低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中應(yīng)用的必要性

陸雨非

（上海閔行燃?xì)獍l(fā)電有限公司，上海 200245）

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)是一種先進(jìn)的發(fā)電技術(shù)，可以提高火力發(fā)電廠的熱效率。余熱鍋爐作為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的重要設(shè)備，利用燃機(jī)排氣的高熱量換熱將水變成蒸汽，使過熱蒸汽在汽輪機(jī)里做功，承擔(dān)著燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)之間承上啟下的重要樞紐作用。

低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)位于鍋爐低壓側(cè)，給水預(yù)熱器進(jìn)口與出口之間。以上海某465 MW 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為例，其低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)的投入使用率并不高，文章從安全性和經(jīng)濟(jì)性兩方面探討低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中應(yīng)用的必要性。

1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)安全性

余熱鍋爐腐蝕是實際使用過程中的一項重大問題。低溫腐蝕主要是由于燃料中含有硫，在燃燒過程中將產(chǎn)生SO2。一部分SO2進(jìn)一步氧化成SO3，與煙氣中的水蒸氣反應(yīng)生成硫酸蒸汽[1]。對于無補(bǔ)燃余熱鍋爐來說，尾部受熱面的壁溫并不是特別高。當(dāng)其壁溫低于硫酸蒸汽露點(diǎn)時，受熱面上會凝結(jié)硫酸蒸汽進(jìn)而腐蝕鍋爐管道。

低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)是解決低溫腐蝕的常用手段。給水預(yù)熱器出口的水通過再循環(huán)泵回到給水預(yù)熱器進(jìn)口，以提高給水預(yù)熱器的進(jìn)口水溫，使得煙氣尾部金屬壁面溫度高于硫酸蒸汽的凝結(jié)點(diǎn)，防止受熱面發(fā)生低溫腐蝕。

對于燃?xì)廨啓C(jī)來說，它的主要污染物構(gòu)成為氮氧化物，幾乎沒有氧化硫。甲烷氣體是天然氣的主要成分，水分、灰分含量非常少[2]，在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒筒中燃燒后主要生成CO2和水，并釋放大量熱量。因此，低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)在以天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組中，對余熱鍋爐的安全性保護(hù)并無必要。

2 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)經(jīng)濟(jì)性

基于高級過程模擬（Advanced Process Simulation，APROS）仿真數(shù)字孿生建模，在機(jī)組運(yùn)行中低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)投入及退出情況下，對余熱鍋爐的效率、汽機(jī)的效率等參數(shù)進(jìn)行比較，從經(jīng)濟(jì)性角度探索低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的必要性。

2.1 APROS 模型

APROS 是由芬蘭國家技術(shù)研究中心和芬蘭富騰工程有限公司聯(lián)合開發(fā)的一個用于工業(yè)過程全范圍建模和仿真的軟件，其仿真系統(tǒng)由圖形界面、模型庫、仿真實時數(shù)據(jù)庫、熱力計算庫以及仿真引擎共5 部分組成。其中，熱力計算庫中提供了2 種計算模型，包括一維水、水蒸氣或氣體均質(zhì)流動模型和二維汽水兩相流模型[3]。

APROS 中均質(zhì)流體模型主要包括一維質(zhì)量守恒、動量守恒以及能量守恒方程。

質(zhì)量守恒方程為

式中：x為空間坐標(biāo)，m；t為時間坐標(biāo)，s；ρ為流體密度，kg·m-3；u為沿x方向的速度，m·s-1。

動量守恒方程為

式中：p為壓強(qiáng)，Pa；gx為重力加速度，m·s-2；Fw為避免摩擦力，N。

能量守恒方程為

式中：h為流體比焓，kJ·kg-1；Qw為壁面熱流量，W·m-2。

2.2 泵模型的仿真實現(xiàn)

低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)里最重要的設(shè)備就是再循環(huán)泵，將泵的工作流量設(shè)為Gw、工作壓頭設(shè)為Hw。當(dāng)工作流量Gw=0 時，工作壓頭等于靜壓頭；當(dāng)工作流量Gw＞0 時，隨著流量Gw的增加，系統(tǒng)的總阻力也會隨之增加。泵的工作點(diǎn)由泵的特性曲線和系統(tǒng)的阻力曲線來決定。如果系統(tǒng)總阻力增加，則系統(tǒng)的流量減小[4]。

工作壓頭表達(dá)式為

式中：A為靜壓頭；B、C為動壓頭。當(dāng)系統(tǒng)的設(shè)備、管件和布置確定后，A、B、C可由系統(tǒng)設(shè)備、管件以及布置來決定。

以上海某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為例，其再循環(huán)泵采用的是KSB 生產(chǎn)的離心泵，揚(yáng)程為122.2 m，流量為87.8 t·h-1，功率為55 kW，轉(zhuǎn)速為2 957 r·min-1。圖1 為再循環(huán)泵的仿真模型。

圖1 低壓給水再循環(huán)泵仿真模型

2.3 數(shù)字孿生建模

通過APROS 的仿真模型，構(gòu)建了余熱鍋爐系統(tǒng)、凝汽器系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)模型。通過讀取電廠監(jiān)控信息系統(tǒng)（Supervisory Information System，SIS）平臺采集機(jī)組的數(shù)據(jù)（共140 個測點(diǎn)），實現(xiàn)數(shù)字孿生實時采集并存儲生產(chǎn)數(shù)據(jù)的功能。同理，通過和仿真系統(tǒng)對接接受140 個測點(diǎn)，實現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)實時仿真數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集與存儲，并動態(tài)仿真模擬聯(lián)合循環(huán)機(jī)組部分的負(fù)荷工況。將物理設(shè)備的各種屬性映射到虛擬空間中，可形成可拆解、可復(fù)制、可轉(zhuǎn)移、可修改、可刪除、可重復(fù)操作的數(shù)字鏡像，將因客觀條件受限制（如商投機(jī)組必須依賴真實物理實體）而無法完成的操作變成可能，如模擬仿真、虛擬裝配等[5]。圖2、圖3、圖4 分別為上海某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組總貌、汽輪機(jī)和余熱鍋爐的數(shù)字孿生畫面。

圖3 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽輪機(jī)數(shù)字孿生

圖4 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐數(shù)字孿生

2.4 仿真結(jié)果

在熱耗率驗收（Turbine Heat Acceptance，THA）工況下，通過仿真模型和數(shù)字孿生進(jìn)行投入/退出低壓給水再循環(huán)的變工況仿真，得到在同一負(fù)荷下余熱鍋爐的重要參數(shù)和汽輪機(jī)效率在低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)投入/退出情況下的偏差，數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)投入/退出節(jié)能效益分析

由表1 可知：在相同負(fù)荷下，當(dāng)?shù)蛪航o水再循環(huán)系統(tǒng)投入時，余熱鍋爐尾部排煙溫度得到提升，對低溫腐蝕能夠提供幫助，但是余熱鍋爐效率有所下降；在相同負(fù)荷下，高壓蒸發(fā)量僅微弱增加，中壓蒸發(fā)量和低壓蒸發(fā)量分別下降0.20 kg·s-1和0.34 kg·s-1，汽機(jī)功率在模型計算中也下降了0.12 MW。由此可見，經(jīng)過仿真模型和數(shù)字孿生的計算，低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)的投入不僅不能提高余熱鍋爐和汽輪機(jī)的功率，反而會降低其功效。從性能優(yōu)化角度分析，此系統(tǒng)并無投入必要。

低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)兩臺55 kW 泵的電機(jī)在投入后同時會提高用電量，同時日常的運(yùn)營維護(hù)需要人力成本和維護(hù)成本。如果從設(shè)計初始便舍棄給水再循環(huán)系統(tǒng)，能夠減去買泵的費(fèi)用、測點(diǎn)變送器和閥門的費(fèi)用。從節(jié)能增效角度來看，不投入低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)是更好的選擇。

3 結(jié)語

文章從安全性和經(jīng)濟(jì)性兩個角度分析了低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中應(yīng)用的必要性。通過分析燃?xì)廨啓C(jī)電廠的排放物得出，其成分主要為氮氧化物，由于硫化物引起的低溫腐蝕在以天然氣為燃料的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中可以忽略不計，在安全性上低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)對保護(hù)鍋爐設(shè)備并無必要。另外，通過建模和數(shù)字孿生列出了低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)投/退情況下鍋爐效率和汽機(jī)功率的偏差，得到以下結(jié)論：在低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)投入后，對機(jī)組的整體功效并沒有提升反而略有降低。從節(jié)能降本角度分析，建議不投入此系統(tǒng)。可見，在安全性和經(jīng)濟(jì)性兩方面分析后可知，低壓給水再循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用的必要性并不充分。