兩級除氧器熱力系統(tǒng)研究

胡宏偉，鄧成剛

（中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州510663）

基于新能源發(fā)電比例迅速提高、傳統(tǒng)燃煤電廠年運行小時數(shù)逐漸降低的發(fā)展趨勢，燃煤電廠寬負荷調(diào)峰已成常態(tài)［1］，這樣機組的實際運行煤耗偏離設(shè)計煤耗，業(yè)主對機組低負荷下運行的經(jīng)濟性越來越重視，機組寬負荷高效技術(shù)勢必成為今后煤電產(chǎn)業(yè)技術(shù)的重點發(fā)展方向。因此當前電廠設(shè)計有必要考慮低負荷下機組的熱經(jīng)濟性和熱效率。美日及歐洲相關(guān)企業(yè)和科研院作了很多研究工作及有益的實踐，目前國內(nèi)各高校、電力設(shè)計院、主機廠也對此進行了大量的研究，機組寬負荷高效技術(shù)主要包括汽輪機寬負荷高效技術(shù)、熱力系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)、輔機技術(shù)和運行技術(shù)［1］。包括如補汽閥［2-3］、零號高加［3］、煙氣余熱回收［1］、回熱系統(tǒng)配置［4］、混合式加熱器［4］分級抽汽配汽裝置、蛇形管加熱器［5］、變頻調(diào)速、永磁調(diào)速、低負荷燃燒系統(tǒng)配置、鍋爐燃燒優(yōu)化控制［6］等?；谶@種背景，筆者所在設(shè)計院進行了“大容量機組寬負荷控制技術(shù)研究和應(yīng)用”的科標研究，科標對相關(guān)技術(shù)進行了研究，包括主輔機設(shè)備全負荷下性能優(yōu)化、機組低負荷安全和穩(wěn)定運行、機組全程控制、燃燒控制優(yōu)化［7］等方面的研究，兩級除氧器熱力系統(tǒng)是其中的一個熱力系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)。本文對兩級除氧器熱力系統(tǒng)進行了研究，提出其可行性、適用范圍以及經(jīng)濟性，兩級除氧器熱力系統(tǒng)適用于高參數(shù)機組，本文研究成果可為后續(xù)高參數(shù)機組采用兩級除氧器熱力系統(tǒng)提供依據(jù)，以提高機組在寬負荷下的效率，降低機組煤耗。

1 兩級除氧器熱力系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)的熱力系統(tǒng)一般是配有一級除氧器。除氧器的作用是凝結(jié)水打到除氧器后，通過除氧器去除給水中的各種溶解氣體。雙機回熱系統(tǒng)（Echelon Cycle，EC） 帶 BEST 透平 （Back Pressure Extraction Steam Turbine，BEST）［8-9］是為700 ℃高超超臨界機組（壓力≥35 MPa 和/或溫度≥700 ℃）開發(fā)的回熱系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，用新增的獨立汽輪機代替中壓缸的抽汽去加熱給水，它能夠瓦解700 ℃高超超臨界機組［10］回熱抽汽高溫風險，有效降低抽汽過熱度，減少加熱器不可逆損失，提高循環(huán)效率，降低設(shè)備投資成本等多項優(yōu)點。兩級除氧器熱力系統(tǒng)是在雙機回熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，適用于600 ℃超超臨界機組及未來700 ℃高超超臨界機組。

在雙機回熱系統(tǒng)中，BEST 透平根據(jù)抽汽級數(shù)有多種配置方案，以一次再熱十級抽汽為例，BEST 的抽汽供給#3～#8 加熱器，BEST 排汽可排至低加或除氧器，如BEST 排汽至低加則是雙機回熱一級除氧熱力系統(tǒng)，系統(tǒng)組成見圖1，回熱系統(tǒng)組成為四高一除氧五低。

如BEST 排汽至除氧器，則系統(tǒng)中有兩級除氧器，此系統(tǒng)即構(gòu)成了雙機回熱兩級除氧器熱力系統(tǒng)，系統(tǒng)組成見圖2，回熱系統(tǒng)加熱器組成為三高兩除氧五低，凝結(jié)水通過凝結(jié)水泵打至2 級低加后進入一級低壓除氧器，然后通過新增中壓給水泵打至3 級低加后進入二級除氧器，再通過高壓給水泵打至3 級高加后進入鍋爐省煤器。兩級除氧器熱力系統(tǒng)相比于一級除氧熱力系統(tǒng)，主要是用一級除氧器替代了一級高壓加熱器。

1.2 系統(tǒng)的影響

以主機參數(shù)28 MPa/600 ℃/620 ℃的一次再熱百萬機組為例，兩級除氧器熱力系統(tǒng)相比于一級除氧熱力系統(tǒng)，系統(tǒng)配置對比如下：

1）兩級除氧器熱力系統(tǒng)相比于一級除氧熱力系統(tǒng)的主要差異是用一級除氧器替代了一級高壓加熱器。除氧器相比于高壓加熱器，由于沒有金屬傳熱面，結(jié)構(gòu)簡單，在金屬耗量、制造、投資上要低于高壓加熱器。

2）兩級除氧器熱力系統(tǒng)，由于多了一級低壓除氧器，除氧器的汽水系統(tǒng)要比高加的汽水系統(tǒng)復雜，除氧器設(shè)備閥門的維護量增大。

3）兩級除氧器熱力系統(tǒng)，一級低壓除氧器出口要增加一級中壓給水泵配套系統(tǒng)。增加中壓給水泵設(shè)備投資及設(shè)備維護。中壓給水泵參數(shù)如下：水泵流量2 537 t/h，揚程約2.7 MPa。經(jīng)咨詢泵廠家，蘇爾壽泵選型為HSB軸向剖分單級雙支撐泵，泵的效率85.5%，電機功率2.5 MW，并需配套設(shè)前置泵。同時由于兩級除氧器熱力系統(tǒng)設(shè)置中壓給水泵，泵后的三級低加、中壓給水管道及閥門壓力比一級除氧系統(tǒng)提高，此部分投資會增加。

4）兩級除氧器熱力系統(tǒng)比，一級除氧器替代了一級高壓加熱器。除氧器為混合式加熱器，高壓加熱器為表面式加熱器。由于混合式加熱器中加蒸汽汽水和給水為直接接觸傳熱，傳熱端差為零，能把給水加熱到加熱蒸汽壓力下所對應(yīng)的飽和溫度，表面式加熱器有傳熱端差，因此混合式加熱器回熱熱經(jīng)濟性要高于有端差的表面式加熱器［3］。所以從理論上分析，兩級除氧器熱力系統(tǒng)的機組熱耗會低于一級除氧熱力系統(tǒng)，熱耗降低的具體情況見表1。

表1 機組熱耗對比表Tab. 1 Heat rate comparison

2 兩級除氧器熱力系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟比較

2.1 機組熱耗

以主機參數(shù)28 MPa/600 ℃/620 ℃的一次再熱百萬機組、10級回熱（不帶外置式蒸汽冷卻器）系統(tǒng)為例，雙機回熱一級除氧熱力系統(tǒng)機組與兩級除氧器熱力系統(tǒng)機組熱耗對比見表1，表中熱耗數(shù)據(jù)為某主機廠為工程配合提供的數(shù)據(jù)。

由表1可見：

1）不同工況下的熱耗，兩級除氧器熱力系統(tǒng)的熱耗比一級除氧熱力系統(tǒng)低10 kJ/kWh～50 kJ/kWh。

2）機組在中間負荷區(qū)域（75%～50%負荷），兩級除氧器熱力系統(tǒng)比一級除氧熱力系統(tǒng)的熱耗要低近40 kJ/kWh～50 kJ/kWh。機組在高負荷（75%負荷以上）和低負荷區(qū)（40%負荷以下），兩級除氧器熱力系統(tǒng)比一級除氧熱力系統(tǒng)的熱耗降低的幅度變小。對當前機組低負荷運行時間長的現(xiàn)狀，兩級除氧器熱力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性變得突出。

3）機組不同年利用小時的平均熱耗，兩級除氧器熱力系統(tǒng)比一級除氧熱力系統(tǒng)低約40 kJ/kWh。

2.2 對布置的影響

兩級除氧器熱力系統(tǒng)中新增的一級低壓除氧器和新增的中壓給水泵可分別布置在一級除氧熱力系統(tǒng)中的除氧間除氧器層和0 m 層，不額外增加主廠房跨度。新增的一級低壓除氧器和中壓給水泵需增加設(shè)備基礎(chǔ)。兩級除氧器增的水汽管道布置略復雜，水汽管道有所增加。

2.3 初投資比較

按本文一次再熱百萬機組雙機回熱一級除氧熱力系統(tǒng)機組與兩級除氧器熱力系統(tǒng)機組的初投資比較見表2（一臺機組）。

表2 初投資比較表Tab. 2 Investment comparison 萬元

由表2 可見：采用兩級除氧器熱力系統(tǒng)方案，每臺機組僅增加570 萬元初投資，初投資增加不多。

2.4 經(jīng)濟性比較

經(jīng)濟比較見表3（一臺機組）。

由表3 可見，雙機回熱兩級除氧器熱力系統(tǒng)，其收益非?？捎^，按年利用小時數(shù)4 500 h計算，每年可節(jié)省煤耗量7 232 t，2 年內(nèi)就可以收回投資，投資回收期短。

3 結(jié)論

兩級除氧器熱力系統(tǒng)在技術(shù)上是可行的。

技術(shù)方面，兩級除氧器熱力系統(tǒng)，由于多了一級低壓除氧器及中壓給水泵，汽水系統(tǒng)要比一級除氧器熱力系統(tǒng)復雜，除氧器、給水泵設(shè)備維護量增大。

表3 經(jīng)濟比較表Tab. 3 Comprehensive comparison

經(jīng)濟性方面，兩級除氧器熱力系統(tǒng)的設(shè)備初投資比一級除氧熱力系統(tǒng)多570 萬元，每年可節(jié)省煤耗量7 232 t，2 年內(nèi)就可以收回投資。對當前機組低負荷運行時間長的現(xiàn)狀，兩級除氧器熱力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性變得突出。