雙列運(yùn)行機(jī)組增設(shè)外置式蒸汽冷卻器方案對(duì)比分析及應(yīng)用

朱曉磊， 李劍寧， 張 胤，

(1. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240； 2. 上海上電漕涇發(fā)電有限公司， 上海 201500)

針對(duì)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020)》中現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組平均供電煤耗低于310 g/(kW·h)的要求，大型發(fā)電機(jī)組為了提高熱經(jīng)濟(jì)性，普遍采用蒸汽中間再過熱技術(shù)。由于再熱蒸汽提高了中、低壓缸部分的抽汽過熱度，當(dāng)與之對(duì)應(yīng)的加熱器出口水溫不變時(shí)，該加熱器的換熱端差和不可逆損失加劇。按熱量法分析，抽汽過熱度提高，使抽汽焓增加，減小了相應(yīng)加熱器所需的抽汽量，回?zé)岢槠龉Ρ冉档?，從而削弱了回?zé)嵝Ч?。若能利用這部分過熱度的高品位熱能，增加加熱器出口受熱面即裝設(shè)蒸汽冷卻器來提高該級(jí)加熱器乃至整個(gè)回?zé)嵯到y(tǒng)的出口水溫，將會(huì)大大改善這種不利狀況。

3號(hào)抽汽的過熱度較大，針對(duì)3號(hào)抽汽設(shè)置蒸汽冷卻器成為最有效提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的措施之一[1]。蒸汽冷卻器可分為內(nèi)置式和外置式，考慮到內(nèi)置式蒸汽冷卻器對(duì)抽汽的過熱度利用有限，并且泄漏量占高壓加熱器(簡(jiǎn)稱高加)系統(tǒng)內(nèi)泄外漏量的25%以上，另外無法單獨(dú)退出運(yùn)行，設(shè)備異常時(shí)影響整個(gè)高加系統(tǒng)的運(yùn)行，外置式蒸汽冷卻器成為有效利用抽汽過熱度從而提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的主要形式。

陳杭杰[2]對(duì)某1 000 MW超超臨界機(jī)組加裝外置式蒸汽冷卻器進(jìn)行了可行性分析，結(jié)果表明在額定工況下提高給水溫度2.97 K，降低發(fā)電煤耗0.34 g/(kW·h)。牛中敏等[3]對(duì)增設(shè)外置式蒸汽冷卻器進(jìn)行了熱經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果表明提高給水溫度4.9 K，降低發(fā)電煤耗0.65 g/(kW·h)。田家平等[4]對(duì)增設(shè)外置式蒸汽冷卻器各環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，建議將其布置在獨(dú)立平臺(tái)為宜，可提高給水溫度5.6 K，降低發(fā)電煤耗0.66 g/(kW·h)。闞偉民等[5]對(duì)增設(shè)外置式蒸汽冷卻器進(jìn)行了變工況分析，結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的變負(fù)荷特性，更適合低負(fù)荷情況下的高經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。劉鐵映[6]對(duì)外置式蒸汽冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，指出在設(shè)計(jì)時(shí)要均衡考慮結(jié)構(gòu)和熱力分布，兼顧加熱器性能和經(jīng)濟(jì)性。

綜上所述，研究工作主要集中在增設(shè)外置式蒸汽冷卻器前后的熱經(jīng)濟(jì)性變化和蒸汽冷卻器本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于實(shí)際工程中特別是復(fù)雜熱力系統(tǒng)(如雙列運(yùn)行的百萬機(jī)組)不同外置式蒸汽冷卻器布置方案分析較少。因此，筆者以某雙列運(yùn)行的百萬機(jī)組為例，對(duì)比增設(shè)外置式蒸汽冷卻器的不同方案，以期為同類機(jī)組改造提供借鑒與參考。

1 方案對(duì)比

3號(hào)抽汽在進(jìn)入3號(hào)高加前，先經(jīng)過外置式蒸汽冷卻器加熱鍋爐給水，而后再流入3號(hào)高加，由此提高省煤器入口的給水溫度。由文獻(xiàn)[7]可知：在機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)，抽汽壓力≥1.034 MPa；離開蒸汽冷卻段時(shí)還有42 K的富裕過熱度；蒸汽在過熱段流動(dòng)阻力≤0.034 MPa；過熱段內(nèi)管壁是干燥的，其端差為-1.7～0 K；同時(shí)滿足這些條件設(shè)置蒸汽冷卻器才是合理的。此外，增設(shè)外置式蒸汽冷卻器后須要保證給水在省煤器中至少有10 K的溫度欠焓以避免給水汽化；除氧器抽汽量增大須要核算抽汽管道內(nèi)蒸汽流速，校驗(yàn)除氧器是否過飽和等。

通過對(duì)改造前百萬機(jī)組的熱平衡圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)省煤器、除氧器中給水仍有較大的溫度裕量，3號(hào)高加抽汽壓力、溫度和流量均具備增設(shè)外置式蒸汽冷卻器的條件，最大排汽量并未增加，不影響凝汽器運(yùn)行背壓，給水流量也無變化，無須改造給水泵。分析表明常規(guī)百萬機(jī)組均具備增設(shè)外置式蒸汽冷卻器的條件。

由于百萬機(jī)組為雙列運(yùn)行，其熱力系統(tǒng)較為復(fù)雜，為增設(shè)外置式蒸汽冷卻器提供了多重選擇，筆者對(duì)工程中增設(shè)外置式蒸汽冷卻器不同方案進(jìn)行了對(duì)比分析。

1.1 連接方式

根據(jù)蒸汽冷卻器在給水系統(tǒng)中的位置和連接方式不同，外置式蒸汽冷卻器的連接方式可分為串聯(lián)和并聯(lián)，見圖1。串聯(lián)方式將外置式蒸汽冷卻器放置于最末級(jí)高加(1號(hào)高加)之后，與其串聯(lián)，給水經(jīng)過各級(jí)高加加熱后，再進(jìn)入外置式蒸汽冷卻器加熱；并聯(lián)方式為外置式蒸汽冷卻器與最末級(jí)的兩級(jí)換熱器(1號(hào)、2號(hào)高加)并聯(lián)。進(jìn)入外置式蒸汽冷卻器的給水質(zhì)量流量占總給水質(zhì)量流量的比為給水分流系數(shù)x。給水被3號(hào)高加加熱后分流，(1-x)份額給水進(jìn)入最末兩級(jí)高加，x份額給水進(jìn)入外置式蒸汽冷卻器，分別被加熱后匯合進(jìn)入省煤器。

圖1 連接方式

對(duì)比兩種連接方式，串聯(lián)方式的優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)水溫度高，傳熱平均溫差小，效益較為顯著，缺點(diǎn)是增加了部分給水系統(tǒng)的阻力，給水泵出力增大；并聯(lián)方式的優(yōu)點(diǎn)是給水系統(tǒng)的阻力較串聯(lián)方式小，缺點(diǎn)是進(jìn)蒸汽冷卻器的給水溫度較低，傳熱溫差大，而且進(jìn)入下一級(jí)加熱器的主給水量減少，相應(yīng)的回?zé)岢槠繙p少，因此熱經(jīng)濟(jì)性改善程度較差[8]。

圖2為連接方式及x對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響。由圖2可知：隨著x的提高，給水溫度提高幅度下降，當(dāng)x=0.144時(shí)，給水溫度低于改造前未增設(shè)外置式蒸汽冷卻器系統(tǒng)，此時(shí)增設(shè)外置式蒸汽冷卻器的熱經(jīng)濟(jì)性反而降低；而當(dāng)x降低時(shí)，雖然并聯(lián)方式的給水溫度提高有可能會(huì)超過串聯(lián)方式，但當(dāng)x=0.038時(shí)，給水在外置式蒸汽冷卻器中會(huì)發(fā)生沸騰形成干燒。

圖2 連接方式經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

因此，若采用并聯(lián)方式增設(shè)外置式蒸汽冷卻器，應(yīng)控制x在0.038～0.144才能提高熱經(jīng)濟(jì)性，但該范圍還須要跟隨負(fù)荷不斷調(diào)整，且熱經(jīng)濟(jì)性收益大多低于串聯(lián)方式。因此，在給水泵壓頭具有一定裕量的情況下，為提高外置式蒸汽冷卻器的效果，盡可能的減少汽輪機(jī)熱耗，降低煤耗，優(yōu)先選用串聯(lián)連接方式。

1.2 工藝位置

采用串聯(lián)方式，針對(duì)外置式蒸汽冷卻器串接安裝位置區(qū)別，可進(jìn)一步分為母管串聯(lián)和單列串聯(lián)兩種方式，具體見圖3。

圖3 工藝位置

母管串聯(lián)方式是在A、B兩列給水匯合后的母管上設(shè)置外置式蒸汽冷卻器，并加裝阻力相當(dāng)?shù)墓?jié)流孔板與其并聯(lián)；給水分別從A、B兩列經(jīng)各級(jí)高壓加熱器加熱后，在母管匯合?；旌暇鶆蚝蟮慕o水再次分流，其中50%的給水經(jīng)外置式蒸汽冷卻器，50%的給水經(jīng)節(jié)流孔板，而后匯合進(jìn)入鍋爐省煤器。

單列串聯(lián)方式是在其中一列(以A列為例)1號(hào)高加之后加設(shè)外置式蒸汽冷卻器與其串聯(lián)，給水在經(jīng)過蒸汽冷卻器后產(chǎn)生壓力損失，須要在B列上加設(shè)節(jié)流裝置來平衡此列管道的壓力以保證自外置式蒸汽冷卻器的給水能與B列順利匯流。

數(shù)據(jù)模型。通過數(shù)據(jù)模型建立網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析挖掘模型，最終形成立體模型。保證可于各種維度產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)為行業(yè)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

對(duì)比兩種工藝位置優(yōu)缺點(diǎn)(見表1)，其正常運(yùn)行時(shí)流量、溫度等參數(shù)均無差別，當(dāng)外置式蒸汽冷卻器出現(xiàn)故障(主要考慮如發(fā)生鋼管泄漏)須要切除運(yùn)行時(shí)，其水側(cè)流動(dòng)方式有差別。在母管串聯(lián)方案中，外置式蒸汽冷卻器前后新增的給水進(jìn)出口閥門關(guān)閉，給水全部流經(jīng)節(jié)流孔板，由于附加阻力的存在，會(huì)影響給水流量；而在單列串聯(lián)方案中，原有A列給水進(jìn)出口閥門關(guān)閉，給水側(cè)整個(gè)A列切除旁路系統(tǒng)，會(huì)影響給水溫度。單列串聯(lián)少增加2個(gè)高壓閥，減少了故障和泄漏的可能，并且投資較低，高加控制系統(tǒng)改造較小，可以沿用原控制邏輯。在經(jīng)濟(jì)收益相同時(shí)，單列串聯(lián)的投資回報(bào)更好，擬采用單列串聯(lián)方式。

表1 工藝位置優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

1.3 安裝高度

綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置，當(dāng)新增的外置式蒸汽冷卻器和3號(hào)高加同層時(shí)，必須考慮設(shè)置水位保護(hù)功能。為提供疏水自流所需壓頭，在該平臺(tái)上設(shè)置了3 m高的外置式蒸汽冷卻器基座，省去了疏水排放系統(tǒng)和水位保護(hù)系統(tǒng)，大大降低了系統(tǒng)初投資，且將外置式蒸汽冷卻器和3號(hào)高加視為一個(gè)設(shè)備，增加了系統(tǒng)安全性，同時(shí)降低了系統(tǒng)運(yùn)維成本。因此，為外置式蒸汽冷卻器和3號(hào)高加設(shè)置一定的高度差是一種較經(jīng)濟(jì)和安全的設(shè)計(jì)方案。

1.4 施工工藝

當(dāng)采用母管串聯(lián)方式連接時(shí)，考慮過熱度利用率的不同，在現(xiàn)場(chǎng)施工工藝上仍可分為兩種工藝方案(見圖4)：工藝一為切除3號(hào)高加蒸汽冷卻段以最大程度利用過熱度的工藝，取消3號(hào)高加蒸汽冷卻段，即拆除蒸汽冷卻段的蒸汽擋板，使原蒸汽冷卻段和凝結(jié)段合并成一個(gè)大的凝結(jié)段；工藝二為3號(hào)高加不改變的過熱度情況下利用率較低的工藝，不改變3號(hào)高加，設(shè)置較小的外置式蒸汽冷卻器，保證蒸汽在原3號(hào)高加蒸汽冷卻段不發(fā)生冷凝。

圖4 施工工藝

采用工藝一，相當(dāng)于把3號(hào)高加的內(nèi)置式蒸冷段移至1號(hào)高加之前，使順流換熱器局部實(shí)現(xiàn)逆流布置，因此能有效提高傳熱性能，提高熱經(jīng)濟(jì)性。以某典型百萬機(jī)組汽輪機(jī)熱耗驗(yàn)收(THA)工況為設(shè)計(jì)工況，分別計(jì)算應(yīng)用兩種工藝后的運(yùn)行參數(shù)見表2。

表2 施工工藝運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

在工藝一中，當(dāng)3號(hào)高加蒸汽冷卻段切除后，外置式蒸汽冷卻器對(duì)3號(hào)抽汽過熱度利用率較高，出口水溫可達(dá)298.35 ℃，而工藝二中3號(hào)高加蒸汽冷卻段不切除時(shí)出口水溫僅為295.1 ℃，分別與節(jié)流裝置側(cè)的給水混合后，工藝一給水溫度比工藝二給水溫度提高1.63 K，可多降低煤耗0.17 g/(kW·h)。此外，為了保證3號(hào)高加蒸汽冷卻段不產(chǎn)生濕冷，其蒸汽進(jìn)口溫度最低應(yīng)為390 ℃，以此為邊界條件設(shè)計(jì)外置式蒸汽冷卻器，給水質(zhì)量流量按照總質(zhì)量流量的10%～50%，得到外置式蒸汽冷卻器面積約為50 m2。面積非常小，結(jié)構(gòu)不合理，無法進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)。綜合考慮，采用工藝一可最大程度利用蒸汽過熱度。

1.5 節(jié)流裝置

為匹配A列外置式蒸汽冷卻器的壓力損失，須要在B列設(shè)置節(jié)流設(shè)備，如節(jié)流孔板或調(diào)節(jié)閥(見圖5)。調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量、壓力和液位。根據(jù)調(diào)節(jié)部位信號(hào)，自動(dòng)控制閥門的開度，從而達(dá)到介質(zhì)流量、壓力和液位的調(diào)節(jié)，特別適用于流量大、壓降高和泄漏少的場(chǎng)合。節(jié)流孔板具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工、制造成本低、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在滿足工藝要求的前提下，使用節(jié)流孔板代替調(diào)節(jié)閥來限定流量或降低壓力，將會(huì)大大地降低投資和操作維修費(fèi)用，特別適用于壓降低、精度要求不高的地方。

圖5 節(jié)流裝置

當(dāng)選用節(jié)流孔板，50%質(zhì)量流量給水經(jīng)過外置式蒸汽冷卻器；當(dāng)選用調(diào)節(jié)閥，極端情況下100%質(zhì)量流量給水經(jīng)過蒸汽冷卻器。在THA工況下，采用兩種節(jié)流裝置時(shí)，外置式蒸汽冷卻器的運(yùn)行參數(shù)見表3。

表3 采用不同節(jié)流裝置下外置式蒸汽冷卻器運(yùn)行參數(shù)

綜合對(duì)比兩者的初始投資、運(yùn)行成本以及節(jié)煤效果，發(fā)現(xiàn)煤耗差別較小而投資差別較大，因此初步選定節(jié)流孔板方案?？紤]到外置式蒸汽冷卻器的阻力與給水的壓力相比較小，考慮成本問題可選用單級(jí)孔板。

2 應(yīng)用分析

2.1 機(jī)組簡(jiǎn)介

表4 3號(hào)高加抽汽和給水參數(shù)

2.2 改造步驟

圖6為外置式蒸汽冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

圖6 外置式蒸汽冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

增加的核心設(shè)備分別有外置式蒸汽冷卻器、節(jié)流孔板、給水進(jìn)口及出口管道、蒸汽進(jìn)口及出口管道、閥門、自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)等，輔助設(shè)備包括危急疏水管路、安全閥、沖氮保護(hù)接口及化學(xué)清洗接口等，主要改造為對(duì)3號(hào)高加的蒸汽冷卻段切除。改造步驟包括：增設(shè)外置式蒸汽冷卻器，設(shè)置基座平臺(tái)；改造3號(hào)高加，切除蒸汽冷卻段；熱工控制系統(tǒng)改造，增設(shè)遠(yuǎn)程及就地顯示儀表；基礎(chǔ)改造，強(qiáng)度校核及局部補(bǔ)強(qiáng)。

2.3 效果分析

當(dāng)機(jī)組由THA工況負(fù)荷逐漸降低負(fù)荷時(shí)，3號(hào)高加的蒸汽進(jìn)口溫度基本維持不變，飽和溫度及其出口溫度均降低，則外置式蒸汽冷卻器中蒸汽過熱度隨著負(fù)荷變小而增加，3號(hào)高加蒸汽過熱度隨著負(fù)荷變小而降低(見圖7)。

大型燃煤發(fā)電機(jī)組在變負(fù)荷時(shí)通常采用滑壓運(yùn)行的方式。當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，蒸汽壓力降低，但蒸汽溫度基本維持不變，由此導(dǎo)致抽汽飽和度隨著負(fù)荷降低而迅速降低，抽汽過熱度迅速升高，這表明采用常規(guī)熱力系統(tǒng)的機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，抽汽過熱問題比設(shè)計(jì)工況更嚴(yán)重，蒸汽進(jìn)出口溫差較大，容易造成設(shè)備熱應(yīng)力形變，使3號(hào)高加成為最容易發(fā)生事故的設(shè)備之一。而當(dāng)安裝了外置式蒸汽冷卻器后，機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)即使采用滑壓運(yùn)行的方式，3號(hào)高加的過熱度也能有所降低，這表明增設(shè)外置式蒸汽冷卻器有效解決了3號(hào)高加過熱度迅速增大的問題，而對(duì)于外置式蒸汽冷卻器本身，其入口蒸汽的過熱度卻有所提高，使換熱效果更佳。綜上所述，外置式蒸汽冷卻器在低負(fù)荷時(shí)改善過熱度的效果更明顯。

圖7 安裝外置式蒸汽冷卻器后設(shè)備入口蒸汽過熱度

增設(shè)外置式蒸汽冷卻器后，3號(hào)高加和除氧器的抽汽質(zhì)量流量均會(huì)發(fā)生變化(見圖8)，其變化量與外置式蒸汽冷卻器的阻力與傳熱量相關(guān)。改造項(xiàng)目應(yīng)兼顧系統(tǒng)安全性，增設(shè)外置式蒸汽冷卻器后抽汽量變化均極小，表明增設(shè)外置式蒸汽冷卻器后不增加管道的沿程阻力，同時(shí)不排擠除氧器抽汽。

圖8 改造前后抽汽質(zhì)量流量變化

采用外置式母管部分流量串聯(lián)蒸汽冷卻器后，機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)見表5。給水溫度提高2.96～3.42 K，改造對(duì)鍋爐性能和效率基本沒有影響。選擇性催化還原(SCR)脫硝系統(tǒng)入口煙溫提高1.17～1.68 K，有利于低負(fù)荷工況下SCR脫硝系統(tǒng)的安全運(yùn)行。結(jié)合該廠全年運(yùn)行時(shí)間分布特性，平均標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低0.402 g/(kW·h)，單臺(tái)機(jī)組年節(jié)約標(biāo)煤1 752 t，投資回報(bào)期5.79 a(按煤價(jià)850 元/t、初始投資820萬元計(jì)算，包含建設(shè)期)，具有較好的節(jié)能減排綜合效益。

表5 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

3 結(jié)語

筆者對(duì)雙列運(yùn)行的百萬機(jī)組增設(shè)外置式蒸汽冷卻器進(jìn)行了工藝對(duì)比和性能分析，得到如下結(jié)論：

(1) 采用單列全流量串聯(lián)方式并采用節(jié)流孔板同時(shí)改造3號(hào)高加是較優(yōu)的外置式蒸汽冷卻器增設(shè)方案。

(2) 改造后提高SCR脫硝系統(tǒng)入口煙溫1.17～1.68 K，降低煤耗0.402 g/(kW·h)，綜合節(jié)能減排效益明顯，方案具有較好的經(jīng)濟(jì)性；顯著改善負(fù)荷降低時(shí)抽汽過熱度提高引起的3號(hào)高加熱應(yīng)力形變，同時(shí)避免外置式蒸汽冷卻器沸騰干燒，方案具有較好的安全性。

(2) 可沿用原控制邏輯，系統(tǒng)兼具疏水自流和給水流量分配自平衡功能，方案具有較好的操作便捷性。