加熱器端差對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響

（華能國(guó)際電力股份有限公司長(zhǎng)興電廠，浙江 長(zhǎng)興 313100）

0 引言

某660 MW 機(jī)組汽輪機(jī)為超超臨界、一次中間再熱、四缸四排氣、單軸凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組型號(hào)為N660-28/600/620。汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)由連接鍋爐和汽輪機(jī)的主、再熱蒸汽管道，抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)，主凝結(jié)水系統(tǒng)，除氧器和給水泵的連接系統(tǒng)，補(bǔ)水系統(tǒng)等組成。抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)中的加熱器通過將已在汽輪機(jī)中做過功的汽輪機(jī)中間級(jí)的蒸汽抽出，在加熱器中放出熱量并凝結(jié)成水，將過熱熱量或汽化潛熱傳給被加熱的凝結(jié)水或給水，因此回?zé)岢槠谧龉^程中沒有冷源損失[1]。加熱器按傳熱方式可分為表面式加熱器和混合式加熱器[2]，表面式加熱器的端差、壓損、散熱損失、切除加熱器和給水旁路等因素對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性具有影響[3-4]，其中端差的影響最大，加熱器端差大于設(shè)計(jì)值是普遍存在的問題[5]。

本文以660 MW 機(jī)組為研究對(duì)象，定量計(jì)算不同工況下不同加熱器的端差對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性影響，并通過試驗(yàn)研究得出減小端差的手段，提升機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

1 概述

該660 MW 超超臨界汽輪機(jī)回?zé)岢槠到y(tǒng)有8 級(jí)抽汽，分別為3 級(jí)高壓加熱器（1 號(hào)高加、2 號(hào)高加、3 號(hào)高加）、4 級(jí)低壓加熱器（5 號(hào)低加、6號(hào)低加、7 號(hào)低加、8 號(hào)低加）和1 級(jí)除氧器（4 號(hào)加熱器），在1 號(hào)高加給水出口加裝蒸汽冷卻器。為減小端差，提高表面式加熱器的經(jīng)濟(jì)性，1—3 號(hào)高壓加熱器采用帶疏水冷卻段型式，使本級(jí)抽汽量減少的同時(shí)，降低流入下級(jí)疏水溫度，降低本級(jí)疏水對(duì)下級(jí)抽汽的排擠[6]。4 號(hào)加熱器為混合式加熱器。機(jī)組熱力系統(tǒng)如圖1 所示。

2 計(jì)算模型與方法

所謂等效焓降是指將1 kg 回?zé)岢槠狡啓C(jī)的新蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后做功的焓降等效于（1-）kg 純凝汽式汽輪機(jī)新蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后做功的焓降。其中，αr為抽汽份額，yr為抽汽做功不足系數(shù)，r 為任意抽汽級(jí)編號(hào)，z 為抽汽級(jí)數(shù)。

2.1 計(jì)算模型說明

（1）對(duì)于本文計(jì)算過程中，對(duì)于Δ 不規(guī)定正負(fù)情況，最終計(jì)算結(jié)果為正即為增大，為負(fù)即為減小。

（2）汽輪機(jī)第1、第2 級(jí)抽汽分別進(jìn)入1 號(hào)、2 號(hào)高加；第3 級(jí)抽汽由于過熱度最大，先進(jìn)入蒸汽冷卻器，然后再進(jìn)入3 號(hào)高加。在計(jì)算中，將蒸汽冷卻器定義為0 號(hào)加熱器進(jìn)行計(jì)算。

（3）6 號(hào)低加疏水出口采用低加疏水泵，將疏水送入5 號(hào)低加給水入口，即利用6 號(hào)低加疏水，提高6 號(hào)低加出水焓，因而將6 號(hào)低加等效為混合式加熱器進(jìn)行計(jì)算。

（4）對(duì)于計(jì)算公式中腳標(biāo)，若j 代表本級(jí)加熱器，j-1 則代表上級(jí)加熱器。加熱器腳標(biāo)為0—8，分別對(duì)應(yīng)0 號(hào)加熱器、1 號(hào)高加、2 號(hào)高加、3 號(hào)高加、4 號(hào)加熱器、5 號(hào)低加、6 號(hào)低加、7 號(hào)低加、8 號(hào)低加。

2.2 等效焓降法[7]

對(duì)于有端差Δτj的加熱器（如圖2[5]所示），由于熱量Δτj在NO.j 加熱器和NO.j-1 加熱器之間損失離開系統(tǒng)，將使NO.j-1 加熱器抽汽熱量增加Δτj，疏水熱量也增加Δτj。抽汽熱量增加Δτj使新蒸汽的做功損失Δτjηj-1。疏水熱量增加Δτj將使NO.j 加熱器抽汽熱量減少Δτj，使新蒸汽的做功增加Δτjηj。因此，端差Δτj使新蒸汽焓降變化值：

圖1 660 MW 機(jī)組熱力系統(tǒng)

圖2 NO.j 加熱器端差

式中： ΔHj為等效焓降變化值；Δτj為端差；ηj為抽汽效率。

對(duì)于幾種特殊情況的說明：

（1）第一個(gè)加熱器出現(xiàn)端差，新蒸汽等效焓降變化值為：

在本文研究對(duì)象中，對(duì)應(yīng)0 號(hào)加熱器。

（2）若NO.j-1 加熱器有疏水冷卻器時(shí)，則端差Δτj引起的新蒸汽等效焓降變化值為：

式中： β 為NO.j-1 加熱器的疏水份額。由于1 號(hào)高加和2 號(hào)高加有疏水冷卻器，2 號(hào)高加、3 號(hào)高加計(jì)算適用該情況。

（3）若流經(jīng)NO.j 加熱器的水份額不是1，而是αH，則端差Δτj引起的新蒸汽等效焓降變化值為：

式中： αH 為加熱器給水份額。

在本文中，即為5 號(hào)低加、6 號(hào)低加、7 號(hào)低加和8 號(hào)低加。

（4）若NO.j-1 加熱器為混合式加熱器，則端差Δτj引起的新蒸汽等效焓降變化值為：

式中： qj-1為蒸汽在加熱器中的放熱量。

由于4 號(hào)加熱器和6 號(hào)低加為混合式加熱器，5 號(hào)低加和7 號(hào)低加的計(jì)算適用該情況。

2.3 低低溫省煤器—一次中間再熱器機(jī)組ΔQj[8]

對(duì)于本文研究對(duì)象，由于機(jī)組使用一次中間再熱提高機(jī)組熱效率[9]，因此在計(jì)算中應(yīng)當(dāng)考慮再熱器對(duì)抽汽排擠的影響。再熱熱段到凝汽器之間的任何排擠抽汽，都不再經(jīng)過再熱器，不涉及再熱問題，因而其抽汽等效焓降計(jì)算與非再熱機(jī)組相同。

式中： ΔQj-zr為再熱器吸熱量變化；γc為疏水在加熱器中的放熱量。

同時(shí)，本文研究對(duì)象中，6 號(hào)低加與7 號(hào)低加之間有低低溫省煤器，利用煙氣余熱加熱7 號(hào)低加出口給水進(jìn)入6 號(hào)低加。由于加熱器端差Δτj引起的抽汽量變化，最終通過凝汽器后，進(jìn)入低低溫省煤器吸熱量變化為：

式中： ΔQj-dd為低低溫省煤器吸熱量變化；θ 為低低溫省煤器吸熱量。

因此：

式中： ΔQj為循環(huán)吸熱量變化。

2.4 抽汽等效焓降Hj[10]

根據(jù)等效焓降法，計(jì)算抽汽等效焓降的通式為：

式中： r 為NO.j 加熱器后更低壓力抽汽口腳標(biāo)；Ar為若NO.j 加熱器為匯集式加熱器，為τj；若NO.j 加熱器為表面式加熱器，則從NO.j 加熱器以下直到（包括）匯集式加熱器，為γj；τj為給水在加熱器中的焓升。

3 經(jīng)濟(jì)性分析與優(yōu)化措施

3.1 熱力系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)

為進(jìn)行加熱器端差對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性影響的研究分析，通過對(duì)THA 工況（汽輪機(jī)熱耗率保證工況），75%THA 工況（75%熱耗率保證工況）以及50%THA 工況（50%熱耗率保證工況）熱力特性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，3 種工況參數(shù)如表1 所示。

根據(jù)等效焓降計(jì)算方法，再熱熱段以后（即蒸汽經(jīng)過再熱器加熱后）的抽汽等效焓降Hj由于再熱熱段以后排擠抽汽不影響再熱器蒸汽份額αzr，也就不影響吸熱量。因而，按照式（9）進(jìn)行計(jì)算。再熱冷段及以上（即蒸汽未經(jīng)過再熱器加熱）的抽汽等效焓降Hj，根據(jù)等效焓降定義，導(dǎo)出蒸汽返回汽輪機(jī)的實(shí)際做功為：

THA 工況、75%THA 工況及50%THA 工況下的機(jī)組熱力系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)（如表2、表3 及表4所示）。

表1 THA/75%THA/50%THA 工況參數(shù)

表2 THA 工況原始數(shù)據(jù)

表3 75%THA 工況原始數(shù)據(jù)

表4 50%THA 工況原始數(shù)據(jù)

3.2 端差的經(jīng)濟(jì)性分析

3.2.1 端差對(duì)等效焓降的影響

為計(jì)算端差對(duì)焓降的影響，假設(shè)各加熱器端差為10 kJ/kg 進(jìn)行計(jì)算，獲得不同負(fù)荷下，各加熱器端差對(duì)焓降的影響，如圖3 所示。

圖3 各加熱器端差對(duì)等效焓降的影響

流經(jīng)0 號(hào)高加的蒸汽參數(shù)下降使0 號(hào)高加抽汽效率增加，導(dǎo)致3 號(hào)高加抽汽參數(shù)降低，3 號(hào)高加抽汽效率的減小程度增大，導(dǎo)致3 號(hào)高加的等效焓降大于2 號(hào)高加等效焓降。由于混合式加熱器的存在，使其后的加熱器的等效焓降呈反向增大趨勢(shì)。在THA 工況下，10 kJ/kg 的端差使1號(hào)高加等效焓降減小，是由于蒸汽冷卻器（0 號(hào)高壓加熱器）給水溫度和壓力高，而抽汽為中壓缸抽汽，蒸汽品質(zhì)較高壓缸下降，導(dǎo)致抽汽效率遠(yuǎn)低于1 號(hào)高加抽汽，兩者的抽汽效率差為負(fù)值。

3.2.2 端差對(duì)汽耗率和標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的影響

汽耗率是指每產(chǎn)生1 kWh 的功所耗費(fèi)的蒸汽量，標(biāo)準(zhǔn)煤耗率是指將不同發(fā)熱量的各種煤統(tǒng)一折算成發(fā)熱量為29 308 kJ/kg 的標(biāo)準(zhǔn)煤后算得的每產(chǎn)生1 kWh 功所耗費(fèi)的煤量。

對(duì)于汽耗率和標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的影響（如圖4、圖5 所示），不同負(fù)荷下的影響規(guī)律相同。相同的端差對(duì)各加熱器的汽耗率和標(biāo)準(zhǔn)煤耗率產(chǎn)生不同程度的影響，其中對(duì)0 號(hào)加熱器的影響最大。

端差的影響隨抽汽級(jí)數(shù)呈一般性遞減趨勢(shì)，但5 號(hào)低加、7 號(hào)低加的汽耗率增加量和標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加量呈增大狀態(tài)。分析原因是由于5 號(hào)低加和7 號(hào)低加前的加熱器均為混合式加熱器，若上級(jí)加熱器為匯集型加熱器，則由于在該級(jí)加熱沒有疏水導(dǎo)致端差變化對(duì)相對(duì)效率影響加劇。匯集型加熱器雖然換熱效率高，但對(duì)下級(jí)加熱器具有較大影響。

圖4 各加熱器端差對(duì)汽耗率的影響

圖5 各加熱器端差對(duì)標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的影響

對(duì)比相同端差對(duì)同一加熱器在不同負(fù)荷下的影響，結(jié)果顯示，隨著負(fù)荷增加，機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性增加，端差對(duì)熱經(jīng)濟(jì)性的影響減小。但0 號(hào)加熱器呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，原因在于0 號(hào)加熱器的抽汽參數(shù)高，且抽汽經(jīng)過加熱器后仍為過熱蒸汽狀態(tài)，因而端差對(duì)0 號(hào)加熱器的相對(duì)效率的影響與其他加熱器不同。

3.2.3 實(shí)際運(yùn)行端差經(jīng)濟(jì)性分析的影響

在實(shí)際運(yùn)行中，加熱器端差一般不是固定值，通過實(shí)際運(yùn)行工況端差來確定加熱器端差對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)煤耗的能耗敏度分析[7，11]，如圖6 所示。由于機(jī)組對(duì)0 號(hào)加熱器、7 號(hào)低加和8 號(hào)低加端差不進(jìn)行監(jiān)視，所以分析只針對(duì)1 號(hào)高加、2 號(hào)高加、3 號(hào)高加以及5號(hào)低加。結(jié)果顯示，隨著負(fù)荷增加，高壓加熱器的單位端差對(duì)標(biāo)準(zhǔn)煤耗的影響減小，低壓加熱器的標(biāo)準(zhǔn)煤耗能耗敏度無明顯變化。分析實(shí)際運(yùn)行端差對(duì)發(fā)電成本的影響，如圖7 所示。結(jié)果顯示，在實(shí)際運(yùn)行中，1 號(hào)高加端差引起的發(fā)電成本增加值最大，在高負(fù)荷下這一結(jié)果更為明顯。

圖6 能耗敏度分析

圖7 各加熱器端差對(duì)發(fā)電成本的影響

通過分析SIS（廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)）中的機(jī)組運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在50%THA 工況，即330 MW負(fù)荷時(shí)，高壓加熱器端差為0，只有5 號(hào)低加存在端差，隨著負(fù)荷增加，端差增大。在實(shí)際運(yùn)行中，負(fù)荷越高給水流量越大，給水在加熱器內(nèi)的換熱時(shí)間減小，造成更大的端差。端差引起的發(fā)電成本隨著負(fù)荷的增大而增大，如圖8 所示。

圖8 不同負(fù)荷下端差對(duì)發(fā)電成本的影響

3.3 優(yōu)化試驗(yàn)分析

加熱器水位控制不當(dāng)、加熱器內(nèi)部存在不能凝結(jié)氣體、加熱器內(nèi)部存在泄漏、結(jié)構(gòu)或堵管等原因[12-13]可能導(dǎo)致加熱器端差增大。分析結(jié)果顯示，高壓加熱器端差隨負(fù)荷增大而增大，且發(fā)電成本增加，因此針對(duì)660 MW 時(shí)高加水位對(duì)高壓加熱器端差影響進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)前，高加液位自動(dòng)控制設(shè)置值為50 mm，試驗(yàn)過程中，在負(fù)荷保持660 MW 穩(wěn)定的情況下，改變高加液位自動(dòng)控制設(shè)置值為-100 mm，增加抽汽與給水的換熱面積。液位對(duì)端差影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。

圖9 高加水位控制對(duì)端差的影響

通過計(jì)算，對(duì)比調(diào)節(jié)前后因端差引起的發(fā)電成本增加值，如圖10 所示，將1 號(hào)高加、2 號(hào)高加、3 號(hào)高加液位自動(dòng)控制值調(diào)整為-100 mm后，每年能為單臺(tái)機(jī)組節(jié)省發(fā)電成本近20 萬元。

圖10 液位調(diào)節(jié)前后因端差引起的發(fā)電成本增加值

4 結(jié)論

計(jì)算分析獲得各類型加熱器端差對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響特性，并通過實(shí)驗(yàn)獲得控制發(fā)電成本手段，得出以下結(jié)論：

（1）端差對(duì)汽耗率、標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的影響對(duì)抽汽級(jí)數(shù)呈一般性遞減趨勢(shì)，但匯集型加熱器對(duì)下級(jí)加熱器產(chǎn)生較大影響。端差對(duì)等效焓降、汽耗率、標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的影響隨負(fù)荷增加呈遞減趨勢(shì)，負(fù)荷越高，端差的影響越小，0 號(hào)加熱器呈相反趨勢(shì)。

（2）在高負(fù)荷下，端差可能存在有利于個(gè)別加熱器熱經(jīng)濟(jì)性的情況，但綜合所有加熱器的總熱經(jīng)濟(jì)性影響，端差仍不利于機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，使發(fā)電成本增加。

（3）機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，在自動(dòng)控制調(diào)解下，隨著負(fù)荷升高，高壓加熱器的端差增大，而低壓加熱器端差基本穩(wěn)定。因此高負(fù)荷時(shí)應(yīng)及時(shí)適當(dāng)降低加熱器汽側(cè)水位，增大表面式加熱器內(nèi)部換熱面積，減小端差，一年可節(jié)約發(fā)電成本約20 萬元。