基于分區(qū)域等效焓降法的低壓加熱器疏水泵熱經(jīng)濟(jì)性分析

蔣曉隆

(1. 上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司， 上海 200137；2. 申能吳忠熱電有限責(zé)任公司， 寧夏吳忠 751100)

與低壓給水加熱器疏水放流式相比，使用疏水泵將加熱器的疏水打入主凝結(jié)水，能夠有效提高汽輪機(jī)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性。通常采用等效焓降法從以下2個方面對疏水泵的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析[1]：(1)疏水打入主凝結(jié)水提高其焓，減少了相鄰的高能級加熱器的抽汽量，增加汽輪機(jī)做功；(2)疏水不在本級加熱器吸熱，減少了本級加熱器抽汽量，增加汽輪機(jī)做功。這種方法被廣泛應(yīng)用于機(jī)組疏水泵改造的經(jīng)濟(jì)性分析[2-4]。

上述分析方法假設(shè)加熱器設(shè)置疏水泵前后疏水焓保持不變，且均為過冷水，因此主要適用于對現(xiàn)有機(jī)組進(jìn)行疏水泵改造的情形。但對于新建機(jī)組，為了充分發(fā)揮疏水泵的經(jīng)濟(jì)性，設(shè)置疏水泵時通常會取消加熱器的疏水冷卻段，使疏水從過冷狀態(tài)變?yōu)轱柡退疇顟B(tài)，疏水焓也會相應(yīng)地發(fā)生變化，此時，以往的分析方法存在一定局限性。

此外，設(shè)置疏水泵改變了加熱器系統(tǒng)的流量分布，使得凝結(jié)水泵功率、疏水泵功率也發(fā)生變化，進(jìn)而影響汽輪機(jī)凈發(fā)電量，但以往的分析方法沒有統(tǒng)一考慮這些影響。

針對以往疏水泵熱經(jīng)濟(jì)性分析方法存在的不足，提出一種基于分區(qū)域等效焓降法的低壓加熱器疏水泵熱經(jīng)濟(jì)性分析方法，將設(shè)置疏水泵影響到的系統(tǒng)分為本級區(qū)域、上游區(qū)域、下游區(qū)域，分析各區(qū)域的疏水流量、換熱量、泵功率變化，然后基于等效焓降法計算其對汽輪機(jī)凈發(fā)電量的影響。以某1 000 MW二次再熱機(jī)組為例，驗證了所提出方法的可靠性。同時，研究了不同能級的加熱器設(shè)置疏水泵的節(jié)能效果及其變化規(guī)律，分析了增設(shè)第2臺疏水泵與設(shè)置1臺疏水泵在節(jié)能效果上的差異，對新建機(jī)組疏水泵優(yōu)化配置具有參考意義。

1 疏水泵分區(qū)域等效焓降法

圖1為設(shè)置疏水泵影響的區(qū)域，其中：虛線表示第j級加熱器為放流式時，其疏水的流動路徑；實線表示第j級加熱器由疏水放流式改為疏水泵式時，其疏水的流動路徑。以圖1為例，說明所提出的基于分區(qū)域等效焓降法的低壓加熱器疏水泵熱經(jīng)濟(jì)性分析方法。該方法所有的分析和計算均按照定主蒸汽流量的方式進(jìn)行。

圖1 設(shè)置疏水泵影響的區(qū)域

本級區(qū)域是設(shè)置疏水泵的加熱器，上游區(qū)域包括高能級的第j+1級加熱器和疏水泵，下游區(qū)域包括低能級的第1至第j-1級加熱器、凝汽器、凝結(jié)水泵。

當(dāng)?shù)趈級加熱器為疏水放流式時，疏水首先經(jīng)過下游區(qū)域各級加熱器逐級放熱后至凝汽器，然后作為凝結(jié)水通過凝結(jié)水泵升壓和下游區(qū)域加熱器升溫后，進(jìn)入第j+1級加熱器。

當(dāng)?shù)趈級加熱器由疏水放流式改為疏水泵式時，疏水經(jīng)過疏水泵加壓后與本級加熱器出口凝結(jié)水混合，再進(jìn)入上游的第j+1級加熱器。

當(dāng)?shù)趈級加熱器由疏水放流式改為疏水泵式時，疏水流動會影響換熱量、泵功率的變化。利用等效焓降法中的抽汽效率(反映任意抽汽能級處加熱器換熱量變化引起的汽輪機(jī)做功變化)的概念，可以將系統(tǒng)中各區(qū)域熱量的變化關(guān)聯(lián)為汽輪機(jī)軸功率(即發(fā)電量)的變化。最終可得到各區(qū)域的換熱量及泵功率變化對汽輪機(jī)凈發(fā)電量的影響，具體分析如下。

1.1 本級區(qū)域

本級區(qū)域疏水流動及相關(guān)參數(shù)見圖2。

βj—第j級加熱器(即本級加熱器)疏水份額，為第j級加熱器疏水質(zhì)量流量與主蒸汽質(zhì)量流量的比；hd,j—第j級加熱器為放流式時對應(yīng)的疏水焓；hsat,j—第j級加熱器蒸汽側(cè)飽和水焓；τj—第j級加熱器凝結(jié)水焓升。

在本級區(qū)域，主要考慮設(shè)置疏水泵后本級疏水換熱量的變化，具體影響有：(1)設(shè)置疏水泵同步取消加熱器疏水冷卻段，疏水由過冷水變?yōu)轱柡退瑢?dǎo)致疏水在本級加熱器放熱量減少，抽汽量增大，汽輪機(jī)做功減少；(2)本級加熱器疏水直接通過疏水泵進(jìn)入上游區(qū)域，不再以凝結(jié)水的形式在本級加熱器吸熱，導(dǎo)致抽汽量減少，汽輪機(jī)做功增加。該部分因素導(dǎo)致的汽輪機(jī)凈發(fā)電量的變化量ΔP1的計算公式為：

ΔP1=βj(hd,j-hsat,j+τj)ηjηG

(1)

式中：ηj為第j級加熱器抽汽效率；ηG為發(fā)電機(jī)效率(含機(jī)械效率)。

1.2 上游區(qū)域

上游區(qū)域疏水流動及相關(guān)參數(shù)見圖3。

τDP—疏水泵焓升。

(1) 上游疏水換熱量變化。

第j級加熱器改為疏水泵式，疏水以飽和水而不是以凝結(jié)水的形式進(jìn)入上游區(qū)域，因此以凝結(jié)水形式進(jìn)入上游區(qū)域的流量減少，導(dǎo)致進(jìn)入上游區(qū)域的熱量發(fā)生變化。該部分因素導(dǎo)致的汽輪機(jī)凈發(fā)電量的變化量ΔP2的計算公式為：

ΔP2=βj(hsat,j-hj)ηj+1ηG

(2)

式中：hj為第j級加熱器混合前的凝結(jié)水焓；ηj+1為第j+1級加熱器抽汽效率。

(2) 上游疏水泵功率變化。

第j級加熱器改為疏水泵式，一方面泵升壓過程使進(jìn)入上游區(qū)域的疏水焓增加，汽輪機(jī)發(fā)電量相應(yīng)增加；另一方面，疏水泵消耗了電功率，輔機(jī)耗電量也增加。該部分因素導(dǎo)致的汽輪機(jī)凈發(fā)電量的變化量ΔP3的計算公式為：

ΔP3=βj(τDPηj+1ηG-τDP)

(3)

由于抽汽效率和發(fā)電機(jī)效率均小于1，從疏水泵功率的角度考慮，設(shè)置疏水泵會導(dǎo)致汽輪機(jī)凈發(fā)電量下降。

1.3 下游不含疏水泵式加熱器的下游區(qū)域

當(dāng)本級加熱器設(shè)置疏水泵，且本級加熱器下游不含疏水泵式加熱器時，下游區(qū)域疏水流動及相關(guān)參數(shù)見圖4。

τCDP—凝結(jié)水泵焓升。

(1) 下游疏水換熱量變化。

加熱器為疏水放流式時，其疏水逐級自流在第j-1級至第1級加熱器中放熱，然后這部分疏水在凝汽器中放熱，再以凝結(jié)水的形式經(jīng)過凝結(jié)水泵升壓后，在第1級至第j-1級加熱器中吸熱。

設(shè)置疏水泵后，由于疏水不再放流至下游加熱器，這部分疏水在下游加熱器的放熱和吸熱過程都不再發(fā)生，導(dǎo)致下游各級加熱器抽汽量發(fā)生變化，汽輪機(jī)做功相應(yīng)發(fā)生變化。疏水不在下游加熱器放熱時，下游加熱器的抽汽量增大，汽輪機(jī)做功減少；疏水不在下游加熱器吸熱時，下游加熱器的抽汽量減少，汽輪機(jī)做功增加。該部分因素導(dǎo)致的汽輪機(jī)凈發(fā)電量的變化量ΔP4的計算公式為：

(4)

式中：τi為第i級加熱器凝結(jié)水焓升；γi為第i級加熱器疏水放熱量；ηi為第i級加熱器抽汽效率。

對于第i級加熱器，其疏水放熱量為第i+1級加熱器的疏水焓減去第i級加熱器的疏水焓。

(2) 下游凝結(jié)水泵功率變化。

加熱器為放流式時，疏水經(jīng)過凝結(jié)水泵升壓，進(jìn)入第1級加熱器的熱量增加，可增加汽輪機(jī)發(fā)電量；同時，驅(qū)動凝結(jié)水泵會增加輔機(jī)耗電量。凝結(jié)水泵功率變化導(dǎo)致的汽輪機(jī)凈發(fā)電量的變化量ΔP5的計算公式為：

ΔP5=βj(-τCDPη1ηG+τCDP)

(5)

式中：η1為第1級加熱器抽汽效率。

由于抽汽效率和發(fā)電機(jī)效率均小于1，從凝結(jié)水泵功率的角度考慮，設(shè)置疏水泵可以增大汽輪機(jī)凈發(fā)電量。

1.4 下游含疏水泵式加熱器的下游區(qū)域

當(dāng)本級加熱器設(shè)置疏水泵，且本級加熱器下游含疏水泵式加熱器時，下游區(qū)域疏水流動及相關(guān)參數(shù)見圖5。

圖5 下游含疏水泵式加熱器的下游區(qū)域疏水流動及相關(guān)參數(shù)

(1) 下游疏水換熱量變化。

假設(shè)下游第m級加熱器為疏水泵式，第j級加熱器為疏水放流式時，疏水自流至第m級加熱器即與凝結(jié)水混合。下游加熱器放熱量變化導(dǎo)致汽輪機(jī)凈發(fā)電量的變化量ΔP6的計算公式為：

(6)

疏水在第m級加熱器放熱量為第m+1級加熱器的疏水焓減去第m級加熱器進(jìn)口凝結(jié)水焓，與放流式加熱器存在差異。

(2) 下游疏水泵功率變化。

假設(shè)下游第m級加熱器為疏水泵式，第j級加熱器為疏水放流式時，其疏水不經(jīng)過凝結(jié)水泵，而是經(jīng)過第m級加熱器的疏水泵。下游疏水泵功率變化導(dǎo)致的汽輪機(jī)凈發(fā)電量的變化量ΔP7的計算公式為：

ΔP7=-βj(τDP,mηmηG+τDP,m)

(7)

式中：τDP,m為第m級加熱器疏水泵焓升；ηm為第m級加熱器抽汽效率。

根據(jù)上述分析，影響疏水泵熱經(jīng)濟(jì)性的因素主要有本級疏水換熱量變化、上游疏水換熱量變化、上游疏水泵功率變化、下游疏水換熱量變化、下游凝結(jié)水泵功率變化、下游疏水泵功率變化，這些因素共同決定了設(shè)置疏水泵總的節(jié)能效果。

2 案例研究系統(tǒng)

二次再熱機(jī)組通常具有較多的回?zé)峒墧?shù)，加熱器的疏水泵配置問題更為復(fù)雜。為了更好地反映所提出方法的實用性，按照圖6的某1 000 MW二次再熱機(jī)組汽輪機(jī)系統(tǒng)流程為例，開展案例研究，其中：從凝結(jié)水泵出口對加熱器進(jìn)行編號，一加至六加、八加至十加為各級加熱器的簡稱；一加至六加對應(yīng)抽汽為一抽至六抽，八加至十加對應(yīng)抽汽為八抽至十抽，除氧器對應(yīng)抽汽為七抽。該系統(tǒng)包含1個超高壓缸、1個高壓缸、1個中壓缸、1個低壓缸。回?zé)嵯到y(tǒng)包含6臺低壓加熱器(一加至六加)、1臺除氧器和3臺高壓加熱器(八加至十加)。

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置參考文獻(xiàn)[5]。主蒸汽質(zhì)量流量為668.9 kg/s，主蒸汽的壓力和溫度分別為30 MPa、600 ℃，一次、二次再熱蒸汽的溫度均為610 ℃，凝汽器壓力為5.75 kPa。超高壓缸、高壓

圖6 某1 000 MW二次再熱機(jī)組系統(tǒng)流程

缸、中壓缸、低壓缸各級組等熵效率分別為0.89、0.91、0.91、0.89，發(fā)電機(jī)效率(含機(jī)械效率)為0.99，泵等熵效率為0.8，泵機(jī)械效率為0.998。一次、二次再熱蒸汽的壓力分別為9 MPa、2.7 MPa，給水至主蒸汽壓降率為18%，一次再熱蒸汽壓降率為10%，二次再熱蒸汽壓降率為10%?；?zé)嵯到y(tǒng)采用等焓升分配，為滿足一次、二次再熱蒸汽壓力要求，十加、九加、八加的焓升均為109.6 kJ/kg，六加至一加及除氧器的焓升均為121.4 kJ/kg。抽汽管道壓降率為2.5%。高壓加熱器及低壓加熱器默認(rèn)均為疏水放流式，高壓加熱器上端差為-1.7 K，低壓給水加熱器上端差為2.8 K，高壓加熱器及低壓加熱器下端差均為5.6 K。

3 方法準(zhǔn)確性驗證

以將五加改為疏水泵式為例，驗證所提出方法的準(zhǔn)確性。

采用熱平衡法，分析五加從疏水放流式改為疏水泵式時，汽輪機(jī)凈發(fā)電量的變化。汽輪機(jī)凈發(fā)電量為汽輪機(jī)發(fā)電量減去泵耗電量得到的發(fā)電量，結(jié)果見表1(計算過程中保持主蒸汽流量不變)。

表1 基于熱平衡法的熱經(jīng)濟(jì)性分析

由表1可得：五加由疏水放流式改為疏水泵式后，汽輪機(jī)發(fā)電量增加387 kW，給水泵耗電量保持不變，凝結(jié)水泵耗電量減少171 kW、疏水泵耗電量增加127 kW，汽輪機(jī)凈發(fā)電量增加432 kW。采用熱平衡法，能夠得到疏水泵總體節(jié)能效果，但無法對其節(jié)能量進(jìn)行更詳細(xì)的分解。

采用所提出的分區(qū)域等效焓降法，分析五加從疏水放流式改為疏水泵式時，本級區(qū)域、上游區(qū)域、下游區(qū)域內(nèi)的換熱量及泵功率變化導(dǎo)致汽輪機(jī)凈發(fā)電量的變化，結(jié)果見表2。

表2 基于分區(qū)域等效焓降法的熱經(jīng)濟(jì)性分析

由表2可得：采用所提出的方法分析，五加由疏水放流式改為疏水泵式后，汽輪機(jī)凈發(fā)電量增加425 kW，與表1中熱平衡法的計算結(jié)果(432 kW)相比，相對誤差僅為1.6%，所提出的方法具有較高的準(zhǔn)確性。

4 疏水泵的節(jié)能效果

采用分區(qū)域等效焓降法，對疏水泵節(jié)能效果進(jìn)行分解，研究其變化規(guī)律。

4.1 設(shè)置1臺疏水泵

將一加至五加單獨改為疏水泵式，汽輪機(jī)凈發(fā)電量的變化見圖7。

圖7 不同位置加熱器采用疏水泵式的節(jié)能效果

由圖7可得：將不同位置的加熱器改為疏水泵式，增加的汽輪機(jī)凈發(fā)電量不同，即節(jié)能效果不同；當(dāng)設(shè)置疏水泵的加熱器能級從高到低變化時，節(jié)能效果先增大后減??；將三加改疏水泵式時，節(jié)能效果最好，汽輪機(jī)凈發(fā)電量增加529 kW。

對不同位置加熱器采用疏水泵的節(jié)能效果按影響因素進(jìn)行分解，分析各因素的變化規(guī)律，結(jié)果見圖8。

圖8 各因素對節(jié)能效果的影響

由圖8可得：當(dāng)設(shè)置疏水泵的加熱器能級從高到低變化時，本級疏水換熱和上游疏水換熱對汽輪機(jī)凈發(fā)電量的影響先增大后減小。主要是因為：(1)加熱器能級越低，疏水流量越大，對應(yīng)疏水換熱量越大；(2)加熱器能級越低，抽汽效率越低，換熱量變化對汽輪機(jī)發(fā)電量的影響越小。當(dāng)設(shè)置疏水泵的加熱器能級從高到低變化時，疏水泵功率和凝結(jié)水泵功率對汽輪機(jī)凈發(fā)電量的影響幅度逐漸增大，主要是因為加熱器能級越低，疏水流量越大，泵功率越大。此外，加熱器能級越低，下游加熱器換熱量對汽輪機(jī)凈發(fā)電量的影響越小，主要是因為低能級加熱器的下游加熱器更少，并且抽汽效率更低。

4.2 設(shè)置第2臺疏水泵

分析系統(tǒng)設(shè)置第2臺疏水泵的熱經(jīng)濟(jì)性。方案一為系統(tǒng)中設(shè)置1臺疏水泵(設(shè)置在五加位置)；方案二為在已經(jīng)設(shè)置1臺疏水泵(設(shè)置在三加位置)的基礎(chǔ)上，增加設(shè)置第2臺疏水泵(設(shè)置在五加位置)。方案一和方案二的節(jié)能效果對比見表3。

表3 設(shè)置第2臺疏水泵的熱經(jīng)濟(jì)性分析

由表3可得：當(dāng)三加已經(jīng)為疏水泵式時，再將五加改為疏水泵式時汽輪機(jī)凈發(fā)電量只能增加155 kW，與單獨將五加改為疏水泵式時汽輪

機(jī)凈發(fā)電量的增加量(425 kW)相比，汽輪機(jī)凈發(fā)電量增加量減少270 kW，節(jié)能效果顯著下降，主要原因是下游疏水換熱量變化對汽輪機(jī)凈發(fā)電量的影響不同。當(dāng)五加下游的三加已經(jīng)為疏水泵式時，五加疏水在三加匯入凝結(jié)水，放熱量較大。此時，若再將五加改為疏水泵式，五加疏水不再進(jìn)入三加匯集放熱，進(jìn)而導(dǎo)致汽輪機(jī)凈發(fā)電量大幅減少。

5 結(jié)語

(1) 提出一種基于分區(qū)域等效焓降法的低壓加熱器疏水泵熱經(jīng)濟(jì)性分析方法，將疏水泵影響的系統(tǒng)分為本級區(qū)域、上游區(qū)域、下游區(qū)域，通過分析各區(qū)域疏水流量、換熱量及泵功率的變化，得到其對汽輪機(jī)凈發(fā)電量的影響。

(2) 針對某1 000 MW二次再熱機(jī)組，采用所提出的方法計算加熱器由疏水放流式改疏水泵式對汽輪機(jī)凈發(fā)電量的影響。該方法與熱平衡法對比，計算結(jié)果相對誤差僅為1.6%，其準(zhǔn)確性較高。

(3) 設(shè)置疏水泵的加熱器能級越低，疏水量越大，越有利于提高節(jié)能效果；但能級越低，抽汽效率越低，會降低節(jié)能效果。綜合考慮，存在最佳位置，使設(shè)置1臺加疏水泵獲得的節(jié)能效果最佳。

(4) 與設(shè)置1臺疏水泵的節(jié)能效果相比，系統(tǒng)中設(shè)置第2臺疏水泵的節(jié)能效果顯著下降，主要是因為上游疏水在第1臺疏水泵式加熱器中放熱量較大，而設(shè)置第2臺疏水泵減少了這部分放熱量，導(dǎo)致汽輪機(jī)凈發(fā)電量顯著下降。