200MW 直接空冷機(jī)組熱力系統(tǒng)節(jié)能潛力分析

張國(guó)龍 馬 輝

（神華國(guó)能 （神東電力）集團(tuán)公司，北京市西城區(qū)，100033）

1 引言

神華億利能源有限公司所屬的4×200 MW 煤矸石電廠配置的NZK200-12.75／535／535型、雙缸、雙排汽、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)組，自投運(yùn)以來，由于設(shè)備制造、安裝、系統(tǒng)運(yùn)行不合理等因素的影響，造成機(jī)組的部分運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)值相比偏高，有較大的節(jié)能空間，迫切需要采取措施，提高機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

現(xiàn)運(yùn)用火電廠節(jié)能診斷理論，以DCS運(yùn)行數(shù)據(jù)、運(yùn)行規(guī)程和機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況為依據(jù)，對(duì)神華億利電廠NZK200-12.75／535／535型機(jī)組熱力系統(tǒng)的節(jié)能潛力進(jìn)行分析，找出熱力系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題，定量計(jì)算這些問題對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響，從而為機(jī)組的優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)，為檢修、節(jié)能改造項(xiàng)目的方案制定提供客觀依據(jù)。

2 熱力系統(tǒng)節(jié)能潛力分析

神華億利電廠NZK200-12.75／535／535型機(jī)組熱力簡(jiǎn)圖如圖1 所示。該機(jī)組由6 級(jí)非調(diào)節(jié)抽氣，加熱器形式為疏水放流式。根據(jù)熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)捷計(jì)算和等效熱降理論，對(duì)該機(jī)組原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到經(jīng)濟(jì)性診斷的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具體見表1。

圖1 NZK200-12.75／535／535型機(jī)組熱力簡(jiǎn)圖

通過對(duì)DCS運(yùn)行數(shù)據(jù)、運(yùn)行規(guī)程和機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況的分析，發(fā)現(xiàn)神華億利電廠熱力系統(tǒng)運(yùn)行存在如下問題：機(jī)組高加旁路滲漏，軸封漏氣量大，個(gè)別加熱器端差偏大，過熱器減溫水量大，運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)不當(dāng)、長(zhǎng)時(shí)間使用再熱器減溫水，凝結(jié)水再循環(huán)流量過大，連排擴(kuò)容器未投入使用，排汽壓力偏高等。下面針對(duì)以上主要因素對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性影響進(jìn)行定量分析，診斷模型如下：

裝置效率的相對(duì)變化為

標(biāo)準(zhǔn)煤耗率變化為

式中：H——1kg新蒸汽的實(shí)際作功，kJ／kg；

ΔQ——1kg 新蒸汽吸熱量的變化量，kJ／kg；

ΔH——1kg 新蒸汽作功能力的變化量，kJ／kg；

ηi——裝置效率；

bb——供電煤耗率，g／ （kW·h）

2.1 高加切除及旁路滲漏對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

在保護(hù)高、低壓加熱器的旁路中，由于閥門關(guān)閉不嚴(yán)或者其他原因，部分給水經(jīng)旁路流走，繞過加熱器組，將影響機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。4＃機(jī)組因高加水側(cè)泄被迫停用，對(duì)經(jīng)濟(jì)性造成很大影響。當(dāng)給水不經(jīng)過加熱器時(shí)，將導(dǎo)致加熱器少抽氣，使1 kg新蒸汽作功能力的增加值為

而循環(huán)吸熱量也相應(yīng)增加：

式中：ΔQzr-5和ΔQzr-6——5號(hào)和6號(hào)加熱器排擠1 kg新蒸汽引起再熱器吸熱量的變化量，kJ／kg。由式 （1）和式 （2）可得到由于高加停用導(dǎo)致裝置相對(duì)效率降低1.63%，標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加5.755g／ （kW·h）。

運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，機(jī)組的高壓給水旁路三通閥滲漏，導(dǎo)致高加部分給水短路，分析可得高加的平均滲漏率為6%，導(dǎo)致裝置效率降低0.11%，標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加0.378g／ （kW·h）。

表1 NZK200-12.75／535／535型機(jī)組經(jīng)濟(jì)性分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.2 軸封漏氣量對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

軸封漏汽不僅損失工質(zhì)，還伴隨熱量的損失，這將降低機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。為了減小不利影響，一般將漏汽回收利用。神華億利電廠機(jī)組將高壓缸后軸封二檔漏汽引入1 號(hào)加熱器 （即現(xiàn)場(chǎng)的6 號(hào)低加）。通過對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析可知，1 號(hào)加熱器溫升比設(shè)計(jì)值高7.3℃，可以判斷高壓缸后軸封漏汽超標(biāo)：假定漏氣壓力為0.03 MPa，溫度為220℃，則軸封漏氣超標(biāo)約7.07t／h，lkg泄露蒸汽作功能力損失為

而循環(huán)吸熱量也相應(yīng)減少，其減少值為

式中：αf——漏汽超標(biāo)份額；

hf——漏汽的焓值，kJ／kg；

σ——再熱吸熱量，kJ／kg。

由式 （1）和式 （2）可得，由于軸封漏氣量大，導(dǎo)致裝置相對(duì)效率降低0.42%，標(biāo)準(zhǔn)煤耗率增加1.465g／ （kW·h）。

2.3 加熱器端差對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

在加熱器設(shè)計(jì)中有技術(shù)經(jīng)濟(jì)性選定的端差。在運(yùn)行設(shè)備中，由于各種原因產(chǎn)生給水加熱不足稱為運(yùn)行端差。運(yùn)行端差過大，雖然沒有發(fā)生直接的明顯熱損失，但是增加了熱交換的不可逆性，產(chǎn)生了額外的冷源損失，降低了裝置的熱經(jīng)濟(jì)性。表2給出各加熱器端差設(shè)計(jì)值與運(yùn)行值，可以看出1號(hào)加熱器上端差、3號(hào)加熱器上端差、6號(hào)加熱器上端差超標(biāo)。下面利用等效熱降理論，對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性分析。

表2 加熱器端差設(shè)計(jì)值與運(yùn)行值 ℃

2.3.1 1號(hào)加熱器上端差超標(biāo)

1號(hào)加熱器上端差超標(biāo)，使1號(hào)加熱器出水溫度較設(shè)計(jì)值偏低7℃，折算到焓差為Δτ1=29.41 kJ／kg，端差超標(biāo)導(dǎo)致lkg新蒸汽作功能力降低值為

由式 （1）和式 （2）可得，裝置相對(duì)效率降低0.141%，標(biāo)準(zhǔn)煤耗率升高0.532g／ （kW·h）。

2.3.2 3號(hào)加熱器上端差超標(biāo)

3號(hào)加熱器上端差運(yùn)行值比設(shè)計(jì)值高1.7℃，折算到焓差為Δτ3=7.30kJ／kg，1kg新蒸汽作功能力降低值為

由式 （1）和式 （2）可得，裝置相對(duì)效率下降0.032%，標(biāo)準(zhǔn)煤耗率升高0.113g／ （kW·h）。

2.3.3 6號(hào)加熱器上端差超標(biāo)

6號(hào)加熱器上端差運(yùn)行值比設(shè)計(jì)值高3.4℃，折算到焓差為Δτ3=15.76kJ／kg，1kg新蒸汽作功能力降低值為

循環(huán)吸熱量增加值為

由式 （1）和式 （2）可得，裝置相對(duì)效率下降0.028%，標(biāo)準(zhǔn)煤耗率升高0.1g／ （kW·h）。

表3 加熱器端差分析結(jié)果

2.4 過熱器減溫水對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

噴水減量是熱系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，神華億利電廠的過熱器噴水來自給水泵出口母管，不流經(jīng)高壓加熱器，減少了回?zé)岢槠档土嘶責(zé)岢潭?，造成熱?jīng)濟(jì)性降低。機(jī)組帶額定負(fù)荷時(shí)，過熱器I、Ⅱ級(jí)減溫水總量達(dá)45t／h，利用等效熱降理論可得，1kg新蒸汽作功能力增加值為

與此同時(shí)，1kg新蒸汽吸熱量的增加值為

由式 （1）、式 （2）計(jì)算得：裝置相對(duì)效率降低0.124%，標(biāo)準(zhǔn)煤耗率增加0.436g／ （kW·h）。

2.5 再熱器減溫水對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

再熱器氣溫的調(diào)節(jié)，原則上不采用噴水方法，再熱器設(shè)置噴水調(diào)溫僅作為輔助性細(xì)調(diào)或事故噴水。因?yàn)樵贌崞鲊娝h(huán)是一個(gè)非再熱的中參數(shù)或者比中參數(shù)還低的循環(huán)，與高參數(shù)的主循環(huán)相比，其熱經(jīng)濟(jì)性要低得多。該機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，有時(shí)在再熱器煙氣調(diào)溫?fù)醢彘_度偏大的同時(shí)使用再熱器噴水減溫，假定再熱器減溫水的流量為4.5t／h，再熱器噴水不經(jīng)過高壓加熱器，會(huì)導(dǎo)致高加部分氣不流經(jīng)高壓缸，1kg新蒸汽少作功的值為

循環(huán)吸熱量減少值為

由式 （1）、式 （2）計(jì)算得裝置相對(duì)效率降低0.18%，標(biāo)準(zhǔn)煤耗率增加0.636g／ （kW·h）。

分析對(duì)比2.4和2.5節(jié)計(jì)算結(jié)果可以看出，再熱器噴水減溫使機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性減少，其是過熱器噴水減溫的十多倍。因此，應(yīng)分析原因、采取措施，防止再熱氣溫升高。如果再熱汽溫升高，也不能圖一時(shí)的方便而將再熱事故噴水作為主要調(diào)溫手段使用。如果不得不使用減溫水時(shí)，則應(yīng)盡量多使用過熱器減溫水，少用或不用再熱器減溫水。

2.6 凝結(jié)水再循環(huán)對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

在200 MW 直接空冷機(jī)組熱力系統(tǒng)的低壓凝結(jié)水管道上設(shè)有再循環(huán)系統(tǒng)。它將部分凝結(jié)水返回排汽裝置，使之再次流經(jīng)軸封加熱器和1 號(hào)加熱器。在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)冷卻軸封加熱器，低負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)通往除氧器的凝結(jié)水量。由于神華億利電廠機(jī)組大部分時(shí)間，負(fù)荷小于額定負(fù)荷的80%，加上閥門存在內(nèi)漏情況，使再循環(huán)系統(tǒng)經(jīng)常、長(zhǎng)時(shí)間投入運(yùn)行。不同負(fù)荷條件下對(duì)應(yīng)的再循環(huán)水量見表4。再循環(huán)系統(tǒng)不斷將加熱后的熱水返回排汽裝置，在排汽裝置放熱無疑增加了冷源損失，降低了熱經(jīng)濟(jì)性。機(jī)組50% ～100%的負(fù)荷平均有0.28份額主凝結(jié)水經(jīng)過再循環(huán)返回排汽裝置，其作功能力損失為

由式（1）、式 （2）計(jì)算得：裝置相對(duì)效率降低0.247%，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率升高0.873g／ （kW·h）。

由表4可知，再循環(huán)份額隨著負(fù)荷的降低增加較快，使發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率隨負(fù)荷降低有較高的增長(zhǎng)。通過分析運(yùn)行數(shù)據(jù)還可知，再循環(huán)水溫度遠(yuǎn)高于排汽裝置壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度，部分再循環(huán)水不可避免地被氣化，在空冷島被再次冷卻凝結(jié)，使機(jī)組帶負(fù)荷的能力降低 （夏天尤為突出）。同時(shí)，也增加了凝結(jié)水泵和空冷風(fēng)機(jī)的耗電量，所以有必要對(duì)其進(jìn)行改造。

2.7 連排擴(kuò)容器未投入使用，對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

鍋爐的排污不僅帶來工質(zhì)的損失，而且還伴有熱量的損失。排污水?dāng)?shù)量大、壓力高，是一種高能級(jí)的熱水，一般都予以充分利用，以減少工質(zhì)和熱量損失，提高電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。神華億利電廠4＃機(jī)組連排擴(kuò)容器由于閥門泄露而一直沒有投入使用，導(dǎo)致定排次數(shù)多，排污量大，對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性造成了很大的影響。將鍋爐定排看作未被擴(kuò)容利用的連排，來計(jì)算其對(duì)神華億利電廠經(jīng)濟(jì)性的影響，排污使作功能力的損失值為

同時(shí)，循環(huán)吸熱量增加值為

由式 （1）式和 （2）可得，由于連排擴(kuò)容器未投入使用，導(dǎo)致裝置相對(duì)效率降低0.673%，標(biāo)準(zhǔn)煤耗率增加2.374g／ （kW·h）。

如果將連排擴(kuò)容器投入使用，回收利用這部分損失的工質(zhì)和熱量。假定回收率為50%，回收蒸汽壓力為1.2MPa （大于除氧器壓力），溫度為200℃，則擴(kuò)容蒸汽為帶工質(zhì)的熱量進(jìn)入系統(tǒng)。其回收功為

由式 （1）、式 （2）計(jì)算得：裝置相對(duì)效率提高0.272%，標(biāo)準(zhǔn)煤耗率降低0.959g／ （kW·h）。由此可見，排污擴(kuò)容氣的利用對(duì)提高電廠經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

2.8 排汽壓力高對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

該機(jī)組的設(shè)計(jì)背壓是14kPa，但是運(yùn)行中由于各種原因，導(dǎo)致運(yùn)行背壓高于設(shè)計(jì)值近2.5kPa；夏天高負(fù)荷時(shí)情況更嚴(yán)重，有時(shí)排汽壓力高達(dá)25 kPa，對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性造成了很大影響。

圖2 排汽壓力作功分析系統(tǒng)圖

汽機(jī)排汽壓力變化對(duì)機(jī)組作功的影響，可從兩方面考慮，一是排汽焓變化，引起機(jī)組有效燴降作功量的變化，二是凝結(jié)水溫度的改變，引起最末一個(gè)低壓加熱器抽氣量的變化，從而影響了作功量。如圖2所示，應(yīng)用等效熱降的基本原理，定量分析上述兩部分作功變化規(guī)律。當(dāng)機(jī)組排汽壓力升高時(shí)，機(jī)組排汽燴變化Δh=h'c-hc=6.37kJ／kg。因?yàn)檫@部分焓降是αnkg蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)的有效作功燴降，它直接導(dǎo)致新蒸汽作功減少值為ΔH01=αn（h'n-hn）=4.55kJ／kg。

另一部分是凝結(jié)水溫升引起的新蒸汽作功變化，它類似于凝結(jié)水過冷度的分析方法，由于1號(hào)加熱器的抽氣壓力不變，加熱器的出口水溫不變，1號(hào)加熱器的焓升變化值為Δτn=t′n-tn=14.22 kJ／kg，將使1 號(hào)加熱器的熱耗量減少αnnΔτn=12.50kJ／kg，應(yīng)減少抽汽量以保證t1不變。按等效熱降原理，相當(dāng)于純熱量αnnΔτn進(jìn)出1號(hào)加熱器系統(tǒng)，引起新蒸汽等效熱降增加，新蒸汽體功減少值為：

式中：αnn——通過1號(hào)加熱器的凝結(jié)水流量份額；

η′1——排汽壓力變化后的1號(hào)加熱器的抽汽效率。

神華億利電廠1號(hào)加熱器是 疏水放流式，由于1號(hào)加熱器的抽氣壓力不變，其加熱器的疏水溫度和疏水焓不變，故

η'1計(jì)算公式及計(jì)算結(jié)果為

因此，排汽壓力降低引起的新蒸汽等效熱降變化為

由式 （1）、式 （2）計(jì)算得：裝置相對(duì)效率降低0.321%，標(biāo)準(zhǔn)煤耗率升高1.131g／ （kW·h）。

3 結(jié)論

以神華億利電廠200 MW 機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)、運(yùn)行規(guī)程和機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況為依據(jù)，針對(duì)機(jī)組運(yùn)行中存在的不能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題，進(jìn)行了定量分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，該機(jī)組在不切除高加、不使用再熱器減溫水的情況下， 節(jié)能潛力達(dá)6.26g／ （kW·h）。通過采取在機(jī)組檢修中維修三通閥、保證安全前提下適當(dāng)調(diào)整高壓缸軸封間隙、減小加熱器的運(yùn)行端差、加強(qiáng)過熱器減溫水與再熱器減溫水的維護(hù)與管理、改造連排擴(kuò)容器疏水調(diào)節(jié)閥、對(duì)凝結(jié)水泵加裝變頻器等有針對(duì)性的措施，徹底解決了上述問題。采取上述措施后，機(jī)組性能試驗(yàn)結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)煤耗率下降5g／ （kW·h），顯著提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

［1］ 林萬(wàn)超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論 ［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1994

［2］ 嚴(yán)俊杰，邢秦安，林萬(wàn)超等.火電廠熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性診斷理論及應(yīng)用 ［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2000

［3］ 嚴(yán)俊杰，黃錦濤等.發(fā)電廠熱力設(shè)備及系統(tǒng) ［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003

［4］ 李秀云，嚴(yán)俊杰，林萬(wàn)超.用等效熱降法確定排汽壓力變化對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響 ［J］ .熱能動(dòng)力工程，1999 （5）

［5］ 李天軍，夏傳弟，苗錦華等.4×200MW 機(jī)組熱機(jī)運(yùn)行規(guī)程（試行版）.神華億利能源有限責(zé)任公司，2007