1 000 MW機(jī)組小汽輪機(jī)排汽供熱經(jīng)濟(jì)性分析

劉 利，陳 嘯，李國(guó)慶

（中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，上海200086）

0 引言

超超臨界化是我國(guó)火電結(jié)構(gòu)節(jié)能的重要內(nèi)容。近年來(lái)，超超臨界火電機(jī)組在我國(guó)得到了迅速發(fā)展，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，截至2018年底全國(guó)已投產(chǎn)百萬(wàn)kW超超臨界機(jī)組已到111臺(tái)，全國(guó)火電機(jī)組的平均供電煤耗也達(dá)到307.6 g/（kW·h），明顯優(yōu)于同期美國(guó)平均水平和世界平均水平。但隨著超超臨界機(jī)組大量投產(chǎn)應(yīng)用，利用小時(shí)數(shù)逐漸降低，廠用電量也明顯增加，發(fā)電企業(yè)經(jīng)營(yíng)壓力日益增大。為此，發(fā)電企業(yè)進(jìn)行了各類(lèi)設(shè)備的節(jié)能改造。江蘇、浙江等地工業(yè)用汽量較大，多臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了工業(yè)抽汽改造。為了降低機(jī)組廠用電量，降低發(fā)電煤耗，多臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)改造。謝新燕[1]、朱又生等人[2-3]對(duì)電動(dòng)引風(fēng)機(jī)和汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)兩種驅(qū)動(dòng)方式下的機(jī)組經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了詳細(xì)的分析論證。郭俊山[4]對(duì)不同抽汽汽源進(jìn)行了分析，認(rèn)為在秋冬季節(jié)采用汽機(jī)五抽作為小汽輪機(jī)汽源更為經(jīng)濟(jì)。徐齊勝[5-6]等人利用等效焓降法進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。本文以江蘇某電廠1 000 MW超超臨界機(jī)組背壓式小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)為例，通過(guò)熱力性能試驗(yàn)、等熵焓降方法和Ebsilon模擬計(jì)算3種方式，計(jì)算了汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)排汽供熱和回?zé)峁r下的機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，希望能為1 000 MW機(jī)組小機(jī)排汽供熱經(jīng)濟(jì)性改造提供理論基礎(chǔ)。

1 1 000 MW機(jī)組汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

江蘇某電廠1 000 MW超超臨界機(jī)組采用背壓式小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)，小汽輪機(jī)工作汽源為一級(jí)再熱器出口的混合蒸汽，小汽輪機(jī)排汽可分別排至除氧器、供熱管道以及輔汽聯(lián)箱。小汽輪機(jī)設(shè)有獨(dú)立的軸封系統(tǒng)，軸封末端回汽至軸封冷卻器。

小汽輪機(jī)為杭州汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的HA47448-2F、單缸、單流、反動(dòng)式、背壓式汽輪機(jī)，其參數(shù)為：額定進(jìn)汽壓力5.0 MPa，額定進(jìn)汽溫度478.0℃，額定進(jìn)汽流量72.6 t/h，額定排汽壓力1.4 MPa，額定排汽溫度341.9℃，額定轉(zhuǎn)速4 275 r/min，轉(zhuǎn)速范圍2 987～4 930 r/min。引風(fēng)機(jī)采用中國(guó)電建集團(tuán)透平科技有限公司（原成都電力機(jī)械廠）生產(chǎn)的HA系列靜葉可調(diào)、轉(zhuǎn)速可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)。

2 小汽輪機(jī)汽源與排汽

小汽輪機(jī)設(shè)計(jì)汽源采用一級(jí)再熱器出口的混合蒸汽，可以在保證汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)各個(gè)工況都能平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)，還能保證汽輪機(jī)排汽滿足1.4 MPa、300℃的供熱要求，同時(shí)避免了再熱熱段的蒸汽溫度參數(shù)要求匹配材質(zhì)更好的供汽管道及閥門(mén)。

小汽輪機(jī)排汽排入汽輪機(jī)除氧器或者接入供熱母管對(duì)熱網(wǎng)供熱。小汽輪機(jī)的排汽可充分利用現(xiàn)有系統(tǒng)，小汽輪機(jī)排汽在供熱模式下，排汽至供熱母管。小汽輪機(jī)排汽回?zé)崮Ｊ较?，排汽回除氧器。管路設(shè)置調(diào)節(jié)閥，排汽背壓跟隨除氧器壓力，并通過(guò)溢流管道至輔助蒸汽系統(tǒng)。

3 汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性分析模型

3.1 性能試驗(yàn)對(duì)比

為了對(duì)比不同排汽方式下的機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，分別在小汽輪機(jī)供熱和回?zé)峁r下，進(jìn)行了1 000 MW負(fù)荷下汽輪機(jī)組性能試驗(yàn)。由于受運(yùn)行條件和熱用戶用汽量的限制，試驗(yàn)期間未完全實(shí)現(xiàn)純供熱和純回?zé)峁r，2個(gè)工況均為小汽輪機(jī)排汽同時(shí)供熱和排入除氧器，只是兩者的流量有所不同。工況1為盡可能多地將小汽輪機(jī)排汽至除氧器，性能試驗(yàn)結(jié)果為：負(fù)荷1 003.20 MW,小汽輪機(jī)進(jìn)汽流量132.40 t/h，排汽至除氧器流量71.15 t/h，排汽至供熱流量61.25 t/h；工況2為盡可能多地將小汽輪機(jī)排汽至供熱，性能試驗(yàn)結(jié)果為：負(fù)荷1 003.79 MW，小汽輪機(jī)進(jìn)汽流量133.77 t/h，排汽至除氧器流量38.39 t/h，排汽至供熱流量95.38 t/h。

3.2 等效焓降分析

為評(píng)價(jià)2種排汽方式下機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，采用等效焓降法對(duì)機(jī)組熱耗率進(jìn)行分別計(jì)算。

根據(jù)等效焓降理論，機(jī)組的循環(huán)吸熱量為

其中，h0為主蒸汽焓；αzr為再熱汽相對(duì)于1 kg主蒸汽的份額，hgs為給水焓。

新蒸汽的等效焓降H為

其中，η為機(jī)組熱效率。

其中，αt為小汽輪機(jī)相對(duì)于1 kg主蒸汽的份額；h2和hn分別為小汽輪機(jī)進(jìn)汽焓和主汽輪機(jī)排汽焓。

機(jī)組效率的變化值為

3.3 Ebsilon熱力計(jì)算

熱力計(jì)算時(shí)，采用Ebsilon軟件對(duì)機(jī)組工況進(jìn)行模擬計(jì)算，其中小汽輪機(jī)進(jìn)排汽流量數(shù)據(jù)分別取自試驗(yàn)測(cè)量值及項(xiàng)目改造工程可行性研究報(bào)告，并以100%機(jī)組熱耗保證THA（turbine heat-rate acceptance）設(shè)計(jì)工況參數(shù)為基準(zhǔn)進(jìn)行變工況運(yùn)算，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)外推。

4 結(jié)果與分析

4.1 熱力性能試驗(yàn)

在小汽輪機(jī)進(jìn)汽流量132.40 t/h、小汽輪機(jī)排汽供熱61.24 t/h、排汽進(jìn)除氧器71.15 t/h工況下，機(jī)組的熱耗率為7 319.71 kJ/（kW·h）；在小汽輪機(jī)進(jìn)汽流量133.77 t/h、小汽輪機(jī)排汽供熱95.38 t/h、排汽進(jìn)除氧器38.39 t/h工況下，機(jī)組的熱耗率為7 277.69 kJ/（kW·h）。因試驗(yàn)過(guò)程中小汽輪機(jī)排汽未全進(jìn)入供熱系統(tǒng)，一部分排汽進(jìn)入除氧器作為加熱蒸汽，經(jīng)折算，1 t/h蒸汽影響熱耗1.28 kJ/（kW·h），小汽輪機(jī)排汽（約133 t/h）全部進(jìn)入供熱系統(tǒng)后，汽輪機(jī)熱耗率為7 228.44 kJ/（kW·h）；小汽輪機(jī)排汽（約133 t/h）全部進(jìn)入除氧器后，汽輪機(jī)熱耗率為7 398.26 kJ/（kW·h）。

汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)改造后，取消了電動(dòng)引風(fēng)機(jī)和電動(dòng)增壓風(fēng)機(jī)，機(jī)組的廠用電率比改造前（4.10%）下降了1.40%。

4.2 等效焓降計(jì)算

基于THA工況設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，采用等效焓降計(jì)算，小汽輪機(jī)進(jìn)汽量為132.6 t/h，在小汽輪機(jī)排汽回?zé)峁r下，機(jī)組的熱耗率達(dá)到7 410.62 kJ/（kW·h），在小汽輪機(jī)排汽供熱工況下，機(jī)組熱耗率達(dá)到了7 198.59 kJ/（kW·h）。

4.3 Ebsilon計(jì)算

采用Ebsilon軟件對(duì)機(jī)組工況進(jìn)行模擬計(jì)算，得到以下結(jié)果：一級(jí)再熱器出口至小汽輪機(jī)抽汽量為132.6 t/h且小汽輪機(jī)排汽全部回?zé)?，機(jī)組熱耗率為7 397.97 kJ/（kW·h）；一級(jí)再熱器出口至小汽輪機(jī)的抽汽量為141 t/h且小汽輪機(jī)排汽全進(jìn)入除氧器，機(jī)組熱耗率為7 404.39 kJ/（kW·h）；一級(jí)再熱器出口至小汽輪機(jī)抽汽量為132.6 t/h且小汽輪機(jī)排汽全供熱，機(jī)組熱耗率為7 215.97 kJ/（kW·h）；一級(jí)再熱器出口至小汽輪機(jī)抽汽量為160 t/h且小汽輪機(jī)排汽全供熱，機(jī)組熱耗率為7 199.08 kJ/（kW·h）。

以上結(jié)果以試驗(yàn)數(shù)據(jù)的供熱流量—熱耗率曲線結(jié)合模擬計(jì)算數(shù)據(jù)外推獲得，可能與實(shí)際情況存在一定的誤差。

在小汽輪機(jī)抽汽量為132.6 t/h條件下，小汽輪機(jī)排汽全部回?zé)岜扰牌抗釞C(jī)組熱耗約高187 kJ/（kW·h），經(jīng)折算，1 t/h小汽輪機(jī)排汽影響熱耗1.41 kJ/（kW·h），與性能試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的折算值[1.28 kJ/（kW·h）]相比偏差0.14 kJ/（kW·h）。

4.4 3種方法的對(duì)比

通過(guò)以上3種方法計(jì)算的1 000 MW負(fù)荷時(shí)小汽輪機(jī)排汽回?zé)岷凸峁r下的機(jī)組熱耗如表1所示。

表1 不同計(jì)算方法下熱耗結(jié)果對(duì)比kJ（/kW·h）

由表1可以看出，小汽輪機(jī)排汽供熱工況的熱耗遠(yuǎn)低于排汽回?zé)峁r的熱耗，熱力性能試驗(yàn)方法與Ebsilon計(jì)算的結(jié)果相近，等效焓降計(jì)算的結(jié)果偏差較大，主要是由于等效焓降是基于設(shè)計(jì)值進(jìn)行計(jì)算，所以計(jì)算得到的每1 t排汽對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響偏大。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)熱力性能試驗(yàn)、等效焓降計(jì)算、Ebsilon模擬3種方法對(duì)1 000 MW機(jī)組汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)改造后經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了計(jì)算分析，小汽輪機(jī)排汽供熱工況的熱耗遠(yuǎn)低于排汽回?zé)峁r的熱耗。小汽輪機(jī)排汽供熱與回?zé)嵯啾龋瑑烧咧g的差值為1 t/h蒸汽影響熱耗1.28 kJ/（kW·h）。等效焓降計(jì)算的每1 t排汽對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響略大。