直接空冷乏汽提質(zhì)供熱系統(tǒng)變工況特性研究

邢 岳，譚浩藝，裴東升，王東波，范誠豪

（1. 安徽淮南平圩發(fā)電有限責任公司，安徽 淮南 232000；2. 華能（上海）電力檢修有限責任公司，上海 200942；3. 中國電力工程顧問集團華北電力設(shè)計院有限公司，北京 100120；4. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責任公司，上海 200240）

0 引言

中國北方的城市供暖仍然以集中式供應(yīng)為主［1］，城市集中式供暖的熱源主體來源于燃煤機組，燃機、核電、生物質(zhì)或垃圾焚燒機組在城市供暖中占比較低［2］。燃煤機組對城市供暖的方式主要采用抽凝供熱和抽背供熱，即部分在汽輪機內(nèi)做完功的蒸汽用于城市供暖的熱網(wǎng)循環(huán)水加熱［3］。從能源轉(zhuǎn)換效率的角度來看，利用汽輪機的冷源熱量供熱是熱電轉(zhuǎn)換過程中最高的一種方式。對濕冷機組而言，由于冷端排汽壓力低，對應(yīng)的排汽飽和壓力通常為5 kPa左右，該壓力下加熱的循環(huán)水溫上限約為33 ℃，常規(guī)的方法是將汽輪機的排汽壓力提高，然后通過汽輪機中壓缸的排汽加熱循環(huán)水至90～100 ℃并對外供熱。濕冷機組普遍經(jīng)濟的供熱方式采用“高背壓+首站尖峰”加熱，實現(xiàn)的技術(shù)路線為雙轉(zhuǎn)子或循環(huán)水熱泵提溫兩種。由于直接空冷機組的冷端特性和葉片的選型可以實現(xiàn)比濕冷機組更高背壓的運行，也意味著可利用乏汽能級更高，對熱電聯(lián)產(chǎn)的循環(huán)效率提升更大。目前，間接空冷機組的高背壓供熱與濕冷機組采用的技術(shù)路線相似，而直接空冷機組的高背壓供熱方式采用單獨設(shè)立高背壓凝汽器，用于加熱城市熱網(wǎng)的循環(huán)回水。由于熱網(wǎng)的循環(huán)回水溫度通常是40～50 ℃，單獨設(shè)立的高背壓凝汽器的運行壓力對應(yīng)的飽和溫度需要高于循環(huán)回水溫度，才能實現(xiàn)熱網(wǎng)回水進一步加熱升溫，所以，直接空冷機組普遍采用關(guān)閉部分直接空冷島換熱單元風機的方式來實現(xiàn)高背壓的供熱或采用高背壓與乏汽引射加熱梯級聯(lián)合供熱［4-6］。

本文將以現(xiàn)有的“直接空冷高背壓+乏汽提質(zhì)”供熱方式為基礎(chǔ)，研究不同負荷下空冷島背壓、汽輪機出力、噴射器引射比等重要指標的特性變化，為直接空冷乏汽提質(zhì)供熱系統(tǒng)的運行和控制提供理論支撐。

1 概述

某發(fā)電廠2×660 MW 直接空冷機組設(shè)計為抽凝供熱機組，汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產(chǎn)的NZK660-24.2/566/566 型超臨界一次中間再熱、單軸、三缸四排汽直接空冷凝汽式汽輪機，機組額定功率660 MW，排汽壓力13 kPa，末級葉片長度680 mm。機組設(shè)計原供熱方式采用汽輪機中低壓聯(lián)通管抽汽加熱城市熱網(wǎng)循環(huán)水方式。熱網(wǎng)首站設(shè)計4 臺表面式換熱器，配套4 臺熱網(wǎng)循環(huán)水泵，配套2臺背壓式小汽輪機發(fā)電系統(tǒng)，小汽輪機汽源也來自于中低壓聯(lián)通管抽汽，小汽輪機排汽進入熱網(wǎng)首站。發(fā)電廠在供熱初期熱網(wǎng)回水約為40 ℃，供熱中期的回水約為44 ℃，由于熱網(wǎng)回水溫度過低，為保證機組進一步帶負荷、頂尖峰能力和運行安全，空冷單元的關(guān)閉與熱網(wǎng)回水溫度之間的矛盾始終無法將高背壓運行壓力提高至設(shè)計值，在供暖季高背壓的平均運行壓力為18 kPa。為了解決上述機組發(fā)電能力與供熱經(jīng)濟性之間的矛盾，發(fā)電廠將現(xiàn)有“高背壓+尖峰首站”的供熱方式改造為“高背壓+乏汽提質(zhì)+尖峰首站”三級聯(lián)合供熱的方式。

2 乏汽提質(zhì)供熱技術(shù)

直接空冷機組在“乏汽高背壓+首站尖峰”加熱的基礎(chǔ)上，進一步提升機組效率的方向是在中壓缸排汽壓力與乏汽壓力之間選擇一個中間壓力等級的蒸汽用于加熱循環(huán)水，實現(xiàn)熱網(wǎng)循環(huán)水的梯級加熱。由于汽輪機熱力系統(tǒng)中低壓加熱器抽汽的口徑限制，無法進一步利用汽輪機低壓抽汽來加熱高背壓換熱器之后的熱網(wǎng)循環(huán)水。蒸汽噴射壓縮是將高品質(zhì)的蒸汽通過噴嘴加速至音速或超音速，通過蒸汽絕對壓力的大幅下降，來引射和卷吸低壓蒸汽，通過后部的混合和擴壓，進一步提升蒸汽壓力，實現(xiàn)兩股蒸汽的混合和升壓。蒸汽噴射器為現(xiàn)有供熱方式進一步優(yōu)化提供很好的解決方法。通過蒸汽噴射器將現(xiàn)有高背壓空冷島的乏汽通過動力蒸汽噴射后抽出，并進一步提壓，提升壓力后的乏汽可以將熱網(wǎng)循環(huán)水加熱至更高的溫度等級，進一步降低原有熱網(wǎng)首站尖峰加熱的高品質(zhì)蒸汽消耗，相應(yīng)排擠的高品質(zhì)蒸汽可以返回至汽輪機低壓缸進一步發(fā)電，降低機組的熱耗。圖1所示為直接空冷乏汽提質(zhì)梯級供暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)中高背壓乏汽加熱為第一級加熱，乏汽提質(zhì)為第二級加熱，發(fā)電廠現(xiàn)有的調(diào)峰電鍋爐系統(tǒng)為第三級加熱（根據(jù)調(diào)峰需要時，可以替代尖峰加熱器），尖峰加熱為第四級加熱。該系統(tǒng)可以使機組靈活參與調(diào)峰，也可以進一步提升機組供熱效率。

圖1 直接空冷乏汽提質(zhì)梯級供暖系統(tǒng)Fig.1 The direct air-cooling exhaust steam extraction cascade heat supply system

實現(xiàn)上述乏汽提質(zhì)供熱技術(shù)的核心是蒸汽噴射器，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。噴射器主要包含噴嘴、接受室、混合室及擴壓室，其工作原理為：高壓的工作流體通過噴嘴形成亞音速、音速或超音速流體，進入接受室，建立接受室內(nèi)低壓環(huán)境，從而引射來自低壓的引射流體，兩股流體在混合室內(nèi)混合，進行動量的交換及能量的傳遞，之后，混合流體進入擴壓室，經(jīng)擴壓室進一步提升流體壓力，抵達噴射器出口，以實現(xiàn)提升流體壓力的目的。

圖2 蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of steam injector structure

根據(jù)蒸汽噴射器的工作原理［7］，在各結(jié)構(gòu)參數(shù)已定的條件下，噴射器內(nèi)部流體的流動存在極限狀態(tài)。所謂極限狀態(tài)，包含了流體流動特性，具體指流體通過既定截面產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象，此時流體達到音速，流體流量不隨出口壓力的降低而增大。當噴射器出口壓力pc，out低于臨界背壓pcrit時，工作流體與引射流體都達到極限狀態(tài)，產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象。此時，若改變噴射器出口背壓，噴射器工作流體與引射流體的流量皆保持不變。當噴射器出口壓力pc，out高于臨界背壓pcrit時，噴射器只有工作流體達到極限狀態(tài)，引射流體未產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象，隨著噴射器出口背壓的提高，引射流體流量降低，噴射器引射系數(shù)急劇下降至0，甚至產(chǎn)生倒流，即失效狀態(tài)。

蒸汽噴射壓縮器主要用于制冷工質(zhì)壓縮［8］、海水淡化蒸汽壓縮混合［9］、真空引射等［10］，對直接空冷乏汽的壓縮應(yīng)用較少。由于乏汽比容較大，用于熱網(wǎng)加熱的蒸汽噴射器幾何尺寸較大，給設(shè)備的設(shè)計、制造、安裝帶來很多困難。目前，國內(nèi)相關(guān)設(shè)備廠家可以設(shè)計和制造中、小型蒸汽噴射器［11-13］，但大型蒸汽噴射器的性能設(shè)計和制造仍然依賴于進口。

3 乏汽提質(zhì)供熱系統(tǒng)建模

為了研究乏汽提質(zhì)供熱系統(tǒng)的變工況特性，根據(jù)發(fā)電廠汽輪機熱力系統(tǒng)和熱網(wǎng)系統(tǒng)主要參數(shù)建立對應(yīng)的仿真計算模型。仿真計算工具采用商業(yè)軟件Ebsilon Professional，變工況計算采用汽輪機組件內(nèi)置的Stodola Eclipse模型，采用與設(shè)計熱平衡中相似的級組效率變化曲線進行仿真計算，模型遵循了以下幾個邊界條件。

1）尖峰首站加熱方式為兩臺機組共用，熱網(wǎng)循環(huán)水量可以分配調(diào)節(jié)。為保證熱網(wǎng)出水溫度保持90 ℃不變，調(diào)節(jié)乏汽提質(zhì)凝汽器和高背壓凝汽器的循環(huán)水量以控制尖峰首站出口熱網(wǎng)循環(huán)水溫度，額定負荷下熱網(wǎng)循環(huán)水量為6 500 t/h。

2）模型設(shè)計工況下，兩側(cè)空冷島凝汽器的背壓分別為18 kPa 和13 kPa，每側(cè)空冷島布置4 列，每列空冷凝汽器換熱面積為33 967 m2。空冷單元風機設(shè)定為定速額定功率，變工況條件下電功率不變，空冷島凝汽器的背壓只隨排汽熱負荷和換熱面積變化而變化，換熱器表面清潔系數(shù)為1并假定不變。

3）背壓小汽輪機進汽壓力低于0.2 MPa時，停運小汽機。

4）蒸汽噴射器設(shè)計工況下引射比1.02，壓縮比1.96。

為掌握空冷島背壓和蒸汽噴射器變工況運行特性和工作點，根據(jù)上述建模計算邊界條件分別仿真計算了100%THA（熱耗率驗收）、80%THA、70%THA、60%THA、50%THA 和40%THA 等工況。空冷島的運行方式與乏汽提質(zhì)系統(tǒng)需要相互匹配，當高負荷下汽輪機排汽量大時，減少關(guān)閉的空冷單元的數(shù)量，可以保證合理的背壓；低負荷下汽輪機排汽量減少時，背壓降低，通過停用部分空冷單元控制合理的高背壓；保證供熱系統(tǒng)經(jīng)濟性。根據(jù)變工況計算結(jié)果，確定空冷島停運換熱單元與背壓的特性關(guān)系，協(xié)調(diào)乏汽提質(zhì)供熱系統(tǒng)和蒸汽噴射器的工作點。

4 乏汽提質(zhì)供熱系統(tǒng)變工況特性

4.1 空冷島變工況特性

直接空冷島的背壓特性受環(huán)境溫度［14］、換熱器布置結(jié)構(gòu)［16］、風機運行控制方式［17］、蒸汽分配方式［15］等影響顯著，本文主要研究環(huán)境溫度、換熱器結(jié)構(gòu)不變，整列換熱單元風機啟停方式下，蒸汽流量和壓力的變工況特性。在空冷島換熱單元運行數(shù)量保持不變的條件下，隨著汽輪機進汽流量下降，空冷島背壓成近似線性下降，高背壓側(cè)從100%THA時的18 kPa下降至40%THA時的6.3 kPa，低背壓側(cè)從100%THA 時的13 kPa 下降至3.5 kPa，如圖3 所示。隨著高背壓側(cè)空冷島蒸汽壓力的下降，進入供熱系統(tǒng)的乏汽利用量減少，在熱網(wǎng)回水溫度不變的條件下，高背壓凝汽器和乏汽提質(zhì)的蒸汽噴射器可以抽取的量越來越少。因此，在低負荷下，必須提高空冷島背壓才能提升用于供熱系統(tǒng)的乏汽量，在熱網(wǎng)循環(huán)水不變的前提下，通過關(guān)閉空冷島換熱單元數(shù)量可以實現(xiàn)背壓的調(diào)節(jié)。

圖3 不同負荷工況下空冷島背壓、流量的特性Fig.3 Characteristics of backpressure and flow rate of aircooling island under different load conditions

在50%THA和40%THA工況下分別模擬計算了關(guān)閉不同空冷島換熱單元下背壓和空冷島進汽量的變化特性，如圖4和圖5所示。隨著空冷島換熱單元的關(guān)閉數(shù)量增加，高背壓側(cè)的背壓在關(guān)閉2列后指數(shù)級上升，而低背壓側(cè)在未關(guān)閉換熱單元下，背壓基本保持穩(wěn)定。在高背壓A側(cè)，50%THA下關(guān)閉2列換熱單元，背壓升高至17.7 kPa；關(guān)閉3列換熱單元，背壓升高至46.3 kPa。40%THA 下關(guān)閉2 列換熱單元，背壓升高至13.7 kPa；關(guān)閉3 列換熱單元，背壓升高至43.2 kPa。

圖4 空冷島換熱單元數(shù)量與背壓的特性Fig.4 Characteristics of the number of heat exchanger units and backpressure in the air-cooling island

圖5 空冷島換熱單元數(shù)量與空冷島進汽量的特性Fig.5 Characteristics of the number of heat exchanger units and steam intake in air-cooling island

隨著空冷島換熱單元的關(guān)閉數(shù)量增加，高背壓A側(cè)的空冷島進汽流量下降，低背壓B側(cè)的空冷島進汽流量線性上升。造成這一現(xiàn)象的主要原因是隨著高背壓側(cè)壓力提高，供熱系統(tǒng)的乏汽利用量上升，排擠了原來尖峰首站中加熱蒸汽，返回汽輪機低壓缸做功，乏汽利用量越大，空冷島的進汽量越大。這也解釋了空冷島運行背壓的提高使乏汽利用效率提高，排擠高品質(zhì)汽輪機抽汽，汽輪機出力增大，整體提高了供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

4.2 供熱系統(tǒng)變工況特性

乏汽提質(zhì)供熱系統(tǒng)在維持相同供熱負荷下，如圖6所示，隨著汽輪機負荷不斷下降，熱電比從100%THA 的60.8%上升至40%THA 的148%，電功率從527.5 MW 下降至216.9 MW，汽輪機的熱耗從7 060 kJ/kWh 顯著下降至4 119.4 kJ/kWh。如圖7所示，在維持供熱負荷321 MW時，熱力系統(tǒng)中排蒸汽的消耗量從100%THA的78.92 kg/s上升至40%THA 的109.2 kg/s。從圖8 供熱系統(tǒng)中各換熱器的換熱功率變化可以看出，隨著汽輪機負荷下降，在空冷島的運行方式保持不變的情況下，背壓下降；同時，高背壓凝汽器的功率越來越小，首站尖峰換熱器的中排抽汽量越來越大。雖然熱耗在顯著下降，但是熱耗下降主要是由于熱電比上升，整體的供熱效率是下降的，供熱系統(tǒng)中消耗的高品質(zhì)中壓排汽量越大，對乏汽進行提質(zhì)的蒸汽噴射器因為乏汽背壓越來越低，噴射器的抽吸能力不斷下降，乏汽利用量不斷減少。因此，低負荷下必須結(jié)合空冷島換熱單元的停運才能進一步提高供熱效率。

圖6 汽輪機熱耗變工況特性Fig.6 Variable operating characteristics of heat consumption of steam turbine

圖7 蒸汽流量變工況特性Fig.7 Variable operating characteristics of seam flow

圖8 供熱系統(tǒng)各換熱器功率變工況特性Fig.8 Variable operating characteristics of heat exchanger power in the heat supply system

圖9 表明，在40%THA 下關(guān)閉空冷島換熱單元數(shù)量可以顯著提高乏汽利用率，高背壓凝汽器換熱功率可以明顯提高，首站尖峰換熱器功率顯著下降，乏汽提質(zhì)凝汽器功率近似不變，供熱效率進一步提升。但是40%THA 工況下，關(guān)閉3 列空冷島時，背壓已經(jīng)提升至43 kPa，超過了機組安全運行報警值40 kPa，因此，40%THA 運行推薦采用關(guān)閉2列空冷島換熱單元，維持13.7 kPa的背壓是比較經(jīng)濟和安全的運行方式。

圖9 40%THA空冷島換熱單元與換熱器功率的特性關(guān)系Fig.9 Characteristic relationship between heat exchanger unit and heat exchanger power in air-cooling island at 40% THA

4.3 噴射器變工況特性

乏汽提質(zhì)供熱系統(tǒng)中噴射器的引射性能隨背壓的不斷下降，引射性能不斷下降。如圖10所示，從100%THA下引射比1.02下降至50%THA下的0.7，但是40%THA下引射比上升至0.75；壓縮比性能特性與引射比特性正好相反，從100%THA下的壓縮比1.9 上升至50%THA 下的2.68，然后下降至40%THA 下的2.43。40%THA 下相比50%THA時引射性能有所上升的主要原因為：噴射器驅(qū)動蒸汽壓力在50%THA以上均能夠保持額定0.35 MPa，40%THA下則下降至0.18 MPa，而乏汽壓力在50%THA 下為8.2 kPa，40%THA 下則為6.3 kPa；過程壓縮比相對下降使引射性能相比50%THA時要有所提高。

圖10 噴射器變工況特性Fig.10 Variable operating characteristics of injector

40%THA時，噴射器在空冷島換熱單元逐步關(guān)閉下，如圖11 所示，引射比從未關(guān)閉的0.754上升至關(guān)閉3 列的1.1，壓縮比從2.42 下降至1.6，空冷背壓從未關(guān)閉時的6.3 kPa 上升到43.2 kPa，噴射器的引射性能明顯提升，這一特性規(guī)律與圖8中供熱系統(tǒng)各級換熱器功率提升的規(guī)律是一致且對應(yīng)的?？绽鋶u關(guān)閉換熱單元可以改變噴射器引射性能的仿真結(jié)果表明，乏汽提質(zhì)供熱系統(tǒng)經(jīng)濟運行的關(guān)鍵在于空冷背壓、汽輪機負荷與噴射器三者之間的協(xié)調(diào)控制。

圖11 40%THA噴射器性能隨空冷島關(guān)閉列數(shù)變工況特性Fig.11 Variable operating characteristics of injector performance with shutdown columns in air-cooling island at 40% THA

4.4 熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)效率

乏汽提質(zhì)供熱系統(tǒng)在40%THA 和50%THA不同空冷島換熱單元關(guān)閉條件下，熱電聯(lián)產(chǎn)的循環(huán)效率也呈現(xiàn)相似的特性。如圖12所示，40%THA負荷下，熱電聯(lián)產(chǎn)的循環(huán)效率從未關(guān)閉時的41.5%上升至關(guān)閉3 列的44.9%；50%THA 負荷下，熱電聯(lián)產(chǎn)的循環(huán)效率從未關(guān)閉的44.6%上升至關(guān)閉3列的47.1%。可見，在低負荷下關(guān)閉空冷島換熱單元可以大幅提高空冷島的背壓，同時乏汽可以被利用，熱電聯(lián)產(chǎn)的循環(huán)效率提升明顯。

圖12 空冷島換熱單元與熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)效率的特性關(guān)系Fig.12 Characteristic relationship between heat exchanger unit and CHP cycle efficiency in the air-cooling island

5 結(jié)論

1）直接空冷機組在高背壓供熱系統(tǒng)受熱網(wǎng)回水及空冷島背壓控制協(xié)調(diào)的限制，運行經(jīng)濟性和發(fā)電出力兩者之間難以實現(xiàn)平衡，采用乏汽提質(zhì)供熱改造技術(shù)可以實現(xiàn)供熱能量的梯級利用，提升熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)效率。

2）乏汽提質(zhì)供熱系統(tǒng)可以與高背壓供熱系統(tǒng)、空冷島換熱單元靈活協(xié)調(diào)，滿足機組供熱及發(fā)電出力的需求。

3）空冷島、乏汽提質(zhì)供熱系統(tǒng)和噴射器的變工況特性表明，隨著汽輪機進汽量的下降，空冷島的背壓控制需要根據(jù)負荷率選擇不同的關(guān)閉策略，用于提高乏汽提質(zhì)供熱系統(tǒng)各級換熱器的功率。在熱網(wǎng)回水溫度較低的情況下，可以選擇較低的空冷島背壓，隨著回水溫度上升，空冷島背壓需要進一步提高，以改善噴射器的引射性能。

4）空冷島背壓選擇在滿足一定供熱經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，要同時考慮汽輪發(fā)電機組出力或快速升負荷的需求，背壓選擇必須較報警限制留有一定余量，否則當機組快速加負荷或供熱量突降時，易發(fā)生跳機保護動作。在低負荷下空冷島的高背側(cè)壓力選擇在13～20 kPa，可以保證一定的供熱經(jīng)濟性?？绽鋶u的換熱單元在冬季考慮防凍需要整列關(guān)閉。根據(jù)變工況特性仿真計算分析關(guān)閉兩列換熱單元是比較理想的，在快速升負荷時也可以滿足要求。