月通过实验研究200MW机组电站锅炉调峰低负荷水循环安全在线监测试验。试验目的主要是检验该炉在调峰低负荷运行时水循环的可靠性。通过对200MW机组电站锅炉所作的调峰低负荷水循环试验，在整理试验数据和分析研究的基础上，得到如下几点结论:1) 在100%电负荷、在70%电负荷定压运行投水力吹灰器时，对水循环基本上没有影响。2) 在70%电负荷滑压运行水循环工况要比定压运行工况好。3) 在50%电负荷滑压运行时，虽然水循环流速有些波动
47、，但波动的最低值远大于水循环可靠性较差的循环流速界限值，仍有足够的流量冷却水冷壁管，不致于引起管壁超温。4) 在50%电负荷滑压运行投水力吹灰器时，水循环流速波动较大，其波动最低值已接近或低于水循环不良时的界限水循环流速，因此建议在50 %电负荷运行时，不要投水力吹灰器。5) 在40%电负荷滑压运行时，水循环流速有较大波动，此时水循环流速的最低值稍小于水循环可靠性较差的循环流速，不宜长期运行。6) 在30%电负荷滑压运行时，水循环流速有波动，绝大部分循环回路的水循环可靠性差，不宜运行。如果这两个问题得到顺利解决，机组低负荷运行便有了可靠有力的保障。同时它又是确定机组最低负荷的先决条件。4.3 机组低负荷运行安全性分析4.3.1 汽轮机安全性分析随着机组的发展和电网负荷的不断增大，大型机组不断地参与电网的调峰工作。这对长时间工作在偏离设计负荷的机组来说，其经济性和安全性有了很大影响。特别是大型机组长期低负荷运行，对其末级叶片的损坏尤为明显。下面探讨其发生末及叶片损坏的主要原因及改善措施。4.3.1.1 主要原因1）末级叶片水蚀水涮严重由于机组偏离设计工况低负荷运行，使汽轮机末级叶片长时间处于湿蒸汽条件下工作。而随着大型汽轮机的发展，末级叶片发展很快，叶片不断增长，这使其叶顶的线速度不断提高，为超音速例如:广东湛江发电厂300MW机组
