包偉偉

(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司,哈爾濱150046)

1 000 MW超超臨界機(jī)組增設(shè)0號(hào)高壓加熱器經(jīng)濟(jì)性分析

包偉偉

(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司,哈爾濱150046)

針對(duì)1 000 MW超超臨界機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)經(jīng)濟(jì)性下降的問(wèn)題,介紹了一種可以提高部分負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的0號(hào)高壓加熱器技術(shù),并從其工作原理出發(fā),對(duì)其在高效1 000 MW超超臨界機(jī)組上應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算及分析。結(jié)果表明：通過(guò)采用該項(xiàng)技術(shù)后在部分負(fù)荷下可使機(jī)組熱耗降低約30 kJ/(k W·h),經(jīng)濟(jì)效果明顯。

汽輪機(jī)；超超臨界機(jī)組；熱力循環(huán)；高壓加熱器；熱經(jīng)濟(jì)性

1 000 MW超超臨界機(jī)組在部分負(fù)荷工作時(shí),機(jī)組的整體熱力循環(huán)以及主機(jī)設(shè)備等均偏離設(shè)計(jì)條件運(yùn)行［1］。熱力循環(huán)偏離設(shè)計(jì)的主要表現(xiàn)為循環(huán)的初參數(shù)降低、各級(jí)回?zé)岢槠麎毫档汀⒃贌釅毫档?、最終給水溫度降低等多個(gè)方面。最終給水溫度是表征回?zé)嵫h(huán)熱經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)之一,其降低將直接導(dǎo)致熱力循環(huán)的平均吸熱溫度降低,因此循環(huán)的熱效率也將隨之降低,這直接影響機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性［2］。

1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)設(shè)計(jì)帶基本負(fù)荷運(yùn)行,多數(shù)采用節(jié)流調(diào)節(jié)、滑壓運(yùn)行方式。這種設(shè)計(jì)思想可使汽輪機(jī)在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)其相對(duì)內(nèi)效率不低于設(shè)計(jì)工況［3］。因此,機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的降低主要來(lái)自最終給水溫度以及循環(huán)初參數(shù)降低導(dǎo)致的循環(huán)熱效率的降低。如果采取一定的技術(shù)措施,在機(jī)組處于部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能夠提高最終給水溫度,必將能有效緩解循環(huán)熱效率的降低程度,對(duì)于改善機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性無(wú)疑將具有顯著的效果。

采用0號(hào)高壓加熱器(簡(jiǎn)稱高加)技術(shù),能有效緩解機(jī)組最終給水溫度的降低幅度,提高其在部分負(fù)荷的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。筆者以某新型高效1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)為例,詳細(xì)論述其采用0號(hào)高加技術(shù)對(duì)于機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 機(jī)組概況

新型高效1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)為一次中間再熱、單軸、四缸四排汽,反動(dòng)式、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī),其主要參數(shù)為主汽壓力28 MPa,主汽溫度600℃,再熱溫度620℃,排汽壓力4.8 k Pa,額定給水溫度300℃。

汽輪機(jī)共設(shè)置9級(jí)回?zé)岢槠?布置采用3個(gè)高加,1個(gè)除氧器以及5個(gè)低壓加熱器(簡(jiǎn)稱低加),其中3號(hào)高加設(shè)置外置式蒸汽冷卻器,用來(lái)提高最終給水溫度,減少冷端損失。加熱器疏水采用逐級(jí)自流布置：高加疏水逐級(jí)自流進(jìn)入除氧器,低加疏水逐級(jí)自流進(jìn)入凝汽器。給水泵驅(qū)動(dòng)采用汽泵方案,設(shè)置100%BMCR容量的高效給水泵汽輪機(jī),給水泵汽輪機(jī)排汽單設(shè)凝汽器,以減少主凝汽器熱負(fù)荷,提高其真空度。

汽輪機(jī)為高中壓分缸結(jié)構(gòu),其中高壓缸排布有15個(gè)壓力級(jí),中、低壓缸均采用雙分流結(jié)構(gòu),中壓缸排布有2×12個(gè)壓力級(jí),低壓缸共排布有2× 2×5個(gè)壓力級(jí)。末級(jí)葉片平均直徑為2 948 mm,高度為1 220 mm,單側(cè)排汽面積達(dá)到11.30 m2。100%THA工況下設(shè)計(jì)高壓缸效率為90%,中壓缸效率為93%,低壓缸效率為90%,整機(jī)內(nèi)效率達(dá)到91.3%。

圖1是新型高效1 000 MW超超臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。

圖1 高效1 000 MW超超臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

汽輪機(jī)的配汽設(shè)計(jì)取消了調(diào)節(jié)級(jí),采用全周進(jìn)汽、節(jié)流配汽方式以及滑壓運(yùn)行方式。采用調(diào)節(jié)閥預(yù)節(jié)流方式進(jìn)行一次調(diào)頻,設(shè)計(jì)預(yù)節(jié)流一次調(diào)頻負(fù)荷為3%～5%THA,滿足電網(wǎng)的調(diào)頻需要；同時(shí)由于采用滑壓運(yùn)行方式,可使汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率在很大的負(fù)荷區(qū)間內(nèi)不下降,提高機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2 增設(shè)加熱器目的

1 000 MW超超臨界機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí),由于主蒸汽流量減小,第1級(jí)抽汽壓力隨之降低,這直接導(dǎo)致最終給水溫度降低；同時(shí),由于采用滑壓運(yùn)行方式,主汽壓力也將同步降低。由蒸汽動(dòng)力循環(huán)原理可知,以上兩方面均將導(dǎo)致熱力循環(huán)的平均吸熱溫度降低,由于平均放熱溫度不變,因此,熱力循環(huán)將逐漸偏離經(jīng)濟(jì)工況,循環(huán)熱效率將不可避免地下降。

表1為該機(jī)組熱力循環(huán)參數(shù)隨負(fù)荷的變化情況。

表1 熱力循環(huán)參數(shù)與負(fù)荷關(guān)系

火力發(fā)電機(jī)組絕對(duì)電效率的轉(zhuǎn)化關(guān)系為：

式中：ηcs為循環(huán)熱效率；ηt為汽輪機(jī)內(nèi)效率；ηm為機(jī)械傳動(dòng)效率；ηg為發(fā)電機(jī)效率；QHR為機(jī)組熱耗。

將ηt、ηm、ηg等視作常數(shù),對(duì)式(1)進(jìn)行小偏差線性化展開,可知：

在ηcs為0.554、ηt為0.913、ηm為0.998、ηg為0.99的條件下,由式(2)計(jì)算可知,循環(huán)熱效率ηcs每降低1%,機(jī)組熱耗QHR將升高約130 kJ/(k W·h)。

由表1可知：從100%負(fù)荷到80%負(fù)荷,循環(huán)熱效率下降了約0.9%,這將使得機(jī)組熱耗升高約117 kJ/(k W·h)。由于機(jī)組采用滑壓運(yùn)行方式,汽輪機(jī)高中壓缸效率可維持不變,同時(shí)低壓缸效率最高點(diǎn)約在70%負(fù)荷點(diǎn)上,因此,在80%負(fù)荷時(shí),汽輪機(jī)內(nèi)效率不但沒(méi)有下降,反而升高了0.6%,綜合作用之后,機(jī)組熱耗僅升高約77 kJ/(k W·h)。汽輪機(jī)內(nèi)效率的提高,有效地彌補(bǔ)了循環(huán)熱效率下降對(duì)于運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響。

雖然高效1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)通過(guò)采取滑壓運(yùn)行方式,可保持相對(duì)內(nèi)效率在很寬的運(yùn)行區(qū)間內(nèi)近似不變；但是循環(huán)熱效率的下降,仍將不可避免地使得機(jī)組的發(fā)電效率降低,運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性變差。給水溫度的降低是由部分負(fù)荷下汽輪機(jī)變工況時(shí)第1級(jí)抽汽壓力的降低導(dǎo)致的,因此,通過(guò)增設(shè)0號(hào)高加以及更高參數(shù)的0級(jí)回?zé)岢槠?可達(dá)到在部分負(fù)荷時(shí)相對(duì)提高給水溫度的目的,減緩循環(huán)熱效率的降低幅度,對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生有益的影響。

3 工作原理

該汽輪機(jī)原第1級(jí)回?zé)岢槠谖挥诟邏焊椎?2級(jí)后,100%負(fù)荷時(shí)抽汽壓力為8.164 MPa,給水溫度為300℃；在80%負(fù)荷時(shí)該抽汽壓力降低到6.489 MPa,給水溫度相應(yīng)降低到284.4℃。為了提高回?zé)岢槠麉?shù),必須將0級(jí)抽汽口設(shè)置在更靠前的位置。

該汽輪機(jī)高壓缸第9級(jí)后的蒸汽壓力在75%負(fù)荷時(shí)為8.398 MPa,這一壓力與100%負(fù)荷時(shí)的第1級(jí)回?zé)岢槠麎毫ο嘟?可將給水加熱到額定給水溫度300℃。因此,可在高壓缸第9級(jí)后設(shè)置0級(jí)回?zé)岢槠?增設(shè)0號(hào)高加。

0號(hào)高加一般選用臥式表面凝結(jié)型給水加熱器,其主要技術(shù)條件參考1號(hào)高加,可選為上端差-1 K,下端差5.6 K。0級(jí)回?zé)岢槠苈穳簱p可選為2.5%；同時(shí),為保證0號(hào)高加不超壓,給水溫度不超溫,還需在0級(jí)回?zé)岢槠苈飞显O(shè)置調(diào)節(jié)閥,對(duì)其壓力進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。

增設(shè)0號(hào)高加之后,機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí),不但提高了給水溫度,而且增加了一級(jí)回?zé)岢槠?使得回?zé)岢槠偧?jí)數(shù)達(dá)到10級(jí),這兩個(gè)方面對(duì)于循環(huán)熱效率將同時(shí)產(chǎn)生獨(dú)立的、正的增益,因此可使機(jī)組在部分負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性大為改善。

該機(jī)組增設(shè)0號(hào)高加之后熱力循環(huán)參數(shù)隨負(fù)荷的變化見表2。

表2 熱力循環(huán)參數(shù)與負(fù)荷關(guān)系

由表2可見：在增設(shè)0號(hào)高加之后80%負(fù)荷時(shí),可提高給水溫度約19 K、循環(huán)平均吸熱溫度約6 K、循環(huán)熱效率約0.2%,降低機(jī)組熱耗約26 kJ/(k W·h)；60%負(fù)荷時(shí),可提高給水溫度約30 K、循環(huán)平均吸熱溫度約9 K、循環(huán)熱效率約0.3%,降低機(jī)組熱耗約31 kJ/(k W·h),效果顯著。

4 參數(shù)選擇

增設(shè)0號(hào)高加時(shí),按其工作原理,選擇不同的0級(jí)回?zé)岢槠麎毫?可使其在不同負(fù)荷下達(dá)到額定給水溫度。例如：在高壓缸第9級(jí)后設(shè)置回?zé)岢槠?可在75%負(fù)荷時(shí)達(dá)到額定給水溫度；如果在7級(jí)后設(shè)置回?zé)岢槠?則在65%負(fù)荷時(shí)能達(dá)到額定給水溫度。把0級(jí)抽汽不節(jié)流時(shí)給水溫度達(dá)到額定值時(shí)的工況負(fù)荷率稱為增設(shè)0號(hào)高加的基準(zhǔn)工況,這是增設(shè)0號(hào)高加必須要首先選定的設(shè)計(jì)條件。

0號(hào)高加基準(zhǔn)工況的選擇或者0級(jí)抽汽壓力的選擇對(duì)機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)經(jīng)濟(jì)性的收益有明顯影響。如果0級(jí)抽汽壓力選擇過(guò)高,一是機(jī)組保持額定給水溫度運(yùn)行的區(qū)間變大,這對(duì)經(jīng)濟(jì)性有正的增益；二是在基準(zhǔn)工況以下,可以達(dá)到更高的給水溫度,這對(duì)經(jīng)濟(jì)性也有正的增益；三是由于0級(jí)回?zé)岢槠麉?shù)過(guò)高,各級(jí)高加的溫升分布將會(huì)很不合理,這將對(duì)經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生負(fù)的增益。如果選擇過(guò)低,則不但保持額定給水溫度運(yùn)行的區(qū)間小,而且也達(dá)不到較高的回?zé)釡囟?同時(shí)各級(jí)高加的溫升也不合理。因此,必然存在一個(gè)最佳的0級(jí)抽汽壓力,使得增設(shè)0號(hào)高加之后在較大的負(fù)荷區(qū)間內(nèi)均具有最好的經(jīng)濟(jì)性收益。

對(duì)該汽輪機(jī)分別在高壓缸第5、7、9級(jí)后設(shè)置0級(jí)抽汽,作為增設(shè)0號(hào)高加的三個(gè)方案進(jìn)行比較。由熱力計(jì)算可知,這三個(gè)方案可分別在55%、65%、75%負(fù)荷時(shí)達(dá)到額定給水溫度。圖2給出了這3個(gè)基準(zhǔn)的0號(hào)高加方案在不同負(fù)荷條件下與不設(shè)置0號(hào)高加方案的經(jīng)濟(jì)性比較。

圖2 不同0號(hào)高加方案經(jīng)濟(jì)性比較

由圖2可知：5級(jí)后方案與7級(jí)后方案相比經(jīng)濟(jì)性差,不但在額定給水溫度運(yùn)行時(shí)收益小于7級(jí)后,而且在基準(zhǔn)工況以下保持較高給水溫度運(yùn)行時(shí),收益仍小于7級(jí)后。7級(jí)后與9級(jí)后則各有優(yōu)勢(shì),7級(jí)后在70%以下負(fù)荷熱耗比9級(jí)后低約10 kJ/(k W·h),在70%以上負(fù)荷則高約10 kJ/(k W·h)。從回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化的角度看, 9級(jí)后方案各級(jí)高壓加熱器溫升均勻,回?zé)岢槠亢侠?具有較高的經(jīng)濟(jì)性。

另外,該壓力的選擇也受制于汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)。由于該汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸為紅套環(huán)結(jié)構(gòu),受套環(huán)位置的限制,無(wú)法在7級(jí)后設(shè)置0級(jí)回?zé)岢槠?。綜合考慮之后,該汽輪機(jī)選擇9級(jí)后作為增設(shè)0級(jí)回?zé)岢槠淖罱K方案。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

增設(shè)0號(hào)高加之后,機(jī)組在75%負(fù)荷即可達(dá)到額定給水溫度300℃,在75%負(fù)荷到100%負(fù)荷區(qū)間內(nèi),需通過(guò)0級(jí)抽汽壓力調(diào)節(jié)閥,將進(jìn)入0號(hào)高加的蒸汽壓力限制在8.2 MPa以內(nèi),這樣就可使機(jī)組保持額定給水溫度300℃運(yùn)行。否則,給水溫度將超過(guò)額定值,這將使鍋爐排煙溫度升高,排煙損失增加,導(dǎo)致鍋爐效率降低。

圖3是投0號(hào)高加與不投0高加的經(jīng)濟(jì)性比較。

圖3 0號(hào)高加經(jīng)濟(jì)性曲線

由圖3可知：增設(shè)0號(hào)高加后,在40%～75%負(fù)荷內(nèi),機(jī)組熱耗整體下降約30 kJ/(k W·h)；在75%～100%負(fù)荷內(nèi),也就是保持額定給水溫度運(yùn)行區(qū)間內(nèi),投0號(hào)高加運(yùn)行的收益逐漸減小,熱耗負(fù)荷曲線與原曲線逐漸接近,在100%負(fù)荷時(shí)完全重合。

因此,增設(shè)0號(hào)高加的收益主要集中在部分負(fù)荷區(qū)間,其綜合收益可按表3所示的加權(quán)方法計(jì)算。

表3 增設(shè)0號(hào)高加收益計(jì)算

由表3可知：采用0號(hào)高加可使機(jī)組的加權(quán)熱耗降低約18.1 kJ/(k W·h),按鍋爐效率95%,管道效率99%計(jì)算,可使電廠的發(fā)電標(biāo)煤耗降低約0.7 g/(k W·h),按年利用小時(shí)數(shù)6 000 h、標(biāo)煤800元/t計(jì)算,每年可節(jié)約標(biāo)煤3 940 t,產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益315萬(wàn)元,效果非常顯著。

增設(shè)0號(hào)高加以后,在整個(gè)負(fù)荷區(qū)間內(nèi),投0號(hào)高加運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性始終是好的；同時(shí),由于機(jī)組保持不超過(guò)額定給水溫度運(yùn)行,因此不會(huì)對(duì)鍋爐效率產(chǎn)生負(fù)面影響。另外,0號(hào)高加的不間斷投入,可避免因反復(fù)投切而產(chǎn)生的交變熱應(yīng)力對(duì)其使用壽命的影響,這對(duì)于0號(hào)高加的長(zhǎng)期安全運(yùn)行也具有重要意義。

6 結(jié)語(yǔ)

筆者對(duì)于1 000 MW超超臨界機(jī)組增設(shè)0號(hào)高加的目的、工作原理、參數(shù)選擇以及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行了全面的計(jì)算及分析。經(jīng)過(guò)論述,得到采用合理參數(shù)的0號(hào)高加技術(shù),可使機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)熱耗整體降低約30 kJ/(k W·h)的結(jié)論,這對(duì)于改善機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性無(wú)疑將具有顯著的效果。

［1］崔映紅,王惠杰,馬曉芳.汽輪機(jī)變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的探討［J］.能源研究與利用,2002(4)：4-8.

［2］苑麗偉.大型火電機(jī)組熱系統(tǒng)變工況經(jīng)濟(jì)性診斷研究［D］.山東：山東大學(xué),2007.

［3］劉振剛,王永剛,王俊有,等.汽輪機(jī)組滑壓運(yùn)行方式的優(yōu)化［J］.發(fā)電設(shè)備,2007,21(6)：426-429.

Economy Analysis of a 1 000 MW Ultra Supercritical Unit with Installation of No.0 High-pressure Heater

Bao Weiwei
(Harbin Turbine Co.,Ltd.,Harbin 150046,China)

As to the problem that the efficiency of thermal cycle becomes low when thermal power unit works at partial loads,a technology named No.0 high-pressure heater which can improve the economy of the unit with partial loads is introduced.Based on the working principle of No.0 high-pressure heater, detail calculation and analysis were conducted to the economy of a 1 000 MW high-performance ultra supercritical power unit with installation of No.0 high-pressure heater.Results show that after application of this technology,the unit heat consumption has been reduced by 30 kJ/(k W·h),with obvious economic benefits.

steam turbine；ultra supercritical unit；thermal cycle；high-pressure heater；thermal economy

TK223.3

A

1671-086X(2015)03-0172-04

2014-11-17

包偉偉(1986-),男,工程師,主要從事汽輪機(jī)熱力、氣動(dòng)以及強(qiáng)度方面的設(shè)計(jì)工作。

E-mail：alndr@163.com