600 MW機(jī)組噴水減溫系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性研究

金俊先，韓孟健，肖增弘

(1.沈陽工程學(xué)院 a.研究生院；b.能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136; 2.遼寧省送變電工程有限公司，遼寧 沈陽 110021)

為了保證機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性，必須提高機(jī)組汽溫的穩(wěn)定性。如果溫度過高，那么機(jī)組各個(gè)設(shè)備的許用應(yīng)力就會(huì)下降；而溫度過低，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組的循環(huán)熱效率降低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在超溫10 ℃～20 ℃的情況下，過熱器長時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致其壽命大大縮短；而如果汽溫低于正常溫度，那么平均降低100 ℃，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的整體熱效率循環(huán)水平降低0.51%。所以，鍋爐必須具有調(diào)溫手段，才能保證機(jī)組的運(yùn)行溫度保持在正常的范圍之內(nèi)，并對相關(guān)影響因素進(jìn)行修正。當(dāng)前，調(diào)節(jié)再熱器和過熱器溫度的最主要方式就是采用噴水減溫，通過系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，促進(jìn)機(jī)組熱循環(huán)整體運(yùn)行效率的改變，最終導(dǎo)致機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性發(fā)生變化。

通常情況下，在對汽溫進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，噴水降溫的方式是不被推薦的。而如果必須使用噴水減溫系統(tǒng)，就必須保證降溫水的來源為再熱器水泵的中間抽頭，且整個(gè)降溫系統(tǒng)只能作為降溫的輔助性手段。過熱器的噴水減溫系統(tǒng)主要有兩種連接方式：一種是從最高加熱器的出口進(jìn)行分流；另一種是從給水泵的出口進(jìn)行分流。前者的分流方式會(huì)使得高壓加熱器區(qū)域不會(huì)流進(jìn)減溫水流，從而使得機(jī)組利用回?zé)徇M(jìn)行加熱的效率大大降低，影響熱經(jīng)濟(jì)性；而后者的分流方式雖然不會(huì)對機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響，但是卻容易導(dǎo)致鍋爐內(nèi)的一些微小變化被忽視。如果采用噴水的方式來進(jìn)行降溫，這就間接地使得再熱蒸汽的流量被增大，機(jī)組內(nèi)高壓部分做功的比例大幅度下降，而低壓部分以及汽輪機(jī)做功比例卻是大幅度上升，從而使得機(jī)組的熱循環(huán)效率下降。對此，要想真正為電廠的熱力系統(tǒng)提供可靠的改造技術(shù)，那么對機(jī)組的噴水降溫系統(tǒng)開展全面、科學(xué)地經(jīng)濟(jì)性能分析必不可少。

1 不同噴水減溫系統(tǒng)對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響

1.1 等效熱降模型

等效熱降法是研究熱功轉(zhuǎn)換以及能量利用程度的一種方法，應(yīng)用局部運(yùn)算代替整個(gè)熱力系統(tǒng)的繁雜計(jì)算，條件是待分析工況與已知基準(zhǔn)工況相接近。因此，在整個(gè)熱力系統(tǒng)變化的定量分析中，等效熱降法具有計(jì)算簡捷且準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，對于電廠的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性有著指導(dǎo)性意義。

圖1 噴水減溫?zé)崃ο到y(tǒng)

1.2 基于等效熱降法建立噴水減溫模型

現(xiàn)代鍋爐機(jī)組大多具備4種噴水減溫方式：

1)按噴水的出口不同分為水泵出口噴水模式和高加出口噴水模式；

2)以噴水系統(tǒng)作用對象不同分為再熱器噴水減溫系統(tǒng)和過熱器噴水減溫系統(tǒng)。

圖1為機(jī)組內(nèi)噴水減溫系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行流程。在圖1中，a方式為高加出口的過熱器減溫噴水；b方式為給水泵出口的過熱器減溫噴水；c方式為高加出口的再熱器減溫噴水；d方式示為給水泵中間抽頭至再熱器減溫噴水。

通過對等效熱降法的運(yùn)用，基于上述4種不同噴水減溫方式建立以下數(shù)學(xué)模型：

1)源自于高加出口的過熱器減溫噴水：

ΔH=0

(1)

Δq=0

(2)

2)源自于給水泵出口的過熱器減溫噴水：

(3)

(4)

3)源自于高加出口的再熱器減溫噴水：

ΔH=αde(h0-hrc)

(5)

Δq=αde(h0-hrc)

(6)

4)源自于給水泵中間抽頭至再熱器減溫噴水：

(7)

(8)

式中，Δq為平均產(chǎn)生1 kg的新蒸汽，機(jī)組整體的吸熱變化數(shù)值；ΔH為平均每排擠1 kg的新蒸汽，機(jī)組整體的做功變化數(shù)值；αde為噴水的不同份額；qr和τr分別為當(dāng)給第號(hào)加熱器進(jìn)行噴水降溫時(shí)，機(jī)組整體抽汽所釋放的熱量和噴水的比焓升；αrh-r為機(jī)組整體抽汽進(jìn)行再熱的系數(shù)值；c為再熱器冷段的的級(jí)數(shù)；m為給水泵上一級(jí)加熱器的級(jí)數(shù)；h0為機(jī)組內(nèi)部產(chǎn)生的蒸汽的比焓；hrc為加熱器處于再熱階段時(shí)，其抽汽的比焓。

1.3 噴水減溫模型定性分析

當(dāng)減溫水來源如圖1中的a虛線時(shí)，即為過熱器的高加1#出口產(chǎn)生，在此情況下，機(jī)組內(nèi)鍋爐幾乎不會(huì)受到影響，因而機(jī)組整體熱循環(huán)的運(yùn)行效能以及經(jīng)濟(jì)性都不會(huì)改變，使得系數(shù)Δq=0且ΔH=0；而減溫水如果是從水泵的出口處進(jìn)行分流的，那么就不會(huì)有水流流經(jīng)高壓加熱器，使得機(jī)組整體熱循環(huán)的運(yùn)行效能以及經(jīng)濟(jì)性都會(huì)發(fā)生較大的改變，將Δq和ΔH公式進(jìn)行代入，最終得到過熱器噴水減溫系統(tǒng)造成機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性變化公式：

(9)

再熱器噴水減溫系統(tǒng)造成機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性變化公式：

(10)

式中，H為新蒸汽凈等效焓降；ηi為汽輪機(jī)裝置效率。

2 實(shí)例分析

2.1 機(jī)組熱力系統(tǒng)概況

圖2為某國產(chǎn)引進(jìn)型600 MW機(jī)組的原則性熱力系統(tǒng)圖。當(dāng)負(fù)荷處于100%、75%、50% 的情況下，該機(jī)組相關(guān)的熱力計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 引進(jìn)型600 MW機(jī)組原則性熱力系統(tǒng)

2.2 實(shí)例計(jì)算

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，利用等效熱降法對機(jī)組熱耗、新蒸汽等效焓降、機(jī)組循環(huán)熱效率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表示通過對機(jī)組采用等效熱降法并控制減溫水來源的不同，從而對機(jī)組在不同的負(fù)荷下產(chǎn)生的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，如表2和表3所示。如果將高加出口的減溫水轉(zhuǎn)移到給水泵的出口，必將會(huì)使得機(jī)組整體運(yùn)行效率降低。主要原因是噴水源自高加出口，系統(tǒng)吸熱量是下降的；但是當(dāng)從水泵出口產(chǎn)生減溫水時(shí)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組受到高加斥汽產(chǎn)生的影響，而使得機(jī)組吸熱量大幅度上升。

當(dāng)機(jī)組處于100%負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，通過采用不同的噴水份額以及噴水方式對機(jī)組內(nèi)部運(yùn)行效率產(chǎn)生的影響，如表4所示。

表1 部分負(fù)荷下機(jī)組熱力計(jì)算數(shù)據(jù)

表2 不同負(fù)荷下過熱器減溫噴水對機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響

由表4可見，減溫水來自于高壓加熱器出口對回?zé)峒訜嵫h(huán)系統(tǒng)沒有影響。因此，對機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響較小。

通過分析表2、表3和表4的數(shù)據(jù)可見，對于再熱器來說，噴水減溫對機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性的影響相對較大。根據(jù)表2和表3中數(shù)值的比較可知，如果降溫的水流產(chǎn)生于再熱器系統(tǒng)的最高加出口，那么其對經(jīng)濟(jì)效能的影響會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于從水泵中間抽頭產(chǎn)生的降溫水流。由表4可見，即使的數(shù)值僅有1%，仍然會(huì)導(dǎo)致機(jī)組熱循環(huán)效率的大幅度降低。因而當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量不用或者減少使用再熱器處的噴水降溫。

表3 不同負(fù)荷下再熱器噴水減溫對機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響

表4 100%負(fù)荷工況下、不同噴水份額、不同噴水方式對機(jī)組相對內(nèi)效率的影響

3 結(jié) 論

1)如果控制噴水方式、負(fù)荷在同一水平下，機(jī)組運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性會(huì)逐漸隨著減溫水水量的增加而降低。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，機(jī)組應(yīng)對減溫水量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2)不論是過熱器減溫噴水還是再熱器減溫噴水，只要水流在給水泵出口進(jìn)行分流，就會(huì)比在最高級(jí)加熱器出口進(jìn)行分流產(chǎn)生更高的熱經(jīng)濟(jì)性。因此，基于節(jié)能考慮的視角，在對噴水減溫系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)或者改進(jìn)時(shí)，該系統(tǒng)應(yīng)該從最高級(jí)加熱器出口中進(jìn)行分流。

3)噴水系統(tǒng)相比傳統(tǒng)降溫系統(tǒng)擁有更為簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，且對機(jī)組調(diào)溫較為靈敏，因此比較適宜在過熱器上廣泛地使用。同時(shí)，從噴水減溫系統(tǒng)方面來比較，再熱器噴水減溫導(dǎo)致機(jī)組整體的熱經(jīng)濟(jì)性的下降幅度明顯比過熱器噴水減溫要大，且根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，如果再熱器跟過熱器的噴水份額相同，那么前者導(dǎo)致的機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性降低程度會(huì)明顯大于后者。如果必須對噴水減溫系統(tǒng)進(jìn)行使用，就必須保證減溫水的來源為再熱器給水泵的中間抽頭，且整個(gè)減溫系統(tǒng)只能作為減溫的輔助性手段。

[1] 周振起，李保峰，張炳文.噴水減溫對機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響[J].鍋爐技術(shù)，2006，37(3)：15-18.

[2] 李勤道.用等效熱降法分析噴水減溫對電廠經(jīng)濟(jì)性的影響[J].發(fā)電設(shè)備,1997(1)：15.

[3] 林萬超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1994.

[4] 丁 力.噴水減溫系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性分析[J].四川電力技術(shù)，1997(6)：51.

[5] 王興合，祝曉燕.600 MW鍋爐分隔屏管壁超溫原因分析[J].電力科學(xué)與工程，2004(2)：59-62.

[6] 張瑞青，楊倩玉，張孜琪，等.600 MW超臨界機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)疏水方式改進(jìn)[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，12(2)：113-117.