1 000 MW超超臨界機組增設0號高壓加熱器經濟性分析

包偉偉

(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司,哈爾濱150046)

1 000 MW超超臨界機組增設0號高壓加熱器經濟性分析

包偉偉

(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司,哈爾濱150046)

針對1 000 MW超超臨界機組在部分負荷運行時經濟性下降的問題,介紹了一種可以提高部分負荷運行經濟性的0號高壓加熱器技術,并從其工作原理出發(fā),對其在高效1 000 MW超超臨界機組上應用的經濟性進行詳細的計算及分析。結果表明：通過采用該項技術后在部分負荷下可使機組熱耗降低約30 kJ/(k W·h),經濟效果明顯。

汽輪機；超超臨界機組；熱力循環(huán)；高壓加熱器；熱經濟性

1 000 MW超超臨界機組在部分負荷工作時,機組的整體熱力循環(huán)以及主機設備等均偏離設計條件運行［1］。熱力循環(huán)偏離設計的主要表現(xiàn)為循環(huán)的初參數(shù)降低、各級回熱抽汽壓力降低、再熱壓力降低、最終給水溫度降低等多個方面。最終給水溫度是表征回熱循環(huán)熱經濟性的重要參數(shù)之一,其降低將直接導致熱力循環(huán)的平均吸熱溫度降低,因此循環(huán)的熱效率也將隨之降低,這直接影響機組的運行經濟性［2］。

1 000 MW超超臨界汽輪機設計帶基本負荷運行,多數(shù)采用節(jié)流調節(jié)、滑壓運行方式。這種設計思想可使汽輪機在部分負荷運行時其相對內效率不低于設計工況［3］。因此,機組部分負荷運行經濟性的降低主要來自最終給水溫度以及循環(huán)初參數(shù)降低導致的循環(huán)熱效率的降低。如果采取一定的技術措施,在機組處于部分負荷運行時能夠提高最終給水溫度,必將能有效緩解循環(huán)熱效率的降低程度,對于改善機組的運行經濟性無疑將具有顯著的效果。

采用0號高壓加熱器(簡稱高加)技術,能有效緩解機組最終給水溫度的降低幅度,提高其在部分負荷的運行經濟性。筆者以某新型高效1 000 MW超超臨界汽輪機為例,詳細論述其采用0號高加技術對于機組運行經濟性的影響。

1 機組概況

新型高效1 000 MW超超臨界汽輪機為一次中間再熱、單軸、四缸四排汽,反動式、雙背壓、凝汽式汽輪機,其主要參數(shù)為主汽壓力28 MPa,主汽溫度600℃,再熱溫度620℃,排汽壓力4.8 k Pa,額定給水溫度300℃。

汽輪機共設置9級回熱抽汽,布置采用3個高加,1個除氧器以及5個低壓加熱器(簡稱低加),其中3號高加設置外置式蒸汽冷卻器,用來提高最終給水溫度,減少冷端損失。加熱器疏水采用逐級自流布置：高加疏水逐級自流進入除氧器,低加疏水逐級自流進入凝汽器。給水泵驅動采用汽泵方案,設置100%BMCR容量的高效給水泵汽輪機,給水泵汽輪機排汽單設凝汽器,以減少主凝汽器熱負荷,提高其真空度。

汽輪機為高中壓分缸結構,其中高壓缸排布有15個壓力級,中、低壓缸均采用雙分流結構,中壓缸排布有2×12個壓力級,低壓缸共排布有2× 2×5個壓力級。末級葉片平均直徑為2 948 mm,高度為1 220 mm,單側排汽面積達到11.30 m2。100%THA工況下設計高壓缸效率為90%,中壓缸效率為93%,低壓缸效率為90%,整機內效率達到91.3%。

圖1是新型高效1 000 MW超超臨界機組熱力系統(tǒng)簡圖。

圖1 高效1 000 MW超超臨界機組熱力系統(tǒng)簡圖

汽輪機的配汽設計取消了調節(jié)級,采用全周進汽、節(jié)流配汽方式以及滑壓運行方式。采用調節(jié)閥預節(jié)流方式進行一次調頻,設計預節(jié)流一次調頻負荷為3%～5%THA,滿足電網的調頻需要；同時由于采用滑壓運行方式,可使汽輪機相對內效率在很大的負荷區(qū)間內不下降,提高機組的運行經濟性。

2 增設加熱器目的

1 000 MW超超臨界機組在部分負荷運行時,由于主蒸汽流量減小,第1級抽汽壓力隨之降低,這直接導致最終給水溫度降低；同時,由于采用滑壓運行方式,主汽壓力也將同步降低。由蒸汽動力循環(huán)原理可知,以上兩方面均將導致熱力循環(huán)的平均吸熱溫度降低,由于平均放熱溫度不變,因此,熱力循環(huán)將逐漸偏離經濟工況,循環(huán)熱效率將不可避免地下降。

表1為該機組熱力循環(huán)參數(shù)隨負荷的變化情況。

表1 熱力循環(huán)參數(shù)與負荷關系

火力發(fā)電機組絕對電效率的轉化關系為：

式中：ηcs為循環(huán)熱效率；ηt為汽輪機內效率；ηm為機械傳動效率；ηg為發(fā)電機效率；QHR為機組熱耗。

將ηt、ηm、ηg等視作常數(shù),對式(1)進行小偏差線性化展開,可知：

在ηcs為0.554、ηt為0.913、ηm為0.998、ηg為0.99的條件下,由式(2)計算可知,循環(huán)熱效率ηcs每降低1%,機組熱耗QHR將升高約130 kJ/(k W·h)。

由表1可知：從100%負荷到80%負荷,循環(huán)熱效率下降了約0.9%,這將使得機組熱耗升高約117 kJ/(k W·h)。由于機組采用滑壓運行方式,汽輪機高中壓缸效率可維持不變,同時低壓缸效率最高點約在70%負荷點上,因此,在80%負荷時,汽輪機內效率不但沒有下降,反而升高了0.6%,綜合作用之后,機組熱耗僅升高約77 kJ/(k W·h)。汽輪機內效率的提高,有效地彌補了循環(huán)熱效率下降對于運行經濟性的影響。

雖然高效1 000 MW超超臨界汽輪機通過采取滑壓運行方式,可保持相對內效率在很寬的運行區(qū)間內近似不變；但是循環(huán)熱效率的下降,仍將不可避免地使得機組的發(fā)電效率降低,運行經濟性變差。給水溫度的降低是由部分負荷下汽輪機變工況時第1級抽汽壓力的降低導致的,因此,通過增設0號高加以及更高參數(shù)的0級回熱抽汽,可達到在部分負荷時相對提高給水溫度的目的,減緩循環(huán)熱效率的降低幅度,對機組的經濟性產生有益的影響。

3 工作原理

該汽輪機原第1級回熱抽汽口位于高壓缸第12級后,100%負荷時抽汽壓力為8.164 MPa,給水溫度為300℃；在80%負荷時該抽汽壓力降低到6.489 MPa,給水溫度相應降低到284.4℃。為了提高回熱抽汽參數(shù),必須將0級抽汽口設置在更靠前的位置。

該汽輪機高壓缸第9級后的蒸汽壓力在75%負荷時為8.398 MPa,這一壓力與100%負荷時的第1級回熱抽汽壓力相近,可將給水加熱到額定給水溫度300℃。因此,可在高壓缸第9級后設置0級回熱抽汽口,增設0號高加。

0號高加一般選用臥式表面凝結型給水加熱器,其主要技術條件參考1號高加,可選為上端差-1 K,下端差5.6 K。0級回熱抽汽管路壓損可選為2.5%；同時,為保證0號高加不超壓,給水溫度不超溫,還需在0級回熱抽汽管路上設置調節(jié)閥,對其壓力進行有效調節(jié)。

增設0號高加之后,機組在部分負荷運行時,不但提高了給水溫度,而且增加了一級回熱抽汽,使得回熱抽汽總級數(shù)達到10級,這兩個方面對于循環(huán)熱效率將同時產生獨立的、正的增益,因此可使機組在部分負荷時的運行經濟性大為改善。

該機組增設0號高加之后熱力循環(huán)參數(shù)隨負荷的變化見表2。

表2 熱力循環(huán)參數(shù)與負荷關系

由表2可見：在增設0號高加之后80%負荷時,可提高給水溫度約19 K、循環(huán)平均吸熱溫度約6 K、循環(huán)熱效率約0.2%,降低機組熱耗約26 kJ/(k W·h)；60%負荷時,可提高給水溫度約30 K、循環(huán)平均吸熱溫度約9 K、循環(huán)熱效率約0.3%,降低機組熱耗約31 kJ/(k W·h),效果顯著。

4 參數(shù)選擇

增設0號高加時,按其工作原理,選擇不同的0級回熱抽汽壓力,可使其在不同負荷下達到額定給水溫度。例如：在高壓缸第9級后設置回熱抽汽口,可在75%負荷時達到額定給水溫度；如果在7級后設置回熱抽汽口,則在65%負荷時能達到額定給水溫度。把0級抽汽不節(jié)流時給水溫度達到額定值時的工況負荷率稱為增設0號高加的基準工況,這是增設0號高加必須要首先選定的設計條件。

0號高加基準工況的選擇或者0級抽汽壓力的選擇對機組部分負荷運行時經濟性的收益有明顯影響。如果0級抽汽壓力選擇過高,一是機組保持額定給水溫度運行的區(qū)間變大,這對經濟性有正的增益；二是在基準工況以下,可以達到更高的給水溫度,這對經濟性也有正的增益；三是由于0級回熱抽汽參數(shù)過高,各級高加的溫升分布將會很不合理,這將對經濟性產生負的增益。如果選擇過低,則不但保持額定給水溫度運行的區(qū)間小,而且也達不到較高的回熱溫度,同時各級高加的溫升也不合理。因此,必然存在一個最佳的0級抽汽壓力,使得增設0號高加之后在較大的負荷區(qū)間內均具有最好的經濟性收益。

對該汽輪機分別在高壓缸第5、7、9級后設置0級抽汽,作為增設0號高加的三個方案進行比較。由熱力計算可知,這三個方案可分別在55%、65%、75%負荷時達到額定給水溫度。圖2給出了這3個基準的0號高加方案在不同負荷條件下與不設置0號高加方案的經濟性比較。

圖2 不同0號高加方案經濟性比較

由圖2可知：5級后方案與7級后方案相比經濟性差,不但在額定給水溫度運行時收益小于7級后,而且在基準工況以下保持較高給水溫度運行時,收益仍小于7級后。7級后與9級后則各有優(yōu)勢,7級后在70%以下負荷熱耗比9級后低約10 kJ/(k W·h),在70%以上負荷則高約10 kJ/(k W·h)。從回熱系統(tǒng)優(yōu)化的角度看, 9級后方案各級高壓加熱器溫升均勻,回熱抽汽量合理,具有較高的經濟性。

另外,該壓力的選擇也受制于汽輪機高壓內缸結構。由于該汽輪機高壓內缸為紅套環(huán)結構,受套環(huán)位置的限制,無法在7級后設置0級回熱抽汽。綜合考慮之后,該汽輪機選擇9級后作為增設0級回熱抽汽的最終方案。

5 經濟性分析

增設0號高加之后,機組在75%負荷即可達到額定給水溫度300℃,在75%負荷到100%負荷區(qū)間內,需通過0級抽汽壓力調節(jié)閥,將進入0號高加的蒸汽壓力限制在8.2 MPa以內,這樣就可使機組保持額定給水溫度300℃運行。否則,給水溫度將超過額定值,這將使鍋爐排煙溫度升高,排煙損失增加,導致鍋爐效率降低。

圖3是投0號高加與不投0高加的經濟性比較。

圖3 0號高加經濟性曲線

由圖3可知：增設0號高加后,在40%～75%負荷內,機組熱耗整體下降約30 kJ/(k W·h)；在75%～100%負荷內,也就是保持額定給水溫度運行區(qū)間內,投0號高加運行的收益逐漸減小,熱耗負荷曲線與原曲線逐漸接近,在100%負荷時完全重合。

因此,增設0號高加的收益主要集中在部分負荷區(qū)間,其綜合收益可按表3所示的加權方法計算。

表3 增設0號高加收益計算

由表3可知：采用0號高加可使機組的加權熱耗降低約18.1 kJ/(k W·h),按鍋爐效率95%,管道效率99%計算,可使電廠的發(fā)電標煤耗降低約0.7 g/(k W·h),按年利用小時數(shù)6 000 h、標煤800元/t計算,每年可節(jié)約標煤3 940 t,產生經濟效益315萬元,效果非常顯著。

增設0號高加以后,在整個負荷區(qū)間內,投0號高加運行的經濟性始終是好的；同時,由于機組保持不超過額定給水溫度運行,因此不會對鍋爐效率產生負面影響。另外,0號高加的不間斷投入,可避免因反復投切而產生的交變熱應力對其使用壽命的影響,這對于0號高加的長期安全運行也具有重要意義。

6 結語

筆者對于1 000 MW超超臨界機組增設0號高加的目的、工作原理、參數(shù)選擇以及運行經濟性等進行了全面的計算及分析。經過論述,得到采用合理參數(shù)的0號高加技術,可使機組在部分負荷運行時熱耗整體降低約30 kJ/(k W·h)的結論,這對于改善機組的運行經濟性無疑將具有顯著的效果。

［1］崔映紅,王惠杰,馬曉芳.汽輪機變負荷運行時經濟運行方式的探討［J］.能源研究與利用,2002(4)：4-8.

［2］苑麗偉.大型火電機組熱系統(tǒng)變工況經濟性診斷研究［D］.山東：山東大學,2007.

［3］劉振剛,王永剛,王俊有,等.汽輪機組滑壓運行方式的優(yōu)化［J］.發(fā)電設備,2007,21(6)：426-429.

Economy Analysis of a 1 000 MW Ultra Supercritical Unit with Installation of No.0 High-pressure Heater

Bao Weiwei
(Harbin Turbine Co.,Ltd.,Harbin 150046,China)

As to the problem that the efficiency of thermal cycle becomes low when thermal power unit works at partial loads,a technology named No.0 high-pressure heater which can improve the economy of the unit with partial loads is introduced.Based on the working principle of No.0 high-pressure heater, detail calculation and analysis were conducted to the economy of a 1 000 MW high-performance ultra supercritical power unit with installation of No.0 high-pressure heater.Results show that after application of this technology,the unit heat consumption has been reduced by 30 kJ/(k W·h),with obvious economic benefits.

steam turbine；ultra supercritical unit；thermal cycle；high-pressure heater；thermal economy

TK223.3

A

1671-086X(2015)03-0172-04

2014-11-17

包偉偉(1986-),男,工程師,主要從事汽輪機熱力、氣動以及強度方面的設計工作。

E-mail：alndr@163.com