超超臨界機(jī)組電廠熱力系統(tǒng)優(yōu)化措施

文_王麗花 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司

1 概述

某電廠工程廠址位于廣東某地，在一期建成投產(chǎn)的1、2號(hào)機(jī)組東南側(cè)的3、4號(hào)機(jī)組預(yù)留用地上進(jìn)行建設(shè)。本期將建設(shè)2臺(tái)1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。本工程推薦汽輪機(jī)采用超超臨界、二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)，十二級(jí)回?zé)岢槠?，汽機(jī)進(jìn)汽參數(shù)為32Mpa/605℃/622℃/621℃。

2 熱力系統(tǒng)概況及優(yōu)化措施

2.1 主蒸汽、再熱蒸汽及旁路系統(tǒng)

2.1.1 本系統(tǒng)優(yōu)化措施

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，蒸汽初壓每提高1MPa，汽機(jī)熱耗可降低約0.13%～0.16%。因此在不影響現(xiàn)有關(guān)鍵材料選擇和主機(jī)廠制造能力的前提下，盡量提高主汽參數(shù)將有利于進(jìn)一步提高機(jī)組效率。主汽壓力的選取應(yīng)考慮鍋爐過(guò)熱器出口集箱的加工制造、過(guò)熱器出口安全閥的選取，主汽管道的應(yīng)力計(jì)算準(zhǔn)則，以及兼顧給水泵、高加和閥門(mén)的選型與制造，在現(xiàn)有情況下，汽機(jī)VWO進(jìn)汽壓力最大約可到32.11MPa（a）。目前經(jīng)咨詢(xún)主機(jī)廠，推薦的主汽壓力最高為32MPa。相比雷州和河源項(xiàng)目，THA工況進(jìn)汽壓力提高了約2MPa，可減低汽機(jī)熱耗率約21kJ/kWh。

主蒸汽溫度每提高10℃，汽機(jī)熱耗率可降低0.25%～0.30%。如主汽溫度提高5℃，則可影響0.12%～0.15%的汽機(jī)熱耗率。因此，在目前的主汽壓力水平和相關(guān)制約因素影響下，可以進(jìn)一步提高主汽溫度，且不引起主機(jī)價(jià)格的顯著變化。推薦本工程主汽溫度采用605℃。再熱蒸汽溫度每提高10℃，機(jī)組的熱耗率就可下降0.15%～0.20%，而二次再熱機(jī)組的一次、二次再熱汽溫若均提高10℃，則機(jī)組整體熱耗率可降低20kJ/kWh。

綜上所述，本階段綜合考慮選取汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)32MPa/605/622/621℃，相比31MPa/600℃/620℃/620℃的常規(guī)方案，熱耗降低約19kJ/kWh。鍋爐造價(jià)上基本不變，汽機(jī)需增加約30萬(wàn)元，四大管道需增加 547萬(wàn)元（不含稅），按標(biāo)煤價(jià)857元/t測(cè)算，靜態(tài)回收年限2.05a。

2.1.2 背壓優(yōu)化

由汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)與冷端各參數(shù)的相關(guān)性可知，提高蒸汽初參數(shù)和降低汽輪機(jī)蒸汽冷端參數(shù)（排汽壓力和排汽溫度）是提高機(jī)組熱效率的主要途徑。當(dāng)汽輪機(jī)初參數(shù)一定時(shí)，降低汽輪機(jī)蒸汽冷端參數(shù)（排汽壓力和排汽溫度），可以增加汽輪機(jī)蒸汽理想焓降，減少冷源損失，提高循環(huán)的熱效率。汽輪機(jī)冷端參數(shù)的設(shè)計(jì)不僅與低壓缸形式的設(shè)計(jì)與選擇有關(guān)，還與凝汽器、供水系統(tǒng)（循環(huán)水泵配置、循環(huán)水管溝及建（構(gòu)）筑物、冷卻設(shè)備）的設(shè)計(jì)與選擇有著不可分割的密切關(guān)系。通過(guò)冷端優(yōu)化論證，確定凝汽器運(yùn)行背壓為5.11kPa，能極大提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、合理減小循環(huán)水系統(tǒng)投資及循環(huán)水泵電耗，綜合成本低。相比該項(xiàng)目可研5.25kPa背壓，降低了0.14kPa，可降低熱耗5.6kJ/kWh。

選擇合適的管道材料、管路根數(shù)，優(yōu)化汽機(jī)房布置，采用合并除氧間的布置方案，汽機(jī)房跨度由常規(guī)配置除氧間布置方案的跨度縮短了4.5～7m，減少高溫高壓管道初投資的同時(shí)，降低管系阻力，提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。優(yōu)化管道規(guī)格，合理布置管道，盡可能選用低阻力系統(tǒng)的管件(如彎管、Y型三通等)，結(jié)合優(yōu)化主廠房布置，減少管道敷設(shè)長(zhǎng)度，從而降低管道壓降，將主蒸汽系統(tǒng)壓降由常規(guī)的5%減低到4%，可降低熱耗8kJ/kWh；一次再熱系統(tǒng)壓降由6%降低至5.3%，二次再熱系統(tǒng)壓降由常規(guī)10%降低至8.2%，可降低熱耗12.5kJ/kWh。

設(shè)置高壓疏水?dāng)U容器，高能量的疏水首先在高壓疏水?dāng)U容器內(nèi)減溫、擴(kuò)容消能后再排入凝汽器。將主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道疏水閥的啟閉由用機(jī)組設(shè)定負(fù)荷控制改用蒸汽溫差控制，可以大大縮短主蒸汽、再熱蒸汽管道疏水進(jìn)入高壓疏水?dāng)U容器的時(shí)間。

2.2 給水系統(tǒng)

優(yōu)化運(yùn)行給水泵配置型式,推薦采用100%容量汽動(dòng)給水泵組，與抽背式給水泵汽輪機(jī)匹配。由于本期工程為擴(kuò)建機(jī)組，因抽背式小機(jī)啟動(dòng)蒸汽所需參數(shù)較高，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)輔助蒸汽汽源接自老廠冷段。因此不設(shè)電動(dòng)啟動(dòng)給水泵，既節(jié)省投資，又滿(mǎn)足啟動(dòng)要求。

根據(jù)最新設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合本工程特點(diǎn)，推薦采用單列集箱式高加，集箱式高加取消厚管板，采用壁厚較薄的集箱式結(jié)構(gòu)，在管板鉆孔、熱應(yīng)力、升降溫控制、可靠性方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，在較高的設(shè)計(jì)壓力下且可采用單列配置，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行檢修維護(hù)方便。采用立式高加的布置方案，前4臺(tái)高壓加熱器集中布置，立式高加布置于機(jī)頭于抽背式小機(jī)之間，抽汽管道長(zhǎng)度較常規(guī)臥式高加的抽汽管道長(zhǎng)度大幅減少，降低抽汽管道阻力。

2.3 抽汽系統(tǒng)優(yōu)化

本工程由于采用抽背式給水泵汽輪機(jī)的雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)，在10級(jí)回?zé)岬幕A(chǔ)上再增加兩級(jí)回?zé)嵯到y(tǒng)，整個(gè)機(jī)組的回?zé)嵯到y(tǒng)為12級(jí)回?zé)嵯到y(tǒng)，可以進(jìn)一步提升機(jī)組的效率，經(jīng)過(guò)計(jì)算，相比10級(jí)常規(guī)無(wú)雙機(jī)回?zé)岱桨?，可降低熱耗?7kJ/kWh，動(dòng)態(tài)回收期3.5a。

相比常規(guī)回?zé)嵯到y(tǒng)方案，本工程雙機(jī)回?zé)狁詈习l(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)：小汽輪汽源為超高壓缸排汽，這部分蒸汽將不再進(jìn)入再熱系統(tǒng)，顯著地減少了進(jìn)入一、二次再熱系統(tǒng)的蒸汽流量，一次再熱流量降低約23%，二次再熱流量降低約10%，一次、二次再熱系統(tǒng)容量和鍋爐再熱系統(tǒng)受熱面可大幅減?。粸楸ＷC大汽輪機(jī)出力不變，過(guò)熱蒸汽流量增加約9%。高壓給水系統(tǒng)容量、主蒸汽系統(tǒng)容量和鍋爐過(guò)熱系統(tǒng)受熱面需加大；主汽輪機(jī)超高、高壓缸無(wú)回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽口，有利于確保缸體制造精度、保證整體缸效；主汽輪機(jī)低壓缸進(jìn)汽量和排汽量增大約12%。常規(guī)回?zé)嵯到y(tǒng)計(jì)入給水泵汽輪機(jī)凝汽量后，與雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的總凝汽量持平；2～5號(hào)高壓加熱器的回?zé)岢槠麃?lái)自小汽輪機(jī)，2～5段抽汽的過(guò)熱度降低180～200℃，不設(shè)置蒸汽冷卻器，可大幅降低高壓抽汽管道、高壓加熱器、和蒸汽冷卻器造價(jià)；小汽輪機(jī)設(shè)置5級(jí)抽汽1級(jí)排汽，設(shè)置1級(jí)混合式加熱除氧器，加熱蒸汽來(lái)自于小汽輪機(jī)第五級(jí)抽汽；由于小汽輪機(jī)抽汽需提供足夠的抽汽量，以滿(mǎn)足提升給水溫度的需求，所需的蒸汽經(jīng)抽背式小汽輪機(jī)做功后，軸系的輸出功率在各負(fù)荷工況下超出了給水泵提升給水壓力的需求，因此抽背式給水泵汽輪機(jī)軸系將出現(xiàn)軸系功率不平衡，需要設(shè)置小發(fā)電機(jī)用于不平衡功率的消納；采用本系統(tǒng)后，高壓抽汽系統(tǒng)有用功損失減少，結(jié)合抽背式給水泵汽輪機(jī)通流設(shè)計(jì)優(yōu)化，小汽輪機(jī)閥門(mén)全開(kāi)時(shí)，汽缸效率可提升為90%。經(jīng)汽機(jī)廠核算，THA工況下機(jī)組可降低熱耗率約47kJ/kWh。

2.4 凝結(jié)水系統(tǒng)

系統(tǒng)采用2×100%容量的立式定速凝結(jié)水泵配置電機(jī)變頻設(shè)備，1臺(tái)軸封冷卻器，5臺(tái)低壓加熱器，1臺(tái)內(nèi)置式除氧器。7、8、9、10號(hào)低壓加熱器為臥式、雙流程、表面式加熱器；9、10號(hào)雙列低壓加熱器置于凝汽器喉部與凝汽器成為一體。凝結(jié)水泵1臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用，當(dāng)任何1臺(tái)泵發(fā)生故障時(shí)，備用泵自動(dòng)啟動(dòng)投入運(yùn)行。凝泵進(jìn)口管道上設(shè)置電動(dòng)隔離閥、濾網(wǎng)及波形膨脹節(jié)，出口管道上設(shè)置逆止閥和電動(dòng)隔離閥。軸封冷卻器設(shè)置部分流量旁路， 11、12號(hào)低加設(shè)置大旁路系統(tǒng)。

凝結(jié)水系統(tǒng)采用中壓凝結(jié)水精處理系統(tǒng)，不設(shè)凝結(jié)水升壓泵。凝汽器熱井中的凝結(jié)水由凝結(jié)水泵升壓后，經(jīng)中壓凝結(jié)水精處理裝置、汽封冷卻器、六臺(tái)低壓加熱器后進(jìn)入除氧器。本工程推薦采用兩臺(tái)全容量的國(guó)產(chǎn)凝結(jié)水泵，一拖二變頻。

優(yōu)選除氧器型式。除氧器現(xiàn)分為傳統(tǒng)型式與內(nèi)置式除氧器。內(nèi)置式除氧器與傳統(tǒng)除氧器主要性能對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可知，內(nèi)置式除氧器相對(duì)于常規(guī)除氧器有結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、熱效率高、排汽損失小、減少占用空間和主廠房體積以及基建費(fèi)用的特點(diǎn)。因此，推薦采用內(nèi)置式除氧器。除氧器給水箱的貯水量按《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50660-2011)取值，按5min的鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量時(shí)的給水消耗量考慮。

表1 內(nèi)置式除氧器與傳統(tǒng)除氧器主要性能對(duì)比

由于內(nèi)置式除氧器在儲(chǔ)水段下部布置較多的蒸汽排管加熱儲(chǔ)水，使之沸騰進(jìn)行深度除氧，完全能夠滿(mǎn)足除氧器啟動(dòng)要求。因此，取消除氧器循環(huán)泵，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，節(jié)省初投資和運(yùn)行維修費(fèi)用。凝汽器補(bǔ)水采用化水車(chē)間直接補(bǔ)水，取消凝結(jié)水補(bǔ)水箱及補(bǔ)充水泵。正常運(yùn)行時(shí)化學(xué)儲(chǔ)水箱補(bǔ)水可自流入凝汽器，節(jié)省廠用電。

2.5 輔助蒸汽系統(tǒng)

每臺(tái)機(jī)組輔助蒸汽系統(tǒng)設(shè)置了1臺(tái)5m3的輔汽疏水?dāng)U容器以回收輔汽系統(tǒng)的疏水。輔助蒸汽系統(tǒng)的疏水全部接入疏水?dāng)U容器。疏水?dāng)U容器排水分二路，當(dāng)水質(zhì)合格時(shí)排入凝汽器以回收工質(zhì)，不合格時(shí)接入鍋爐放水母管排放至機(jī)組排水槽。本工程考慮設(shè)置鄰機(jī)加熱系統(tǒng)，通過(guò)臨機(jī)蒸汽加熱給水，滿(mǎn)足不點(diǎn)火進(jìn)行鍋爐冷、熱態(tài)清洗水溫要求，從而降低機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用。

2.6 加熱器疏水及放氣系統(tǒng)

本系統(tǒng)優(yōu)化措施：①事故疏水閥考慮設(shè)置快開(kāi)氣動(dòng)關(guān)斷閥，減小正常運(yùn)行時(shí)高加疏水內(nèi)漏，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性?？紤]到疏水調(diào)節(jié)閥的可靠性很高，在保證系統(tǒng)安全可靠的前提下，建議取消1、2、3、4、5號(hào)高加正常疏水調(diào)閥后隔離門(mén)、7、8、9、10號(hào)低加正常疏水調(diào)閥后隔離門(mén)，減少了中低壓閥門(mén)重量。②除氧器連續(xù)運(yùn)行排汽由傳統(tǒng)的大氣排放，改為回收至凝汽器，回收介質(zhì)。

2.7 抽真空系統(tǒng)

本系統(tǒng)優(yōu)化措施：①將雙背壓凝汽器高、低壓側(cè)分別抽真空。對(duì)于雙背壓，水環(huán)真空泵和羅茨-真空泵分別對(duì)應(yīng)高、低壓側(cè)進(jìn)行抽吸，對(duì)維持高、低壓側(cè)各自的背壓有較好的效果，增加機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。②設(shè)置2臺(tái)輔助羅茨-真空泵+2×50%水環(huán)式真空泵。相比常規(guī)3×50%水環(huán)真空泵，機(jī)組運(yùn)行時(shí)僅運(yùn)行兩臺(tái)羅茨-真空泵，降低電負(fù)荷210kW。且羅茨-真空泵出力不受冷卻水溫的影響，確保在夏季工況，真空泵能夠維持出力，使得凝汽器在夏季工況達(dá)到設(shè)計(jì)背壓。

2.8 輔機(jī)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

本系統(tǒng)優(yōu)化措施： ①精確計(jì)算輔機(jī)冷卻水量及系統(tǒng)阻力，合理選擇閉式冷卻水泵容量及揚(yáng)程，提高泵實(shí)際運(yùn)行效率，使其盡量靠近高效區(qū)運(yùn)行。②采用變頻閉式冷卻水泵。③為保證真空泵運(yùn)行效率，采用溫度較低的海水進(jìn)行冷卻。冷卻水接至水水換熱器的入口濾水器后的管道，電動(dòng)濾水器自動(dòng)反沖洗，實(shí)時(shí)排除冷卻水中的雜質(zhì)，從而保證真空泵的冷卻水質(zhì)。

2.9 其它

設(shè)備、管道的有壓放水排至輔汽疏水?dāng)U容器，無(wú)壓放水接至汽機(jī)房A列外工業(yè)廢水管道經(jīng)處理后回收利用；各種沖洗水排水及主廠房?jī)?nèi)含油廢水送至水工專(zhuān)業(yè)集中處理，以回收利用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文所述熱力系統(tǒng)的優(yōu)化措施是在總結(jié)以往工程成熟的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合最新設(shè)計(jì)的高效1000MW超超臨界機(jī)組項(xiàng)目(陸豐甲湖灣、大唐雷州、廣東河源等)設(shè)計(jì)情況的基礎(chǔ)上提煉出來(lái)的。

下一階段還可以結(jié)合工程的實(shí)際情況以及業(yè)主的具體要求做更加深入細(xì)致的優(yōu)化工作，達(dá)到減少能耗、高效環(huán)保、節(jié)省投資、降低成本，提高能源綜合利用效率的目的。在保證機(jī)組的可靠性、安全性的前提下，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、維護(hù)方便以及以人為本，可持續(xù)性共同和諧發(fā)展。