600 MW機(jī)組過(guò)熱器減溫水水源改造可行性分析

王 克 陳 藝 湯陳懷

(上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院)

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，鍋爐過(guò)熱器噴水減溫就是將鍋爐給水直接噴入過(guò)熱蒸汽，達(dá)到降溫目的，它具有調(diào)溫幅度大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代大中型鍋爐機(jī)組上應(yīng)用廣泛。鍋爐過(guò)熱器換熱面積是在保證最大連續(xù)蒸發(fā)量工況或以上的前提下設(shè)計(jì)的，低負(fù)荷下吸熱量相對(duì)較少，若不持續(xù)投入過(guò)熱器減溫水進(jìn)行調(diào)溫，過(guò)熱蒸汽超溫現(xiàn)象難以避免[1]。因此過(guò)熱器噴水減溫系統(tǒng)已成為鍋爐機(jī)組不可或缺的組成部分。過(guò)熱器減溫水取水點(diǎn)的位置直接影響熱力循環(huán)系統(tǒng)的回?zé)嵫h(huán)性能，從而影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[2]。早年投產(chǎn)的許多電廠過(guò)熱器減溫水的取水點(diǎn)都設(shè)計(jì)在給水泵的出口端，與高壓加熱器(簡(jiǎn)稱高加)的出口相比，該方案對(duì)機(jī)組的回?zé)嵫h(huán)效率影響比較大[3]?？梢?jiàn)，對(duì)過(guò)熱器減溫水系統(tǒng)采用不同取水點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析是十分必要的，其分析結(jié)果可以對(duì)過(guò)熱器減溫水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及運(yùn)行提供有效的技術(shù)支撐。國(guó)家提出的碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)，節(jié)能降碳越來(lái)越引起關(guān)注，部分電廠開(kāi)始對(duì)過(guò)熱器減溫水取水點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化改造[4-8]。文章將從節(jié)能、安全運(yùn)行等方面，結(jié)合某電廠600 MW機(jī)組，進(jìn)行分析和討論。

1 過(guò)熱減溫水系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況

某電廠1號(hào)鍋爐是亞臨界參數(shù)，采用一次中間再熱的鍋爐。該鍋爐的過(guò)熱器減溫水系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置的兩級(jí)噴水減溫器來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)熱蒸汽溫度，過(guò)熱器減溫水來(lái)自高壓給水管道，從鍋爐給水總門后及給水調(diào)整門之前接出，由過(guò)熱蒸汽減溫水總門控制。第一級(jí)噴水減溫器設(shè)置在鍋爐的第一級(jí)過(guò)熱器出口集箱至屏式過(guò)熱器進(jìn)口集箱的連接管道上，左右各一個(gè)，設(shè)計(jì)噴水減溫量全部放在本級(jí)，起主調(diào)作用，同時(shí)可保護(hù)屏式過(guò)熱器管壁不發(fā)生超溫現(xiàn)象。第二級(jí)噴水減溫器布置在屏式過(guò)熱器出口集箱至第二級(jí)過(guò)熱器進(jìn)口集箱的導(dǎo)管上。當(dāng)?shù)谝患?jí)減溫器噴水量受到約束或第一級(jí)減溫幅度不能滿足要求時(shí)，第二級(jí)減溫器會(huì)及時(shí)投入。當(dāng)鍋爐燃用設(shè)計(jì)燃料，在最大連續(xù)蒸發(fā)量負(fù)荷時(shí)，預(yù)期減溫噴水量約為主蒸汽流量的6%。

2 過(guò)熱器減溫水水源改造方案

目前普遍認(rèn)為過(guò)熱器減溫水取水點(diǎn)放在高加出口后是比較科學(xué)合理[3]，也是大部分機(jī)組選擇的改造方案。如果將過(guò)熱器減溫水取水點(diǎn)改為從高加后引出，將降低減溫水的壓力，如何確保減溫水在任何情況下都能噴入過(guò)熱器，及時(shí)調(diào)節(jié)過(guò)熱蒸汽溫度，成為關(guān)鍵。改造后機(jī)組的性能考核實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 改造后減溫水壓力變化表 MPa

以汽包壓力為基準(zhǔn)，壓差裕量均未超過(guò)1 MPa，減溫水的壓力不滿足噴入過(guò)熱器的需要。為了保證減溫水壓力，在省煤器入口的給水總管上設(shè)置了憋壓閥，但該憋壓閥只能在180 MW負(fù)荷以下投入運(yùn)行，因此，考慮到運(yùn)行的安全性，將過(guò)熱器減溫水取水點(diǎn)改到了高加后，原給水泵出口的取水點(diǎn)仍然保留，兩者形成互為備用。取水點(diǎn)選在高加出口后及給水流量孔板前，減溫水依次經(jīng)過(guò)手動(dòng)截止閥、電動(dòng)截止閥、逆止閥之后接入原有的減溫水電動(dòng)閥后的管路，改造僅增加部分管道及幾個(gè)閥門，投資低，改動(dòng)小，但極大地增大了運(yùn)行的靈活性。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

過(guò)熱器噴水減溫系統(tǒng)取水點(diǎn)取自給水泵出口時(shí)，該部分減溫水不經(jīng)過(guò)高加，因此減少了回?zé)岢潭?，降低了機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。

現(xiàn)將機(jī)組過(guò)熱減溫水的引出源頭優(yōu)化至高加出口給水母管處，優(yōu)化后的回?zé)嵯到y(tǒng)，流經(jīng)高加的給水流量增加，一定程度增加了1～3段抽汽，可提高回?zé)嵫h(huán)效率，降低機(jī)組熱耗。

根據(jù)等效焓降理論[9]，從給水泵出口分流αps的給水不經(jīng)過(guò)高加，減少了給水泵下游No.z～No.m+1高加的回?zé)岢槠黾拥淖龉Ζ：

(1)

式中：τr為No.r高加的給水比焓升，kJ/kg；ηr為No.r高加的抽汽效率。

此時(shí)，1 kg新蒸汽的吸熱量增加Δq：

(2)

式中：qr為No.r高加的抽汽放熱量，kJ/kg；αrh-r為No.r高加排擠1 kg蒸汽而引起的再熱器蒸汽份額的變化，即抽汽再熱系數(shù)。

從而得到機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性相對(duì)降低：

(3)

式中：ηi為噴水減溫前的汽輪機(jī)效率,%；H為新蒸汽的等效焓降，kJ/kg。

供電煤耗增加ΔBg為：

ΔBg=Bg×Δηi

(4)

式中：Bg為機(jī)組供電煤耗，g/(kWh)。

基于以上分析，將過(guò)熱器減溫水水源由給水泵出口改為1號(hào)高加出口，見(jiàn)圖1線路a。

圖1 減溫水水源改造示意

圖1中，h0為過(guò)熱器出口蒸汽焓，h1為1號(hào)高加入口蒸汽焓，hk-1為k-1號(hào)高加入口蒸汽焓，hk為除氧器入口蒸汽焓，t1為線路a1號(hào)高加出口減溫水溫度，tp為線路b給水泵出口減溫水溫度。

噴水若從1號(hào)高加出口引出則不會(huì)影響機(jī)組的熱力循環(huán)，倘若鍋爐內(nèi)部微小變化忽略不計(jì)，則機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性無(wú)變化。只需計(jì)算噴水從給水泵出口分流時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。

依據(jù)機(jī)組的熱平衡，機(jī)組發(fā)電機(jī)功率pN=600.002 4 MW。原始資料整理數(shù)據(jù)及等效焓降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

給水分流部分不經(jīng)過(guò)高加，直接送入鍋爐過(guò)熱器，減少回?zé)岢槠?，降低回?zé)岢潭?，使熱?jīng)濟(jì)性降低，按等效熱降應(yīng)用基本原則，減少了1、2、3三級(jí)高加的回?zé)岢槠?，新蒸汽做功增加。假定減溫水份額αfw=5%，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

若從給水泵出口取過(guò)熱器減溫水，通過(guò)計(jì)算可知，機(jī)組供電煤耗增加0.587 g/kWh；若從高加出口取水作為過(guò)熱器減溫水，則對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性影響較小，其根本原因是高加出口取水進(jìn)行噴水減溫，不影響熱力系統(tǒng)的回?zé)嵫h(huán)。

改造所需主要設(shè)備及材料匯總見(jiàn)表4。

表2 原始資料整理數(shù)據(jù)及等效熱降計(jì)算結(jié)果

表3 噴水減溫對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響

表4 主要設(shè)備及材料明細(xì)表

總投資費(fèi)用約為80萬(wàn)元。

按年利用小時(shí)數(shù)4 500 h，0.07萬(wàn)元/tce計(jì)算，則過(guò)熱器噴水減溫，從高加出口分流比從給水泵出口分流全年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤耗量為：

ΔB=pN×Δbs×4 500=600.002 4×0.587×4 500=1 584.9 tce

年節(jié)煤收益：

Q=ΔB×700=1 584.9×0.07=110.9萬(wàn)元

經(jīng)過(guò)以上計(jì)算可以判定當(dāng)過(guò)熱器減溫水采用高加出口分流時(shí)，年收益達(dá)到110.9萬(wàn)元，不足一年即可回收成本。

4 安全性分析

由于高加出口母管給水溫度較高，在相同工況下，改造后減溫水焓發(fā)生變化，單位質(zhì)量的減溫水吸熱量減少，因此，采用高加出口母管給水作為過(guò)熱減溫水的流量要高于采用給水泵出口母管給水的流量。在各設(shè)計(jì)工況下采用高加出口母管給水和給水泵出口母管給水作為過(guò)熱減溫水的流量對(duì)比，如表5所示。

表5 減溫水水源改造前后減溫水量對(duì)比表

最大的減溫水流量在當(dāng)高加切除工況下，總減溫水流量為253.2 t/h，但此時(shí)的過(guò)熱減溫水參數(shù)與位置無(wú)關(guān)，即高加出口的參數(shù)與給泵出口的參數(shù)一致；高加投用情況下，最大減溫水流量在75%THA工況，此時(shí)的減溫水流量為133.9 t/h，此時(shí)高加出口減溫水與給泵出口減溫水之比為1.235，即改到高加出口后過(guò)熱減溫水的流量約為165.4 t/h。

按照《DLT 5054-2016火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]中推薦的單相流體的管道管徑計(jì)算公式及推薦的流速，對(duì)現(xiàn)有減溫水管道的通流能力進(jìn)行核算。

經(jīng)過(guò)核算，在75%THA工況下，給泵出口減溫水管道流速為1.78 m/s，相對(duì)應(yīng)的高加出口減溫水的管道流速為2.20 m/s，該流速仍處于規(guī)定所推薦的2～6 m/s流速范圍之內(nèi)。此外，減溫水系統(tǒng)所用的管道和閥門材料均為20 G鋼，許用溫度均在400 ℃以上，滿足使用要求，因此，使用高加出口給水作為過(guò)熱器減溫水后，原減溫水母管、支管道可繼續(xù)使用。

5 結(jié)論

目前，有許多電廠的電廠的噴水減溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是不合理的，必須從節(jié)能的角度加以改進(jìn)。筆者從經(jīng)濟(jì)和安全的角度出發(fā)，以600 MW機(jī)組為例，對(duì)過(guò)熱器減溫水水源改造進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，采用高加出口分流給水的噴水減溫系統(tǒng)可有效提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。此外，考慮到機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的安全性，認(rèn)為將過(guò)熱器減溫水取水點(diǎn)改到了高加后，原給水泵出口的取水點(diǎn)仍然保留是有必要的。