660 MW超臨界機組低溫省煤器的經濟性研究

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(山西大學，山西 太原 030000)

0 引言

我國燃煤電站鍋爐的排煙溫度一般在120～140 ℃，極個別甚至達到了160 ℃。較高的排煙溫度不僅影響后續(xù)的脫硫系統(tǒng)，同時也會降低機組的經濟性[1]。目前電廠多采用增設低溫省煤器這一方法來解決上述問題[2-3]。當前對于低溫省煤器的研究多集中在計算層面，僅考慮了低溫省煤器的導熱過程[4-5]。這種方法忽略了低溫省煤器的整體效應，沒有考慮低溫省煤器對機組的影響[6]，其結論必定是不夠精確的。為了將低溫省煤器對系統(tǒng)的影響考慮在計算內，本文以機組的全工況仿真系統(tǒng)為基礎，在該基礎上進行仿真研究，然后通過計算能得出更加可靠的結論。

1 系統(tǒng)概況

鍋爐型號為DG2025/25.4-Ⅱ6型，最大連續(xù)蒸發(fā)量為2 025 t/h，額定蒸發(fā)量為1 913 t/h，額定蒸汽溫度為571 ℃，計算效率為94.01%。汽輪機為CLNZK660-24.2/566/566超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機。回熱系統(tǒng)由3個高壓加熱器(高加)，3個低壓加熱器(低加)和1個除氧器構成。設計燃料來自萬利煤炭分公司和金烽煤炭分公司，低位發(fā)熱量18.41 MJ/kg。鍋爐的設計排煙溫度為123 ℃(修正后)，但由于煤種變化和其他客觀原因，實際的排煙溫度維持在130 ℃左右。為了進一步利用排煙余熱和降低機組標準煤耗，在機組檢修期間電廠對尾部煙道進行了增設低溫省煤器的改造。

2 低溫省煤器及其仿真系統(tǒng)

2.1 低溫省煤器仿真系統(tǒng)

本次研究所用的仿真系統(tǒng)是基于OTS通用仿真環(huán)境下開發(fā)而得，畫面?zhèn)炔捎肐nTouch工業(yè)自動化組態(tài)軟件進行組態(tài)，使得整個工業(yè)過程中的信息能夠快速相互傳遞。在InTouch軟件中，整個系統(tǒng)可分為就地側和DCS側，分別代表設備側和控制操作側。系統(tǒng)又可分為鍋爐子系統(tǒng)、汽機子系統(tǒng)、電氣子系統(tǒng)和公用子系統(tǒng)，而低溫省煤器系統(tǒng)屬于鍋爐子系統(tǒng)和汽機子系統(tǒng)的一部分。仿真系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 低溫省煤器仿真系統(tǒng)

2.2 低溫省煤器的布置方式

低溫省煤器布置在除塵器之前的煙道內，機組雙煙道內并排布置4臺低溫省煤器，采用H型翅片管，換熱管的材料為ND鋼，采用雙管圈、順列、逆流布置。在迎煙側管組采用加裝假管，起防磨保護作用。由圖1可知鍋爐低溫省煤器的取水點為7號低壓加熱器入口，通過升壓泵升壓，進入鍋爐低溫省煤器吸熱后，回至6號低加入口，與7號低壓系統(tǒng)并聯(lián)連接。進水閥控制進水流量，自循環(huán)閥控制進水溫度。兩者綜合調節(jié)使低溫省煤器在有限腐蝕范圍內安全運行。

3 節(jié)能計算方法

低溫省煤器的節(jié)能原理為減少低加系統(tǒng)的抽汽，使其返回汽輪機再做功。由于低溫省煤器的引入熱源相當于外來熱源，故其對整個鍋爐受熱面的影響可以忽略不計。有關能耗節(jié)省的計算方法為適用于局部熱力計算的等效焓降法[7-8]，節(jié)能效益用標煤節(jié)省量衡量。

等效焓降法基本公式為

ΔH=qwηj

(1)

式中 ΔH——1 kg蒸汽增加的等效焓降;

qw——外界的輸入熱量;

ηj——該設備的抽汽效率,設備的固定參數(shù)，其公式的求解就是對于qw的求解。

目前求解qw最公認的準確方法是根據(jù)數(shù)值模擬法來求，但這種求法比較復雜[9]。還有一些是根據(jù)建立低溫省煤器受熱以及煙氣放熱的熱力方程來求解[10]，但這種方法很容易計算出數(shù)學上的奇值。筆者曾對某低溫省煤器建立熱力學方程，然后采用MATLAB軟件求解，結果出現(xiàn)如圖2的不合理解集。

圖2 解熱力學方程所得不合理解集

圖2中x軸為分水系數(shù)，y軸為1 kg蒸汽增加的等效焓降(kJ/kg)。顯然對于一個確定的分水系數(shù)其等效焓降是唯一的，但圖中確對應多個值，且在x=0.33左右圖形出現(xiàn)了奇點。由此可見完全采用熱力學方程求解還存在一定的不足。有的研究人員采用試算迭代的方法來求解[11]，這種方式可能會得出無物理意義的數(shù)學解，并且該方法有陷入計算死區(qū)的風險。

為此，本文采用660 MW機組全工況仿真系統(tǒng)來求解所需參數(shù)。該系統(tǒng)能反映內部參數(shù)的耦合關系，不拘泥于單設備的熱力分析。通過多個模型的相互連接，使單個設備的參數(shù)變化能夠準確的反映在整個系統(tǒng)的其他設備上。因此通過仿真系統(tǒng)求出的解不僅反映了該設備的熱力參數(shù)變化，還代表了其他設備相互影響的結果。這種結果更加全面、精確。

4 低溫省煤器的仿真研究

4.1 投入低溫省煤器對系統(tǒng)能耗的影響

低溫省煤器的投入對系統(tǒng)會產生一定的影響，這種影響主要集中在水側和煙氣側。水側的流程增加，其阻力也必定增加[12]。當機組滿負荷運行時，原有的凝結水泵沒有多余的升壓余量，因此低溫省煤器系統(tǒng)自帶兩個升壓泵，新增的水泵增加了輔機的能耗。就煙氣側來說，低溫省煤器布置在引風機之前的煙道中，增加了煙氣的流動阻力[13]，導致引風機的能耗升高。除此之外，低溫省煤器的投入使得7號低加的抽汽減少，汽輪機排汽量增加，導致凝汽器真空發(fā)生變化，通過計算可以發(fā)現(xiàn)這種變化對汽機效率的影響很小[14]。為了更加真實的反應低溫省煤器的經濟性，本文對因凝汽器真空變化而引起的能耗增加也做了考慮。

4.2 相關設備運行參數(shù)

為避免單獨計算低溫省煤器而產生的片面性，本次研究在仿真系統(tǒng)下進行。啟動機組仿真系統(tǒng)后，分別將系統(tǒng)穩(wěn)定運行在660 MW、500 MW和330 MW這三種典型工況下。通過系統(tǒng)運行界面記錄不同工況下引風機、機組背壓和排汽焓值。并在各個工況下投入低溫省煤器，然后再次記下引風機、機組背壓、排汽焓值以及低溫省煤器增壓水泵的參數(shù)。投入低溫省煤器前后系統(tǒng)相關參數(shù)如表1所示，低溫省煤器的運行參數(shù)如表2所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)變化表

表2 低溫省煤器運行參數(shù)

表2中水側和煙側的溫度均為多個測點的平均溫度，進水流量為電廠規(guī)程允許的最大進水流量。

5 計算結果及分析

由表1可以發(fā)現(xiàn)負荷的高低決定了輔機負荷的增加量。當系統(tǒng)負荷達到330 MW時增壓泵的電流為132 A。但當系統(tǒng)滿負荷660 MW時，電流達到了200 A。機組負荷的增加導致凝結水量和進入低溫省煤器的水量增加，相應的輔機能耗也會隨之增加。引風機的電流增加量從330 MW的13 A增加到660 MW的19 A,這是因為工況越高，煙氣的流量和流速越高，由此產生的流動阻力也就越大。由于排擠抽汽的量相對與主排汽量而言很小，故負荷的高低對排汽焓值增加量的影響很小，其固定在1.5 kJ·kg-1左右。根據(jù)表1可以計算得到輔機的能耗增加量，如表3所示。

表3 不同工況下的輔機能耗增加量

表2反映了不同工況下低溫省煤器的運行情況，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可以計算出排擠抽汽對機組主蒸汽等效焓降的影響。為客觀表現(xiàn)增設低溫省煤器后機組蒸汽等效焓降的增加量，本文將輔機能耗的增加量也改寫為等效焓增量即輔機消耗的等效焓降，改寫方法如公式(2)所示。

能耗改寫等效焓增公式

(2)

式中 ΔP——能耗的變化量/kJ·h-1;

D——對應工況下的主蒸汽流量/kg·h-1。

綜合表1表2數(shù)據(jù)，計算出機組等效焓降量，如表4所示。其中輔機部分為增壓泵和引風機增加能耗的等效焓增之和。從表4中可以看出加裝低溫省煤器后機組的標準發(fā)電煤耗會得到一定地步的降低，最高降低量為滿負荷時的1.55 g/kW·h。但隨著機組工況的降低，標煤節(jié)省量會降低。50%工況330 MW時的標煤節(jié)省量只有1.17 g/kW·h。具體分析表4中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)當工況降低時，低溫省煤器的等效焓降也是降低的，但輔機消耗的等效焓降卻是上升的。這是由于低溫省煤器管道存在時，不論工況如何，煙道和水側管道都會存在一定的基本阻力。當機組低工況運行時主蒸汽流量也相對較低，而輔機克服低溫省煤器煙氣側和水側的基本阻力能耗不變，因此輔機消耗的等效焓降相對有所提高。整個熱力系統(tǒng)的實際等效焓降為低溫省煤器的等效焓降減去排汽焓升以及輔機消耗的等效焓降。倘若單純計算低溫省煤器的節(jié)能效益，不考慮其對系統(tǒng)其他部分的影響，最終的計算結果將會比實際情況高出近50%。其節(jié)能收益在三個典型工況分別達到了2.29 g/kW·h、2.06 g/kW·h、1.93 g/kW·h。

表4 設備等效焓變及節(jié)能效益

6 結論

(1)加裝低溫省煤器能夠減少低壓缸抽汽，使其返回汽輪機做功，提高了機組的經濟性。但與此同時會增加汽輪機排汽壓力降低汽輪機效率，并且提高機組的輔機額降低能耗降低了機組的經濟性。通過計算分析可以得出，低溫省煤器對機組經濟性的提高作用要大于其對機組經濟性的降低作用，因此增設低溫省煤器能夠提高機組效率，降低發(fā)電標準煤耗。

(2)由于低溫省煤器的存在，機組在煙氣側和水側都存在一定的基本阻力。當機組低工況運行時，其輔機對應的等效焓降會升高，降低了低溫省煤器帶來的正效益。同時，高工況時水側與煙氣側溫差較大，利于傳熱，可提高低溫省煤器的節(jié)能效果。因此在最高進水量的前提下，該電廠的低溫省煤器在高工況下的運行效益要高于其在低工況下的運行效益。

(3)單純計算低溫省煤器的節(jié)能效益將會嚴重高估其經濟效益，為電廠相關部門的核算與規(guī)劃產生誤導。因此以全工況的仿真系統(tǒng)為平臺的低溫省煤器的經濟性核算更加準確，并為考察低溫省煤器實際節(jié)能效益提供一種可行的方法。

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