低壓缸零出力改造后熱網(wǎng)疏水系統(tǒng)對熱經(jīng)濟(jì)性影響的Ebsilon模擬

劉 軍,李洪波,管洪軍,高 明,李 楊,王 順

(1.中國石化集團(tuán)公司勝利石油管理局有限公司,山東 東營 257087;2.高效節(jié)能及儲能技術(shù)與裝備山東省工程實驗室(山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院),山東 濟(jì)南 250061)

0 引 言

近年來,中國在可再生能源的利用方面發(fā)展迅猛,其中有60%的增量是來自于光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電[1]。考慮到風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電具有較強(qiáng)的間歇性和隨機(jī)性,對火電機(jī)組的調(diào)峰能力提出了更高的要求。但是在北方供熱季,受“以熱定電”運行方式的限制,火電機(jī)組的靈活運行受到限制[2]。

為最大限度的發(fā)揮火電機(jī)組的調(diào)峰能力,更好地實現(xiàn)熱電解耦,眾多學(xué)者先后提出了高背壓供熱技術(shù)[3-4]、電鍋爐技術(shù)[5-6]、儲熱技術(shù)[7]、熱泵技術(shù)[8-9]和低壓缸切缸[10]等方式,其中低壓缸切缸技術(shù)因其具有一次投資少、運行靈活等特點,得到了廣泛的關(guān)注。史衛(wèi)剛等[11]介紹了關(guān)于汽輪機(jī)零出力級組、冷卻蒸汽系統(tǒng)和低壓缸末級噴水系統(tǒng)的改造方案,試驗得出改造使得供熱能力增加了87 MW。Zheng等[12]的試驗研究表明低壓缸零出力機(jī)組大大提升了機(jī)組的調(diào)峰能力,相同供熱負(fù)荷下可減少發(fā)電量70 MW。王建勛等[13]對超臨界機(jī)組進(jìn)行了低壓缸零出力改造,運行結(jié)果顯示在額定工況下的發(fā)電煤耗減少了36.5 g/(kW·h)。謝昌亞等[14]通過試驗和模擬結(jié)合的方式對低壓缸零出力技術(shù)進(jìn)行了分析,在176 MW供熱負(fù)荷時供電煤耗下降了51.2 g/(kW·h)。王行等[15]也進(jìn)行了低壓缸零出力的試驗研究,相同供熱負(fù)荷下發(fā)電熱耗率最大降低了1 249.2 kJ/(kW·h).楊海生等[16]研究了低壓缸零出力改造前后經(jīng)濟(jì)收益的變化,指出在300 MW供熱負(fù)荷下需要的調(diào)峰損失補償價為0.15元/(kW·h)。劉雙白等[17]利用Ebsilon軟件計算了低壓缸零出力機(jī)組的熱力性能,模擬結(jié)果表明整體煤耗在157～170 g/(kW·h)之間變化。

對供熱機(jī)組來說,熱網(wǎng)疏水系統(tǒng)的布置直接影響著機(jī)組的安全高效運行。文獻(xiàn)[18]進(jìn)行了疏水系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化工作,通過增設(shè)兩級疏水換熱器使發(fā)電熱耗降低了2.3%。王衛(wèi)良等[19]提出了將熱網(wǎng)疏水引入至低加疏水側(cè)的思路,與直接將疏水排入除氧器的方案相比熱耗損失僅為0.27%。王為明等[20]提出了以熱網(wǎng)回水和循環(huán)水為冷源的疏水冷卻系統(tǒng),使熱損失降低到84.6 GJ/h。葉強(qiáng)等[21]設(shè)置不同的回流位置以及不同的換熱器布置形式,依照實際工況比較了四種疏水系統(tǒng)布置方案。

相關(guān)學(xué)者針對低壓缸零出力機(jī)組的調(diào)峰能力和熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了充分的研究,獲得了大量具有借鑒意義的結(jié)論,但關(guān)于熱網(wǎng)疏水系統(tǒng)的研究僅采用熱平衡或等效焓降法進(jìn)行了簡要計算。在此基礎(chǔ)上,本文在研究了低壓缸零出力改造前后機(jī)組性能的變化之后,利用Ebsilon Professional 15.0軟件展開了低壓缸零出力機(jī)組熱網(wǎng)疏水系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化工作,搭建了五種疏水系統(tǒng)布置方案,并進(jìn)行了各方案下機(jī)組供熱抽汽量、電負(fù)荷率和供電煤耗的變工況模擬研究。本研究借助軟件計算的準(zhǔn)確快速性,可為后續(xù)供熱機(jī)組熱網(wǎng)疏水系統(tǒng)的優(yōu)化研究奠定基礎(chǔ),并為低壓缸零出力機(jī)組的高效運行提供指導(dǎo)。

1 300 MW發(fā)電機(jī)組概況

該300 MW亞臨界機(jī)組采用一次中間再熱方式,汽輪機(jī)布置為單軸、兩缸兩排汽,型號為C300/256-16.7/0.39/537/537。抽汽位置為中、低壓缸的連通管處,抽汽壓力一般維持在0.39 MPa,在主蒸汽流量較低時,適當(dāng)降低抽汽壓力以防止中壓缸末級葉片超溫。額定供熱抽汽流量為350 t/h,最大抽汽流量可達(dá)550 t/h?；?zé)岢槠到y(tǒng)設(shè)有八段回?zé)岢槠?分別為三臺高壓加熱器、一臺除氧器及四臺低壓加熱器。

機(jī)組在低壓缸零出力運行時,原低壓缸的進(jìn)汽管道通過液壓蝶閥完全關(guān)閉,同時增大供熱管道閥門的開度,中壓缸的排汽幾乎全部進(jìn)入熱網(wǎng)換熱器。低壓缸的轉(zhuǎn)子空轉(zhuǎn)會產(chǎn)生鼓風(fēng)熱量,因而還需向低壓缸通入少量冷卻蒸汽。通過取消低壓缸的進(jìn)汽,實現(xiàn)低壓缸不做功的目的,增強(qiáng)機(jī)組深度調(diào)峰的能力。

2 機(jī)組熱力系統(tǒng)建模仿真及驗證

本文使用Ebsilon Professional 15.0軟件進(jìn)行機(jī)組熱力系統(tǒng)模型的搭建?；谒芯?00 MW機(jī)組的閥全開工況設(shè)計數(shù)據(jù),建立的熱力系統(tǒng)Ebsilon仿真模型如圖1所示。通過指定發(fā)電功率來計算主蒸汽、再熱蒸汽熱力參數(shù)的方式,對所建模型進(jìn)行變負(fù)荷模擬計算,將模擬計算結(jié)果與設(shè)計值進(jìn)行對比,結(jié)果如表1所示。各主要參數(shù)的模擬計算值與設(shè)計值的相對誤差均小于3%,為合理范圍之內(nèi),可以滿足后續(xù)研究的精度要求。

圖1 純凝機(jī)組熱力系統(tǒng)Ebsilon仿真模型

在純凝機(jī)組的基礎(chǔ)上,進(jìn)行機(jī)組的供熱改造(即低壓缸零出力改造)研究,增設(shè)“Heat consumer”組件,在中低壓缸連通管上增加壓力調(diào)節(jié)閥門固定中壓缸的排汽壓力。在低壓缸零出力機(jī)組模型中,取消低壓缸的回?zé)岢槠?同時設(shè)定冷卻蒸汽流量為25 t/h,進(jìn)汽壓力為20 kPa。

3 低壓缸零出力改造后供熱機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性分析

分別在VWO、100%THA、75%THA、50%THA以及40%THA工況這五個工況下,計算常規(guī)抽凝機(jī)組和低壓缸零出力機(jī)組的供熱和供電能力,比較供電熱耗、煤耗的變化情況。供熱蒸汽在熱網(wǎng)換熱器中換熱后直接引入除氧器內(nèi),疏水溫度為100 ℃,常規(guī)抽凝機(jī)組低壓缸的最小進(jìn)汽量為125 t/h。

3.1 熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

熱電比[17]

(1)

公式中:Qh,r為供熱蒸汽具有的熱量,GJ;W為機(jī)組的總發(fā)電量,MW;Wh為供熱蒸汽的發(fā)電量,kW·h;We為不對外供熱蒸汽的發(fā)電量,kW·h。

機(jī)組電負(fù)荷率[17]

(2)

公式中:Wmax為機(jī)組的最大發(fā)電量,本文為321.96 MW。

機(jī)組發(fā)電方面的熱效率[22]

(3)

公式中:Qb為鍋爐熱負(fù)荷即循環(huán)工質(zhì)在鍋爐處的吸熱負(fù)荷,MW ;Qh為供熱負(fù)荷,MW。

機(jī)組發(fā)電方面的熱耗率[22]

(4)

機(jī)組發(fā)電方面的標(biāo)準(zhǔn)煤耗率[22]

(5)

3.2 機(jī)組性能分析

不同工況下,常規(guī)抽凝機(jī)組和低壓缸零出力機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性參數(shù)模擬結(jié)果,如表2所示。在最大供熱抽汽量方面,常規(guī)抽凝機(jī)組的低壓缸處于最小進(jìn)汽流量時供熱抽汽流量最大,而低壓缸零出力機(jī)組的低壓缸僅保留了極少的冷卻蒸汽,故供熱能力得到顯著提升。VWO工況下,低壓缸零出力機(jī)組的最大供熱抽汽量可達(dá)638.26 t/h,比常規(guī)抽凝機(jī)組增加了15.95%,熱電比增加了44.14%。在機(jī)組電負(fù)荷率方面,最大供熱抽汽量下機(jī)組的發(fā)電功率最小,也具有最小的電負(fù)荷率。低壓缸零出力機(jī)組的最低電負(fù)荷率為23.05%,同時還可提供241.73 t/h的供熱蒸汽,而常規(guī)抽凝機(jī)組的最低電負(fù)荷率為26.71%,供熱蒸汽量僅為139.62 t/h。在供電熱耗和供電煤耗方面,低壓缸零出力機(jī)組避免了低壓缸乏汽的冷凝損失,供電熱耗、煤耗均低于常規(guī)抽凝機(jī)組,在40%THA工況下,供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗減少了95.30 g/(kW·h),供電熱耗減少了2 789.27 kJ/(kW·h),VWO工況下,供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗減少了31.63 g/(kW·h),供電熱耗減少了925.76 kJ/(kW·h)。

表2 常規(guī)抽凝機(jī)組和低壓缸零出力機(jī)組在不同工況下的熱經(jīng)濟(jì)性參數(shù)模擬結(jié)果

4 熱網(wǎng)疏水系統(tǒng)對熱經(jīng)濟(jì)性影響的分析

低壓缸零出力改造后的熱力系統(tǒng)中取消了原6號、7號和8號低壓加熱器,凝汽器出口的凝結(jié)水經(jīng)凝結(jié)水泵升壓后,依次經(jīng)過軸封冷卻器、5號低壓加熱器后進(jìn)入除氧器。對亞臨界機(jī)組來說一般不需考慮凝結(jié)水的精處理問題,熱網(wǎng)疏水的回流位置比較自由,但對于凝結(jié)水品質(zhì)有要求的機(jī)組,熱網(wǎng)疏水需流經(jīng)精處理設(shè)備。為此,本文利用Ebsilon軟件開展了不同疏水系統(tǒng)布置方案對供熱抽汽量、機(jī)組電負(fù)荷率和供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗的影響研究。

4.1 疏水系統(tǒng)布置方案簡介

在不考慮凝結(jié)水化學(xué)精處理裝置處理的情況下,熱網(wǎng)加熱器疏水的接入方案主要有:

方案A:熱網(wǎng)疏水排入凝汽器熱井。

方案B:疏水接入凝結(jié)水泵出口。

方案C:疏水引入5號低壓加熱器。

方案D:疏水流入除氧器。

各方案下的疏水接入位置簡圖如圖2所示。

圖2 各疏水接收位置簡圖

考慮凝結(jié)水精處理的情況下,需設(shè)置疏水冷卻器以降低疏水溫度,疏水冷卻器與熱網(wǎng)加熱器呈串聯(lián)關(guān)系,布置在軸封冷卻器和5號低壓加熱器之間,熱網(wǎng)疏水的接入位置為凝結(jié)水泵出口。此方案的系統(tǒng)流程如圖3所示,稱之為方案E。

圖3 疏水系統(tǒng)布置方案E

4.2 供熱抽汽量

不同工況下機(jī)組供熱抽汽流量與疏水系統(tǒng)布置方案之間的關(guān)系,如圖4所示。各方案的供熱抽汽流量隨機(jī)組主蒸汽流量的增加而增加,方案A的機(jī)組供熱抽汽量在215.86 t/h至570.83 t/h之間變化,方案D的機(jī)組供熱抽汽量在241.73 t/h至638.26 t/h之間變化。方案D的供熱抽汽量相比方案A在各工況下均有一定的提升,平均增加了11.85%。原因是當(dāng)熱網(wǎng)疏水直接流入除氧器時,有效降低了5號低壓加熱器的熱負(fù)荷,5號低壓加熱器的回?zé)岢槠繙p少,機(jī)組的供熱抽汽量增加。

圖4 各疏水系統(tǒng)布置方案在不同工況下最大供熱蒸汽量的變化規(guī)律

4.3 機(jī)組電負(fù)荷率

疏水回流位置和溫度的變化,影響了熱力系統(tǒng)低壓回水加熱區(qū)域的參數(shù)分布,機(jī)組的發(fā)電功率也相應(yīng)改變。各疏水系統(tǒng)布置方案的電負(fù)荷率與不同工況的變化關(guān)系如圖5所示。在本文各疏水系統(tǒng)布置方案中,方案D在不同工況下均具有最小的電負(fù)荷率,分別為23.05%、27.35%、43.06%、65.22%和67.39%。原因是方案D降低了除氧器入口凝結(jié)水的溫度,增加了除氧器的回?zé)岢槠?機(jī)組的電負(fù)荷率降低。

圖5 各疏水系統(tǒng)布置方案最小電負(fù)荷率隨主蒸汽流量的變化規(guī)律

4.4 供電煤耗

本文的疏水系統(tǒng)布置方案中,不同工況下機(jī)組的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗變化情況,如圖6所示。由圖可知機(jī)組的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗隨主蒸汽流量的增加呈降低趨勢,方案D具有最小供電煤耗,方案A具有最大供電煤耗。40%THA工況下,方案D的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗比方案A減少了33.15 g/(kW·h),VWO工況下,供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低了27.55 g/(kW·h)。方案B、C、D、E具有相近的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗,在不同工況下,方案E的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗比方案D平均高了2.18%,但可滿足機(jī)組對高品質(zhì)凝結(jié)水的需要。方案B、C、D、E避免了熱網(wǎng)疏水排入凝汽器所造成的冷源損失,因而供電煤耗較方案A有顯著的降低。

圖6 各疏水系統(tǒng)布置方案在不同工況下供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的變化規(guī)律

5 結(jié) 論

基于某300 MW機(jī)組,本文利用Ebsilon軟件模擬研究了低壓缸零出力改造后的機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性,對比分析了改造前后機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)在不同工況下的變化規(guī)律,并研究了各疏水系統(tǒng)布置方案下機(jī)組的供熱抽汽量、電負(fù)荷率及供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗的變化。獲得的主要結(jié)論如下:

1)低壓缸零出力技術(shù)可明顯提升機(jī)組的調(diào)峰能力并改善機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。低壓缸零出力機(jī)組的最大供熱抽汽量相比常規(guī)抽凝機(jī)組增加了15.95%,最小電負(fù)荷率比同工況下的常規(guī)抽凝機(jī)組降低了3.66%,最小供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗減少了31.63 g/(kW·h)。

2)計算結(jié)果表明,不同疏水布置方案影響了回?zé)峒訜崞鞯臒嶝?fù)荷,間接影響了機(jī)組的供熱抽汽量和電負(fù)荷率。在各疏水系統(tǒng)布置方案中,方案D的供熱抽汽量相比方案A平均增加了11.85%,最大的供熱抽汽量為VWO工況下的638.26 t/h,最小的電負(fù)荷率為方案D在40%THA工況下的23.05%。

3)方案D具有最小的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗,為VWO工況下的161.30 g/(kW·h),相比方案A減少了27.55 g/(kW·h),方案E的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗比方案D平均高了2.18%,但可滿足機(jī)組對高品質(zhì)凝結(jié)水的需要。

本研究建立了300 MW供熱機(jī)組低壓缸零出力改造后熱力系統(tǒng)的Ebsilon仿真模型,所得結(jié)論可為零出力改造機(jī)組疏水方案優(yōu)化布置方式提供指導(dǎo),為機(jī)組的高效運行奠定基礎(chǔ)。