吳 昊, 石奇光, 李 磊, 陳經(jīng)豪, 顏雪琴, 趙政慶

(1.上海電力學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院,上海200090;2.上海吳涇發(fā)電有限責(zé)任公司,上海200336)

我國電力工業(yè)自改制以來,已完成“廠網(wǎng)分開”的改革第一步,發(fā)電企業(yè)作為獨立的法人按照市場規(guī)則商業(yè)化運營,競價上網(wǎng),自負(fù)盈虧.目前發(fā)電企業(yè)面對金融危機(jī)、煤價上漲和利用小時下降等問題,更需要提高運行熱經(jīng)濟(jì)性,完善熱力系統(tǒng),挖掘節(jié)能潛力,降低發(fā)電成本[1].以一座1 200 MW電廠(2×600 MW機(jī)組)為例,每天需要消耗近萬噸煤,若該廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率降低1 g/(kW?h),按機(jī)組年均運行時間5 000 h計,全年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤6×103t,若按同比標(biāo)煤價格500元計算,僅燃料費用一項,每年可節(jié)約300萬元以上,同時還可減少大量的溫室氣體(CO2)及污染物(SOx、NOx、Hg、粉塵等)排放.

在發(fā)電企業(yè)節(jié)能節(jié)電的工作中,熱平衡分析是一項考核能源利用水平的基礎(chǔ)性工作.而熱平衡分析正是原電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T606.3—1996火力發(fā)電廠能量平衡導(dǎo)則第3部分:熱平衡(以下簡稱原導(dǎo)則)中的重要內(nèi)容[2].上海電力學(xué)院根據(jù)國家發(fā)改委和中國電力企業(yè)聯(lián)合會標(biāo)準(zhǔn)化中心的立項要求,承擔(dān)并完成了對原導(dǎo)則的修訂工作,使其能夠隨著熱力發(fā)電廠理論研究的不斷深入,更趨完善.新導(dǎo)則DL/T606.3—2006火力發(fā)電廠能量平衡導(dǎo)則第3部分:熱平衡由國家發(fā)改委于2007年5月1日起正式發(fā)布實施[3].

本文基于新導(dǎo)則中的新增內(nèi)容——火力發(fā)電廠管道熱效率反平衡計算原理,采用考慮管道熱效率的等效熱降算法,以引進(jìn)型300 MW機(jī)組汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)工質(zhì)內(nèi)漏對火電廠熱力系統(tǒng)的影響為例,對汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)內(nèi)漏進(jìn)行定性分析及定量計算,并對電廠節(jié)能工作提出了積極的建議[4].

1 考慮管道熱效率的等效熱降算法

考慮管道熱效率的等效熱降算法是基于火電廠管道熱效率的反平衡計算原理,經(jīng)過嚴(yán)密理論推演而形成的一套計算理論體系,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)等效熱降法的不足[5].經(jīng)驗證表明:采用考慮管道熱效率的等效熱降算法對熱力系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能診斷分析時,火電廠熱平衡體系的邊界及主要熱力系統(tǒng)的劃分更清晰,且計算結(jié)果準(zhǔn)確,與傳統(tǒng)熱量法的計算結(jié)果一致[6].

1.1 管道熱效率

式中:ηgd為管道熱效率,%;Δ Qgd為單元機(jī)組管道熱損失,kJ/kg;Qgl為鍋爐熱負(fù)荷(輸出熱量 Qsc),kJ/kg.

式中 :Δ Qg1為新蒸汽管道散熱損失 ,kJ/kg;Δ Qg2為帶熱量工質(zhì)泄漏熱損失,kJ/kg;Δ Qg3為再熱蒸汽管道散熱損失,kJ/kg;Δ Qg4為給水管道熱損失,kJ/kg;ΔQg5為廠用輔助系統(tǒng)熱損失,kJ/kg;ΔQg6為鍋爐連續(xù)排污熱損失,kJ/kg.管道反平衡計算各熱損失項算法詳見新導(dǎo)則[2].

1.2 汽輪機(jī)循環(huán)絕對內(nèi)效率

式中:ηi為汽輪機(jī)循環(huán)絕對內(nèi)效率,%;H0為新蒸汽的等效熱降值,kJ/kg;Q0為汽輪機(jī)的循環(huán)吸熱量,kJ/kg.

H0的計算方法與原等效熱降算法相同,詳見參考文獻(xiàn)[7-8].從式(1)～式(3)可以看出,當(dāng)考慮管道熱效率的反平衡計算之后,ηgd不再是定值,Q0也將隨著ΔQgd的變化發(fā)生變化,故計算ηi的變化時,需考慮H0和Q0的變化才能得出正確的解.

1.3 全廠熱效率

式中:ηcp為發(fā)電廠全廠熱效率,%;ηgl為鍋爐熱效率 ,%;ηjx為汽輪機(jī)機(jī)械效率,%;ηdj為發(fā)電機(jī)效率,%;ηe為汽輪發(fā)電機(jī)組絕對電效率,%.

在分析計算中 ,若忽略不計 ηgl、ηjx及ηdj的變化,重點考慮 ηgd、ηi與 ηcp之間的變化關(guān)系,由參考文獻(xiàn)[5],全廠熱效率的變化值δ ηcp計算如下:

當(dāng)發(fā)電廠熱力系統(tǒng)工況發(fā)生變化時,鍋爐熱力系統(tǒng)與汽輪發(fā)電機(jī)組熱力系統(tǒng)之間的能量傳輸效率發(fā)生變化,即管道熱力系統(tǒng)的 ηgd是變化的,而ηgd的變化將直接導(dǎo)致Q0的變化,進(jìn)而引起ηi的變化.

事實上,將ηgd在任意工況下以恒定值代替是不正確的.因此,新導(dǎo)則明確定量分析發(fā)電廠熱經(jīng)濟(jì)性變化時,不能僅依靠ηi的變化來判斷機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性變化,而是需要綜合考慮ηgd、ηi兩個效率的變化,以全廠熱效率的變化δ ηcp作為最終的衡量指標(biāo).

2 汽輪機(jī)旁路工質(zhì)內(nèi)漏的熱經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 旁路閥內(nèi)漏的原因

汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的作用是在特定情況下將鍋爐產(chǎn)生的蒸汽不經(jīng)過汽輪機(jī)而直接引到下一級蒸汽管道或凝汽器,以保證機(jī)組啟停、事故處理和適應(yīng)特殊運行方式的需要.

當(dāng)機(jī)組正常運行時,旁路閥應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài),但電廠在實際運行中普遍存在汽輪機(jī)旁路閥門不同程度的泄漏,歸結(jié)原因主要有以下幾點[9]:

(1)管道中的雜質(zhì)留存在閥門密封面上,造成密封面損傷;

(2)工作環(huán)境惡劣,閥門前后壓差大,閥芯、閥座受高壓工質(zhì)沖刷,極易磨損,造成密封失效;

(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)多為電動或氣動,零位設(shè)定不準(zhǔn)確,沒有達(dá)到閥門的全關(guān)位;

(4)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推力不足,管道內(nèi)無壓力時,易達(dá)到全關(guān)位,有壓力時,關(guān)不到位;

(5)閥門控制元件受環(huán)境溫度、壓力和濕度影響造成定位失準(zhǔn);

(6)閥門本身制造質(zhì)量差,密封面平面度欠佳.

2.2 旁路內(nèi)漏的定量影響分析

以引進(jìn)型N300-16.7/538/538機(jī)組三級旁路串聯(lián)系統(tǒng)工質(zhì)內(nèi)漏為例,運用考慮管道熱效率的等效熱降法對其進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性分析,機(jī)組等效熱降參數(shù)見表1.

表1 N300-16.7/538/538型機(jī)組等效熱降及相關(guān)參數(shù)Tab.1 Equivalent enthalpy drop value and correlation parameters of N300-16.7/538/538 unit

如圖1所示,當(dāng)發(fā)生Ⅰ級旁路內(nèi)漏時,即高壓旁路工質(zhì)內(nèi)漏,新蒸汽將繞過高壓缸,與較低品位的高壓缸排汽混合進(jìn)入再熱器,使得低壓循環(huán)做功增加,高壓缸的做功量減少,機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性降低;當(dāng)發(fā)生Ⅱ級旁路內(nèi)漏時,即低壓旁路工質(zhì)內(nèi)漏,再熱蒸汽繞過中、低壓缸,直接進(jìn)入凝汽器,造成大量的冷源損失;當(dāng)發(fā)生Ⅲ級旁路泄漏時,即大旁路工質(zhì)內(nèi)漏,新蒸汽攜帶大量高品質(zhì)熱量,繞過整個汽輪機(jī)本體,直接進(jìn)入凝汽器,造成大量的冷源損失.

圖1 N300-16.7/538/538機(jī)組熱力系統(tǒng)(額定工況)Fig.1 T hermal sy stem of N300-16.7/538/538 unit(rated operating conditions)

內(nèi)漏的高品質(zhì)蒸汽若進(jìn)入冷凝器,將使得大量可用能直接被循環(huán)冷卻水帶走,不僅造成大量直接熱損,還會降低凝汽器真空度、提高冷卻水循環(huán)倍率以及增加廠用電耗,從而嚴(yán)重影響機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性.

采用考慮管道熱效率的等效熱降法計算,結(jié)果示于表2.

表2 汽輪機(jī)旁路工質(zhì)內(nèi)漏對機(jī)組效率及熱經(jīng)濟(jì)性的影響Tab.2 Effect of inner leakage in turbine bypass on the efficiency and thermal economic of the unit

由汽輪機(jī)旁路內(nèi)漏所引起的發(fā)電廠管道熱效率、汽輪機(jī)絕對內(nèi)效率、全廠熱效率以及發(fā)電煤耗率的變化趨勢分別示于圖2～圖5.

圖2 旁路內(nèi)漏時管道熱效率的變化趨勢圖Fig.2 Inner leakage quantity vs.piping thermal efficiency

圖3 旁路內(nèi)漏時汽輪機(jī)絕對內(nèi)效率的變化趨勢圖Fig.3 Inner leakage quantity vs.turbine's absolute internal efficiency

圖4 旁路內(nèi)漏時全廠熱效率的變化趨勢圖Fig.4 Inner leakage quantity vs.plant thermal efficiency

圖5 旁路內(nèi)漏對發(fā)電煤耗的影響Fig.5 Inner leakage quantity vs.coal consumption

由圖2～圖4可知,若Ⅰ級旁路發(fā)生內(nèi)漏,單考慮管道熱力系統(tǒng),同等數(shù)量的帶熱量工質(zhì)通過管道熱力系統(tǒng)由鍋爐傳輸給汽輪發(fā)電機(jī)組時,同比減少了再熱冷段與再熱新蒸汽段的散熱損失,因此管道熱效率會有所上升;單考慮汽輪發(fā)電機(jī)組熱力系統(tǒng),由于部分新蒸汽繞過高壓缸,經(jīng)過再熱后進(jìn)入中、低壓缸,造成了高壓缸做功不足,低壓循環(huán)做功增加,凝汽流做功比例提高,因此機(jī)組絕對內(nèi)效率呈下降趨勢;綜合考慮管道熱效率、機(jī)組絕對內(nèi)效率后發(fā)現(xiàn),全廠熱效率呈下降趨勢,機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性下降.由圖5可知,當(dāng)Ⅰ級旁路發(fā)生內(nèi)漏時,泄漏量每增加1 t/h,發(fā)電煤耗將增加0.03 g/(kW?h).

若Ⅱ級旁路、Ⅲ級旁路發(fā)生內(nèi)漏,高品質(zhì)蒸汽泄漏進(jìn)入凝汽器,造成能量損失,單考慮管道熱力系統(tǒng),其傳輸給汽輪發(fā)電機(jī)組熱力系統(tǒng)的熱量小于鍋爐輸出的熱量,導(dǎo)致管道熱效率下降;單考慮汽輪發(fā)電機(jī)組熱力系統(tǒng),當(dāng)Ⅱ級旁路、Ⅲ級旁路發(fā)生內(nèi)漏時,考慮補(bǔ)充水進(jìn)入凝汽器,抽汽流做功增加,凝汽流做功同比減少,因此機(jī)組絕對內(nèi)效率上升;綜合考慮管道熱效率、機(jī)組絕對內(nèi)效率,全廠熱效率下降.計算表明,當(dāng)Ⅱ級旁路發(fā)生內(nèi)漏時,泄漏量每增加1 t/h,將使發(fā)電煤耗增加0.30 g/(kW?h);當(dāng)Ⅲ級旁路發(fā)生內(nèi)漏時,每增加1 t/h泄漏量,將使發(fā)電煤耗增加0.33 g/(kW?h).

3 結(jié) 論

(1)旁路系統(tǒng)閥門內(nèi)漏對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性影響較大,因此應(yīng)保證旁路系統(tǒng)閥門的嚴(yán)密性,加強(qiáng)日常維護(hù)和保養(yǎng)工作,對基建期間的機(jī)組,應(yīng)慎重對待其旁路系統(tǒng)閥門的選型工作.

(2)發(fā)電企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)節(jié)能精細(xì)化管理,加強(qiáng)對管道熱力系統(tǒng)的認(rèn)識,如機(jī)組旁路內(nèi)漏問題,應(yīng)充分考慮其變化對管道熱效率及機(jī)組絕對內(nèi)效率的影響,以全廠熱效率的變化作為衡量經(jīng)濟(jì)性的最終指標(biāo).

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