低溫省煤器對(duì)凝汽器真空及機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性影響

韓中合，李鵬

（華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003）

電站鍋爐的排煙余熱具有很大的利用價(jià)值。我國(guó)燃煤電站鍋爐的排煙溫度一般在120～140℃，但在一些燃用高硫煤和褐煤的電站中，排煙溫度較高，甚至可達(dá)160℃。這對(duì)鍋爐的效率以及脫硫除塵等設(shè)備的安全運(yùn)行會(huì)造成十分不利的影響[1]。加裝低溫省煤器這一措施，可以有效降低排煙溫度，對(duì)電站節(jié)能減排具有重要意義。

針對(duì)國(guó)內(nèi)某電廠600MW 直接空冷機(jī)組鍋爐排煙溫度過(guò)高的問(wèn)題，提出了在鍋爐尾部煙道加裝低溫省煤器，回收煙氣低溫余熱加熱機(jī)組凝結(jié)水的方案。本文以TRL 工況為例，對(duì)加裝低溫省煤器后凝汽器真空的變化進(jìn)行了定量計(jì)算，并且采用熱平衡法與等效焓降法對(duì)加裝低溫省煤器后機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析計(jì)算。

該機(jī)組為典型600MW 直接空冷超臨界燃煤機(jī)組，采用NZK600-24.2/566/566 型超臨界中間再熱凝汽式汽輪機(jī)，額定功率620.0MW，最大功率677.2MW，額定主蒸汽量1879.5t/h，最大主蒸汽量2090t/h，鍋爐熱效率92.5%?；?zé)嵯到y(tǒng)由3 個(gè)高壓加熱器、3 個(gè)低壓加熱器和1 個(gè)除氧器構(gòu)成。以TRL工況為例，對(duì)比分析了安裝低溫省煤器前后凝汽器真空的變化以及汽輪機(jī)熱耗和機(jī)組發(fā)電煤耗的 變化，同時(shí)也證明了等效焓降法與熱平衡法的一 致性。

1 低溫省煤器

1.1 低溫省煤器工作原理

低溫省煤器獨(dú)立于主給水系統(tǒng)之外[2]。通常從某個(gè)低壓加熱器進(jìn)口或出口引部分或全部凝結(jié)水，送往低溫省煤器[3]。汽輪機(jī)溫度較低的凝結(jié)水在低溫省煤器中吸收排煙余熱中的低品味熱量，低品位的排煙余熱替代部分高品位的抽汽能量加熱凝結(jié)水，將抽汽排擠回汽輪機(jī)繼續(xù)膨脹做功[2]，增加汽輪機(jī)發(fā)電功率，降低了汽輪機(jī)熱耗與機(jī)組發(fā)電煤耗；同時(shí)也增加了汽輪機(jī)的排汽流量，導(dǎo)致凝汽器真空下降。但是，由于排擠抽汽的新增功量遠(yuǎn)大于凝汽器真空下降引起的功量損失，所以，加裝低溫省煤器后，機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性是提高的。

1.2 低溫省煤器系統(tǒng)連接方式

該電廠600MW 機(jī)組低溫省煤器的布置方式為：低溫省煤器布置于靜電除塵器之前的水平段，每個(gè)煙道布置1 臺(tái)低溫省煤器，每臺(tái)低溫省煤器分串聯(lián)的高溫和低溫段兩部分。在電廠實(shí)際運(yùn)行時(shí)，從7 號(hào)低加進(jìn)出口引全部凝結(jié)水進(jìn)入低溫省煤器，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)整7 號(hào)低加進(jìn)出口引出水比例，調(diào)節(jié)低溫省煤器進(jìn)口水溫，使低溫省煤器安全高效運(yùn)行；在低負(fù)荷工況時(shí)，啟用熱水再循環(huán)系統(tǒng)提高進(jìn)入低溫省煤器的水溫；在超溫工況時(shí)，開(kāi)啟低加系統(tǒng)的調(diào)節(jié)門(mén)將7 號(hào)低加進(jìn)出口引水混合至 70℃以上進(jìn)入低溫省煤器，以進(jìn)一步降低煙溫至100℃左右，保證電除塵器工作在最佳溫度。通過(guò)電除塵煙氣自適應(yīng)系統(tǒng)控制進(jìn)入低溫省煤器的水量、水溫，使電除塵器工作在最佳煙氣溫度下。

在TRL 工況下，低溫省煤器及6 號(hào)與7 號(hào)低加進(jìn)出口各點(diǎn)的凝結(jié)水溫如圖1 所示。同時(shí)從圖1 中也可以看出電廠低溫省煤器的連接方式。

圖1 TRL 工況低溫省煤器系統(tǒng)各點(diǎn)凝結(jié)水溫

2 加裝低溫省煤器對(duì)凝汽器真空與機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性影響

2.1 排汽壓力計(jì)算

由圖1 可知，加裝低溫省煤器將余熱引入熱力系統(tǒng)后，汽輪機(jī)6 段和7 段抽汽受到排擠，減少的抽汽返回汽輪機(jī)，導(dǎo)致汽輪機(jī)排汽流量增加。直接空冷系統(tǒng)夏季運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)處于最大轉(zhuǎn)速，無(wú)提高轉(zhuǎn)速余量，增加的排汽量會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)排汽壓力提高，排汽焓上升，熱力系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性下降。需要根據(jù)空冷系統(tǒng)的換熱能力進(jìn)行排汽壓力的核算，并修正熱力系統(tǒng)計(jì)算。

排汽壓力與凝汽器真空之間相差一個(gè)管道壓降，求得排汽壓力后就可以得到凝汽器真空值。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[4-5]，可得到空冷凝汽器內(nèi)凝結(jié)溫度公式，見(jiàn)式（1）。

汽輪機(jī)排氣口的排汽溫度（考慮排汽管道的溫降）公式，見(jiàn)式（2）。

在進(jìn)行排汽壓力計(jì)算時(shí)，由于排汽壓力與排汽焓值相互影響：安裝低溫省煤器后，汽輪機(jī)排汽流量增加，根據(jù)新的排汽流量和空冷系統(tǒng)計(jì)算模型可以得到一個(gè)新的排汽壓力，新的排汽壓力對(duì)應(yīng)新的排汽焓值和凝汽器出口水焓值。排汽焓值和凝結(jié)水出口焓值的變化又會(huì)使排汽流量受到影響，如此循環(huán)，需要進(jìn)行迭代計(jì)算，直到得到的新的排氣壓力與上一輪排汽壓力差值在可以接受的范圍內(nèi)停止迭代。迭代過(guò)程如圖2 所示。

圖2 排汽壓力計(jì)算迭代過(guò)程

2.2 機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

常規(guī)熱平衡法與等效焓降法都可以用于熱力系統(tǒng)的計(jì)算，且二者在本質(zhì)上是一致的[3，6-7]。參考文獻(xiàn)[8]采用熱平衡矩陣方程，從理論上證明了熱平衡法與等效焓降法的一致性。本文采用兩種方法對(duì)機(jī)組加裝低溫省煤器前后進(jìn)行了熱力計(jì)算，得到了安裝低溫省煤器的前后的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對(duì)低溫省煤器的節(jié)能效果進(jìn)行了定量的比較分析；同時(shí)也通過(guò)實(shí)例計(jì)算證明了等效焓降法與常規(guī)熱平衡法的一致性。

2.2.1 熱平衡法

熱平衡法的核心是對(duì)機(jī)組z 個(gè)加熱器熱平衡式和一個(gè)功率方程式求解，最終求得z 個(gè)抽汽量和一個(gè)凝汽量，然后根據(jù)有關(guān)公式求得所需的熱經(jīng)濟(jì) 指標(biāo)[6]。

各段抽汽系數(shù)的計(jì)算過(guò)程如式（3）～式（14），其中由于有鍋爐排污，所以給水流量與主蒸汽流量并不相等。

1 號(hào)加熱器抽汽系數(shù)

2 號(hào)加熱器抽汽系數(shù)

再熱蒸汽系數(shù)

3 號(hào)加熱器抽汽系數(shù)

除氧器抽汽系數(shù)

4 段抽汽由除氧器加熱蒸汽和汽動(dòng)給水泵兩部分組成

根據(jù)除氧器進(jìn)出口流量平衡可知除氧器的進(jìn)水系數(shù)

5 號(hào)加熱器抽汽系數(shù)

6 號(hào)加熱器抽汽系數(shù)

7 號(hào)加熱器抽汽系數(shù)

凝汽系數(shù)計(jì)算與物質(zhì)平衡校核

根據(jù)凝汽器物質(zhì)平衡

根據(jù)汽輪機(jī)進(jìn)出物質(zhì)平衡

機(jī)組功率、汽輪機(jī)熱耗和發(fā)電煤耗等熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]第一章有關(guān)公式求得。

2.2.2 等效焓降法

該機(jī)組為再熱機(jī)組，采用變熱量等效焓降法。變熱量等效焓降是按照循環(huán)吸熱的真實(shí)性計(jì)算等效焓降，等效焓降值隨系統(tǒng)改變而改變。

再熱熱段以后排擠的抽汽對(duì)通過(guò)再熱器的蒸汽份沒(méi)有影響，加熱器抽汽等效熱降以及新蒸汽等效焓降為式（15）、式（16）。

加裝低溫省煤器后汽輪機(jī)排汽壓力上升對(duì)機(jī)組做功的影響分為兩方面考慮，一是排汽焓上升，引起機(jī)組有效焓降做功量下降；二是凝結(jié)水溫度上升，排擠7 號(hào)低壓加熱器抽汽，使汽輪機(jī)做功量增加[9-11]。

汽輪機(jī)排汽壓力升高，排汽焓上升，導(dǎo)致新蒸汽做功減少，見(jiàn)式（17）。

7 號(hào)低壓加熱器抽汽壓力不變，出口水溫不變，凝結(jié)水焓值上升 Δτn= hwn′- hwn，將使7 號(hào)加熱器的熱耗量減少αnΔτn，按照等效熱降原理，相當(dāng)于純熱量αnΔτn進(jìn)入7 號(hào)加熱器系統(tǒng)，引起新蒸汽等焓降增加，見(jiàn)式（18）。

綜合兩方面，汽輪機(jī)排汽壓力升高引起的新蒸汽等效焓降增量為式（19）。

加裝低溫省煤器后，汽輪機(jī)熱耗率和發(fā)電煤耗的變化量等根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]第三章中相關(guān)公式 求得。

3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算凝汽器真空時(shí)所需汽輪機(jī)背壓數(shù)據(jù)以及進(jìn)行熱力計(jì)算時(shí)所需的各項(xiàng)參數(shù)均取自《NZK600-24.2/566/566 型汽輪機(jī)熱力特性書(shū)》。

3.1 凝汽器真空計(jì)算結(jié)果及分析

汽輪機(jī)排汽為濕蒸汽，無(wú)法由排汽壓力得到排汽焓值，需要通過(guò)抽汽參數(shù)、排汽參數(shù)擬合汽輪機(jī)低壓缸的熱力過(guò)程線，并通過(guò)新的排汽壓力得到排汽干度和焓值[12-15]。

根據(jù)汽輪機(jī)5、6、7 段抽汽以及低壓缸排汽壓力、溫度和焓值擬合并做出低壓缸的熱力過(guò)程線如圖3 所示。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由低壓缸熱力過(guò)程線和汽輪機(jī)排汽參數(shù)可知，TRL 工況下，汽輪機(jī)排汽壓力很高，達(dá)34.4kPa，這一壓力區(qū)域排汽壓力變化引起汽輪機(jī)蒸汽焓降變化較小，對(duì)熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性影響較小。當(dāng)汽輪機(jī)排汽壓力升高至36kPa 左右時(shí)，排汽焓值僅升高2.1kJ/kg。

3.2 熱力計(jì)算結(jié)果及分析

用熱平衡法與等效焓降法分別對(duì)安裝低溫省煤 器前后的各項(xiàng)熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)果如表2 和表3。

低溫省煤器布置方式是從7 號(hào)低壓加熱器進(jìn)出口引全部凝結(jié)水送入低溫省煤器，所以回?zé)嵯到y(tǒng)中6 段和7 段抽汽量變化明顯，汽輪機(jī)增加的排汽主要是來(lái)自低溫省煤器排擠的7 號(hào)和6 號(hào)低壓加熱器的抽汽。汽輪機(jī)排汽量增加，導(dǎo)致凝汽器真空發(fā)生變化。

圖3 低壓缸熱力過(guò)程線

表1 凝汽器真空計(jì)算結(jié)果

表2 熱平衡法計(jì)算結(jié)果

表3 等效焓降法計(jì)算結(jié)果

由表2 和表3 可以看出，低溫省煤器能夠有效回收排煙余熱，增加機(jī)組出力，由數(shù)據(jù)可知，汽輪機(jī)增發(fā)功率在2000kW 左右。安裝低溫省煤器后汽輪機(jī)熱耗與機(jī)組發(fā)電煤耗均有明顯降低，汽輪機(jī)熱耗降低約 26kJ/(kW·h)，機(jī)組發(fā)電煤耗降低約1g/(kW·h)。

由表2 和表3 可以看出，兩種方法計(jì)算所得安裝低溫省煤器前后各項(xiàng)參數(shù)的結(jié)果相差很小。兩種方法算出來(lái)汽輪機(jī)熱耗降低值相差1.12kJ/(kW·h)，相對(duì)誤差為0.0134%，兩種方法算出來(lái)機(jī)組發(fā)電煤耗降低值相差 0.0418g/(kW·h)，相對(duì)誤差為0.0134%。說(shuō)明在進(jìn)行熱力計(jì)算時(shí)，等效焓降法與熱平衡法是一致的。

4 結(jié) 論

（1）加裝低溫省煤器后，汽輪機(jī)抽汽受到排擠，導(dǎo)致排氣流量增加，凝汽器真空下降，汽輪機(jī)發(fā)電功率降低，汽輪機(jī)熱耗與機(jī)組發(fā)電煤耗增加。

（2）凝汽器真空下降引起的不利影響與排擠抽汽多做的功所取得的收益相比是較小的，所以加裝低溫省煤器能夠有效降低汽輪機(jī)熱耗與機(jī)組發(fā)電煤耗，具有良好的節(jié)能效果。

（3）等效焓降法與熱平衡法算得的各項(xiàng)熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相差很小，說(shuō)明了等效焓降法在熱力計(jì)算中與熱平衡法的一致性。

符 號(hào) 說(shuō) 明

A—— 空冷凝汽器總換熱表面積，m2

AF—— 空冷凝汽器迎風(fēng)面積，m2

Ar—— 取r 號(hào)加熱器的疏水放熱或者給水焓升，視加熱器類型而定，kJ/kg

ca——空氣比熱容，J/(kg·K)

Gs——汽輪機(jī)排汽流量，kg/s

hc——凝結(jié)水焓值，kJ/kg

hc′——加裝低溫省煤器后排氣焓值，kJ/kg

hj——j 號(hào)加熱器抽汽焓值，kJ/kg，j=1,2,3,4,5,6,7

hj′——j 號(hào)加熱器疏水焓值，kJ/kg，j=1,2,3,5,6,7

hk——中壓缸門(mén)桿漏汽焓值，kJ/kg

hwj——j 號(hào)加熱器出口水焓值，kJ/kg

hs——汽輪機(jī)排汽焓值，kJ/kg

hw4′——給水泵出口水焓值，kJ/kg

hwn——加裝低溫省煤器前凝結(jié)水泵出口水焓值，kJ/kg

hwn′——加裝低溫省煤器后凝結(jié)水泵出口水焓值，kJ/kg

Hj0——j 號(hào)加熱器抽汽等效熱降，kJ/kg，j=1,2,3,4,5,6,7

ΔH——新蒸汽焓降凈增量，kJ/kg

ΔH1——新蒸汽做功減少量，kJ/kg

ΔH2——新蒸汽焓降增量，kJ/kg

k ——空冷凝汽器總換熱系數(shù)，W/(m2·K)

qrh——再熱器中吸熱量，kJ/kg

ta1——空氣進(jìn)口溫度，℃

ts——凝汽器內(nèi)凝結(jié)溫度，℃

tst——排汽溫度，℃

Δt——排汽管道溫降，℃

νF——空冷凝汽器迎面風(fēng)速，m/s

α4′——除氧器進(jìn)汽系數(shù)

αB——高壓缸門(mén)桿漏汽系數(shù)

αc——凝汽系數(shù)

αc4—— 除氧器進(jìn)水系數(shù)

αfw—— 給水流量系數(shù)

αj—— j 號(hào)加熱器抽汽系數(shù)，j=1,2,3,4,5,6,7

αk—— 中壓缸門(mén)桿漏汽系數(shù)

αn—— 汽輪機(jī)排汽量，kg

αt—— 汽動(dòng)給水泵用汽系數(shù)

ΣП—— 各輔助成分做功損失總和，kJ/kg

η7′—— 加裝低溫省煤器后7 號(hào)加熱器抽汽效率

ηr—— r 號(hào)加熱器抽汽效率

ρa(bǔ)—— 空冷凝汽器入口空氣密度，kg/m3

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