0號(hào)高壓加熱器疏水方式優(yōu)化

張彥鵬 ，鄭 威 ，李蘇生 ，祝令凱 ，李 思

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.山東電力中心醫(yī)院，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

根據(jù)國(guó)家煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃，到2020年，現(xiàn)役火電機(jī)組改造后平均供電煤耗低于310 g／kWh，其中現(xiàn)役600 MW及以上機(jī)組（除空冷機(jī)組外）改造后平均供電煤耗低于 300 g／kWh［1］。 為落實(shí)國(guó)家煤電機(jī)組節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃，燃煤機(jī)組充分利用成熟、先進(jìn)、適用的節(jié)能減排技術(shù)，研究系統(tǒng)節(jié)能降耗新技術(shù)的同時(shí)，考慮環(huán)保一體化（脫硝、脫硫擴(kuò)容、濕式除塵等）和節(jié)能改造的同步性、相互適配性，研究與環(huán)保改造相關(guān)的節(jié)能改造內(nèi)容和適應(yīng)環(huán)保一體化的節(jié)能改造方案。

0號(hào)高壓加熱器和低溫省煤器聯(lián)合系統(tǒng)技術(shù)，不僅使機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)的級(jí)數(shù)增加，循環(huán)熱效率提高，熱耗率降低，同時(shí)由于給水溫度提高，省煤器換熱量減少，導(dǎo)致省煤器出口煙溫的升高，從而保證了部分負(fù)荷時(shí)SCR脫硝效率。因此0號(hào)高壓加熱器和低溫省煤器聯(lián)合系統(tǒng)是提高機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保指標(biāo)的有效措施之一。

1 0號(hào)高壓加熱器

在回?zé)嵯到y(tǒng)中，1號(hào)高壓加熱器后與鍋爐省煤器前增設(shè)1個(gè)高壓加熱器用來(lái)加熱給水；高壓加熱器的蒸汽是由1級(jí)抽汽前的高壓缸某級(jí)后抽出；高壓加熱器的疏水采用逐級(jí)自流至1號(hào)高壓加熱器或除氧器，滿足上述條件的高壓加熱器稱為0號(hào)高壓加熱器，簡(jiǎn)稱0號(hào)高加。

以國(guó)內(nèi)某電廠680 MW機(jī)組的0號(hào)高加作為研究對(duì)象，從汽源選取、疏水方式2方面分別介紹0號(hào)高加設(shè)置方案。

1.1 0號(hào)高加汽源選取

0號(hào)高加選取合適且不影響機(jī)組安全性的高壓汽源十分重要。該機(jī)組0號(hào)高加抽汽借助汽輪機(jī)現(xiàn)有的補(bǔ)汽閥，閥后導(dǎo)汽管上設(shè)置三通，在低負(fù)荷時(shí)利用高壓缸補(bǔ)汽閥接口抽汽送至0號(hào)高加。0號(hào)高加與補(bǔ)汽閥進(jìn)汽共用1個(gè)接口，通過(guò)補(bǔ)汽閥和0號(hào)高加抽汽管路的快關(guān)調(diào)節(jié)閥切換，見(jiàn)圖1。

對(duì)于沒(méi)有補(bǔ)汽閥的機(jī)組，根據(jù)國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)制造商的相關(guān)研究［2］，一般依據(jù)各負(fù)荷條件下加權(quán)平均熱耗降低幅度最大的原則進(jìn)行汽源優(yōu)選，最佳的汽源應(yīng)選取高壓缸第7級(jí)動(dòng)葉后，經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算，最終確定選取高壓缸第9級(jí)后為0號(hào)高加抽汽的汽源。此方案處于理論研究階段，需要驗(yàn)證外缸的強(qiáng)度和剛性；同時(shí)，設(shè)備改造工作量大、投資成本較高，目前尚沒(méi)有發(fā)電機(jī)組采用此方案。

圖1 機(jī)組中0號(hào)高加的汽源選取

1.2 0號(hào)高壓加熱器疏水方式

0號(hào)高加疏水方式主要有5種：疏水至1號(hào)高加、疏水至2號(hào)高加、疏水至3號(hào)高加、疏水至除氧器、疏水至凝汽器。其中：疏水至凝汽器由于經(jīng)濟(jì)性差，常作為事故疏水考慮。其他4種方式，經(jīng)濟(jì)性逐漸降低，投資成本也逐漸降低，調(diào)節(jié)運(yùn)行由于改造加熱器的減少而變得簡(jiǎn)單，如圖2所示。

圖2 4種0號(hào)高加疏水方式

2 0號(hào)高加經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 等效熱降法計(jì)算模型

等效熱降基于熱力學(xué)的熱功轉(zhuǎn)換原理，考慮到設(shè)備質(zhì)量、熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的特點(diǎn)，用以研究熱工轉(zhuǎn)換及能量利用程度的一種方法［3］。

等效熱降法具有簡(jiǎn)捷、方便和準(zhǔn)確的特點(diǎn)，可用局部運(yùn)算替代整個(gè)熱力系統(tǒng)的復(fù)雜計(jì)算，簡(jiǎn)化整個(gè)計(jì)算過(guò)程。

采用等效熱降法對(duì)0號(hào)高加疏水位置不同進(jìn)行局部定量分析，計(jì)算疏水位置變化對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響。

國(guó)內(nèi)某電廠680 MW機(jī)組的疏水方式如圖3所示，該機(jī)組0號(hào)高加正常疏水至2號(hào)高加，以0號(hào)高加疏水至2號(hào)高加為原系統(tǒng)，采用等效熱降法分別計(jì)算出0號(hào)高加疏水至1號(hào)高加、3號(hào)高加以及除氧器3種方式下對(duì)機(jī)組做功和裝置經(jīng)濟(jì)性的變化，進(jìn)而計(jì)算出機(jī)組熱耗率、煤耗，對(duì)比相同負(fù)荷下不同疏水形式的節(jié)能效果。由于相同負(fù)荷下0號(hào)高加的抽汽流量和參數(shù)不變，故0號(hào)高加的疏水參數(shù)保持不變。

圖3 國(guó)內(nèi)某電廠680 MW機(jī)組的疏水方式

根據(jù)等效熱降法，再熱機(jī)組要計(jì)算局部變動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性相對(duì)變化，除考慮等效熱降變化外，還要考慮相應(yīng)的循環(huán)吸熱量ΔQ的變化。

ΔH為做功變化量，即不同疏水方式下新系統(tǒng)做功與原系統(tǒng)做功的差值，其計(jì)算公式為：

式中：H1-2為0號(hào)高加疏水至1號(hào)高加方式下相對(duì)于0號(hào)高加疏水至2號(hào)高加做功變化量；ΔH3-2為0號(hào)高加疏水3號(hào)高方式下相對(duì)于0號(hào)高加疏水至2號(hào)高加做功變化量；ΔHc-2為0號(hào)高加疏水至除氧器方式下相對(duì)于0號(hào)高加疏水至2號(hào)高加做功變化量；αf為0號(hào)高加抽汽流量占主汽流量的比例；分別為 0，1，2，3 號(hào)高加疏水焓；η1，η2，η3，ηc分別為 1，2，3，4 級(jí)抽汽效率。

ΔQ為循環(huán)吸熱變化量，包括再熱器吸熱量的變化和鍋爐蒸發(fā)吸熱量變化2部分。而鍋爐過(guò)熱器蒸發(fā)吸熱量不變，即循環(huán)吸熱變化量就是不同疏水方式下再熱器吸熱量的變化與原系統(tǒng)再熱器吸熱量的變化之間的差值

式中：ΔQ1-2為0號(hào)高加疏水至1號(hào)高加方式下相對(duì)于0號(hào)高加疏水2號(hào)高加循環(huán)吸熱變化量；ΔQ3-2為0號(hào)高加疏水至3號(hào)高加方式下相對(duì)于0號(hào)高加疏水2號(hào)高加循環(huán)吸熱變化量；ΔQc-2為0號(hào)高加疏水至除氧器方式下相對(duì)于0號(hào)高加疏水2號(hào)高加循環(huán)吸熱變化量；σ為1 kg蒸汽在再熱器中的吸熱量；h1，h2為 1，2 號(hào)高加的抽汽焓。

0號(hào)高加疏水位置變動(dòng)的汽輪發(fā)電機(jī)組循環(huán)熱效率相對(duì)變化

式中：ΔH 為做功變化量， 即 ΔH1-2，ΔH3-2，ΔHc-2；ΔQ為循環(huán)吸熱變化量，即 ΔQ1-2，ΔQ3-2，ΔQc-2；δηi為汽輪發(fā)電機(jī)組循環(huán)熱效率相對(duì)變化；ηi為汽輪發(fā)電機(jī)組循環(huán)熱效率；H為新蒸汽等效熱降。

ΔH和ΔQ有正負(fù)之分。當(dāng)做功增加時(shí)，ΔH為正值，反之為負(fù)值；當(dāng)循環(huán)吸熱量增加時(shí)，ΔQ為正值，反之為負(fù)值。

2.2 計(jì)算結(jié)果

依據(jù)機(jī)組熱力計(jì)算書(shū)中的機(jī)組不同負(fù)荷的參數(shù)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行等效熱降計(jì)算。機(jī)組不同負(fù)荷下的抽汽效率及關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 機(jī)組不同負(fù)荷下的抽汽效率及關(guān)鍵參數(shù)

參 數(shù) 單位 7 5%T H A 5 0%T H A 4 0%T H A 3 0%T H A 4級(jí)抽汽效率 % 0.3 0 0 9 0.2 8 3 6 0.2 7 1 6 0.2 4 8 6再熱冷段蒸汽焓 k J／k g 3 1 2 9.8再熱熱段蒸汽焓 k J／k g 3 6 7 7.8 3 1 6 5.1 3 1 7 9.2 3 1 8 2.5 3 6 9 1.5 3 6 9 4.8 3 6 8 8.1

分別計(jì)算不同負(fù)荷段不同疏水方式對(duì)原機(jī)組疏水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

通過(guò)對(duì)機(jī)組 75%THA，50%THA，40%THA，30%THA 4個(gè)負(fù)荷段0號(hào)高加3種疏水方式對(duì)原機(jī)組疏水方式經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算，結(jié)果表明：

1）機(jī)組任何負(fù)荷下0號(hào)高加疏水至1號(hào)高加的經(jīng)濟(jì)性最好；

2）機(jī)組負(fù)荷在50%THA左右時(shí)，0號(hào)高加疏水方式變化對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響較大；

3）機(jī)組原系統(tǒng)與疏水至1號(hào)高加的熱耗率相差較小，但與疏水至3號(hào)高加、除氧器的經(jīng)濟(jì)性相差較大；

4）機(jī)組原系統(tǒng)0號(hào)高加疏水至2號(hào)高加，綜合經(jīng)濟(jì)性最好，僅對(duì)2號(hào)高加之后的高壓加熱器進(jìn)行改造，不對(duì)1號(hào)高加進(jìn)行改造，可以減少投資、縮短改造工期。

表2 不同疏水方式對(duì)原機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響

2.3 0號(hào)高加不同疏水方式經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

由于電網(wǎng)的擴(kuò)大和用電結(jié)構(gòu)的變化，峰谷差也相應(yīng)擴(kuò)大，機(jī)組除要承擔(dān)基本負(fù)荷，也要承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)。在調(diào)峰運(yùn)行模式下，國(guó)內(nèi)大容量機(jī)組多采用滑壓運(yùn)行，機(jī)組的年運(yùn)行小時(shí)數(shù)、年利用小時(shí)數(shù)等條件對(duì)經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果有明顯的影響。參考山東電網(wǎng)同類型機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，按2017年利用小時(shí)數(shù)取5 000 h，該機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行模式暫按表3考慮。

由于2017年山東可再生能源機(jī)組調(diào)峰最低負(fù)荷為40%THA，因此機(jī)組30%THA負(fù)荷的運(yùn)行時(shí)間為零。

表4 不同疏水方式對(duì)原機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

在40%～100%THA負(fù)荷內(nèi)，該機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)按表3中數(shù)據(jù)計(jì)算，標(biāo)煤 800元／t，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

由此可見(jiàn)，該機(jī)組按調(diào)峰模式運(yùn)行時(shí)，0號(hào)高加疏水至1號(hào)高加相對(duì)疏水至2號(hào)高加每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益5.7萬(wàn)元；0號(hào)高加疏水至3號(hào)高加、除氧器相對(duì)疏水至2號(hào)高加每年分別降低經(jīng)濟(jì)效益58.8萬(wàn)元、134.7萬(wàn)元。由于0號(hào)高加疏水至1號(hào)高加和疏水至2號(hào)高加經(jīng)濟(jì)性差別較小，而疏水至1號(hào)高加投資成本高、調(diào)節(jié)運(yùn)行難，因而0號(hào)高加疏水至2號(hào)高加綜合經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

4 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)機(jī)組在75%，50%，40%和30%額定負(fù)荷下0號(hào)高加的性能參數(shù)，通過(guò)等效熱降原理對(duì)0號(hào)高加不同疏水方式進(jìn)行汽輪機(jī)與回?zé)嵯到y(tǒng)熱力計(jì)算，得到汽輪發(fā)電機(jī)組循環(huán)熱效率變化值，分析機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明：該類型機(jī)組0號(hào)高加疏水至2號(hào)高加經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。