小汽輪機驅(qū)動給水泵和引風機的熱經(jīng)濟性分析

徐曙

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

小汽輪機驅(qū)動給水泵和引風機的熱經(jīng)濟性分析

徐曙

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

Heat econom y analysis of feed pum p and induced draught fan driven by small turbine

比較火電廠分別采用小汽輪機與電機驅(qū)動給水泵及引風機的熱經(jīng)濟性。同時對電泵、變頻引風機的效率進行對比，計算其內(nèi)效率，得出采用小汽輪機驅(qū)動可以達到節(jié)能的結(jié)論。

小汽輪機；給水泵；引風機；經(jīng)濟性；節(jié)能

給水泵、引風機是火電廠的耗電大戶,如何降低給水泵和引風機的耗電量成為許多電廠節(jié)能降耗的首選。

在設(shè)計上,大多數(shù)300MW及以上機組的給水泵均采用小汽輪機驅(qū)動降低了機組的廠用電率,但汽輪機的熱耗率有所增加。一般認為300MW及以上機組采用汽動比電動給水泵經(jīng)濟,300 MW以下機組采用電動給水泵比較經(jīng)濟。

基于引風機等其它輔機是否同樣可以采用小汽輪機驅(qū)動。文中在主蒸汽流量不變的情況下對采用小機驅(qū)動和采用電機驅(qū)動2種方式進行比較分析,探討其經(jīng)濟性。

與采用電機驅(qū)動方式相比,采用小機驅(qū)動方式主機的部分級段蒸汽流量將有所下降,根據(jù)弗留格爾公式,主機各段抽汽參數(shù)應(yīng)略有變化,但幅度不大。為便于分析,假定2種方式下各段抽汽參數(shù)均不變。根據(jù)各加熱器的能量和流量平衡,在主蒸汽流量和各段抽汽參數(shù)不變的情況下,給水、凝結(jié)水和所有加熱器的進汽流量均應(yīng)不變。

1 小汽輪機驅(qū)動給水泵經(jīng)濟性分析

采用小機驅(qū)動給水泵一般都是以四段抽汽(中壓缸排汽)作為小機的汽源。蒸汽從中壓缸末級流出后,采用小機驅(qū)動的運行方式。

蒸汽從中壓缸末級流出后,至低壓缸只有一截較短的連通管,壓損較小,設(shè)計一般為2%；小機抽汽管道相對較長,且存在逆止門,設(shè)計壓損一般為5%,因此,低壓缸比小機的進汽參數(shù)略高。同時,從低壓缸流出的蒸汽壓力為凝汽器壓力,而小機排汽必然存在1～2 kPa的壓損。

若采用電機驅(qū)動給水泵,原流過小機的蒸汽將返回低壓缸作功。根據(jù)假定低壓缸各段抽汽流量不變,原小機抽汽的全部蒸汽將從低壓缸進口流至低壓缸排汽口。2種方式小機抽汽的作功分別為:

式中 WLP和WST為小機抽汽分別在低壓缸和小機內(nèi)的作功,G為小機抽汽流量,ΔHLP和ΔHST分別為低壓缸和小機的等熵焓降,ηLP、ηST分別為低壓缸和小機的內(nèi)效率。由于流過低壓缸的進汽參數(shù)高,排汽參數(shù)低,因此ΔHLP＞ΔHST；由于低壓缸葉片長,加工難度較低,而小機葉片短,加工難度較大,因此低壓缸比小機內(nèi)效率高。一般300MW機組低壓缸內(nèi)效率設(shè)計在88%左右,而小機內(nèi)效率設(shè)計在82%左右,即ηLP＞ηST,因此WLP＞W(wǎng)ST,即小機抽汽返回低壓缸大于蒸汽在小機內(nèi)所作的功。

但是,除非直接用主機大軸驅(qū)動給水泵,否則流過低壓缸蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為動能后,必然經(jīng)過動能向電能的轉(zhuǎn)換 (發(fā)電機),然后由電能轉(zhuǎn)換為動能 (給水泵電機),再經(jīng)過液力耦合器 (或變頻器)變速,才能驅(qū)動給水泵,因此,僅比較WLP和WST不能評價2種運行方式的優(yōu)劣,還應(yīng)綜合考慮發(fā)電機效率ηG,給水泵電機效率ηP、液力耦合器(或變頻器)效率ηT才能進行評價。

在相同工況下,2種方式給水泵的流量、揚程相同,因此,泵的有效功率和效率是相同的。采用小機驅(qū)動需要的蒸汽流量可通過如下公式計算:

式中 W為給水泵有效功率,ηP為給水泵效率。

如果取消小機,抽汽將返回低壓缸內(nèi)繼續(xù)作功,機組的發(fā)電量將增加:

取消小機后必須增加電動給水泵,消耗的電量可通過如下公式計算:

如果ηST＞ΔHLPηLPηGηMηT/ΔHST,則P1＜P2,小機抽汽返回機組作的功不足以驅(qū)動電動給水泵,需要另外提供電量,因此,采用小機驅(qū)動給水泵機組輸出的凈功率較大,經(jīng)濟性較好；反之則說明小機抽汽返回機組作的功不僅能滿足電動給水泵所需,還有部分電量輸出,采用電動給水泵較經(jīng)濟。

一般而言,發(fā)電機和給水泵電機效率均比較穩(wěn)定,隨負荷變化較小。300 MW機組的設(shè)計發(fā)電機效率約在 98.9%,給水泵電機設(shè)計效率約在95.5%,液力耦合器和變頻器在高負荷下的效率約在95%,在不考慮等熵焓降時,300MW負荷下按低壓缸效率88%計算,小機內(nèi)效率高于79%即可節(jié)能；如果考慮等熵焓降,需視汽源設(shè)計參數(shù)、抽汽壓損、排汽壓損和凝汽器壓力等情況進行計算,估計小機內(nèi)效率高于80%也可節(jié)能,因此300MW機組采用小汽輪機驅(qū)動給水泵經(jīng)濟性較好。

以上分析是在額定主蒸汽流量的情況下進行的。在低負荷下,小機內(nèi)效率受進汽調(diào)門開度、排汽容積和流量、進汽參數(shù)的綜合影響,會緩慢下降,降低小機的經(jīng)濟性。但是采用液力耦合器的電動給水泵存在耦合器滑差率的問題,低負荷下液力耦合器效率下降很快,因此與采用液力耦合器的電動給水泵相比,一般300MW及以上機組采用小汽輪機驅(qū)動給水泵是節(jié)能的。300MW以下機組采用小機驅(qū)動給水泵,由于小機進汽流量低,葉片較短,制造和加工的難度大,容易造成小機內(nèi)效率偏低。

和采用變頻器的電動給水泵相比,由于變頻器的效率隨負荷變化小,因此雖然在高負荷下采用小機驅(qū)動給水泵較經(jīng)濟,但在低負荷下由于小機內(nèi)效率下降,采用變頻器的電動給水泵有可能經(jīng)濟性更好。

2 小汽輪機驅(qū)動引風機經(jīng)濟性分析

大多數(shù)引風機設(shè)計采用電機驅(qū)動、電機定速運行,通過改變靜葉開度調(diào)節(jié)爐膛負壓。其優(yōu)點是操作簡便,系統(tǒng)可靠性高,缺點是耗電量高,經(jīng)濟性較差。目前,對引風機的節(jié)能改造基本是2種方式,一種是電機變頻改造,另一種是采用小汽輪機驅(qū)動。對于定速電機驅(qū)動的引風機,其經(jīng)濟性差是一個共識,因此不再進行討論,以下分析變頻引風機和小機驅(qū)動引風機的經(jīng)濟性。

驅(qū)動引風機的小機一般有2種:一種是采用背壓式汽輪機,乏汽回收至除氧器和加熱器,或者用于供熱；另一種是采用凝汽式汽輪機,在爐側(cè)增設(shè)小機凝汽器,乏汽冷凝后泵至主機凝汽器。因為爐側(cè)和主機凝汽器距離遠,管損大,凝汽式汽輪機的乏汽一般不直接引回主機凝汽器,否則小汽輪機排汽壓力過高,將降低小機經(jīng)濟性。

乏汽用于供熱的背壓式小汽輪機經(jīng)濟性最好。蒸汽可直接取自爐側(cè)熱再或冷再,抽汽的管道損失較小,乏汽排入熱網(wǎng),背壓相對穩(wěn)定,降低了系統(tǒng)設(shè)計的難度,且熱量得到充分利用。但此方式必須有供熱需求,對于某些不需要供熱的機組不適用。

乏汽回收至除氧器或加熱器的背壓式小汽輪機對熱力系統(tǒng)的影響很大,而且乏汽的壓力、流量必須在所有工況下都和回收裝置匹配,系統(tǒng)設(shè)計的要求極高。這一方式對整個機組的熱平衡改變大,隨著鍋爐煤質(zhì)和燃燒調(diào)整的變化,引風機的功耗不同,汽輪機熱力系統(tǒng)的運行情況也不一樣。雖然可以在管道上加裝調(diào)節(jié)閥,或者排汽至下一級加熱器,但由于熵增大,其經(jīng)濟性變差,因此一般不推薦采用這一方式。

對于凝汽式小汽輪機,必須另設(shè)凝汽器、循環(huán)水、抽真空系統(tǒng)、凝結(jié)水回收系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、控制油系統(tǒng)等輔助設(shè)備,并且由于小機轉(zhuǎn)速高而引風機轉(zhuǎn)速低,需要在小機和引風機之間加裝變速器。由于小機只能被安排在爐側(cè),如果仍然采用四段抽汽作為小機汽源,抽汽壓損無疑將大大增加,小機的等熵焓降下降較嚴重；如果采用冷再或熱再作為小機汽源,不僅將嚴重降低蒸汽的作功能力,同時由于小機進汽壓力較高,加工難度大,其內(nèi)效率也難以提高。

不管是采用凝汽式汽輪機驅(qū)動還是采用變頻電機驅(qū)動,在主蒸汽流量相同的情況下,引風機的運行狀況可視為相同,即引風機的有效功率和引風機效率相同。如果采用四段抽汽作為小機汽源,則與驅(qū)動給水泵的小機情況類似,采用小機驅(qū)動和采用變頻電機驅(qū)動2種方式高、中壓缸運行情況相同,小機抽汽流量可通過如下公式計算:

式中 W為引風機有效功率,ηF為引風機效率, ηR為變速器效率。

如果取消小機,抽汽將返回低壓缸繼續(xù)作功,機組的發(fā)電量將增加:

取消小機后加裝變頻電機驅(qū)動引風機,耗電量可用如下公式計算:

式中 ηM為風機電機效率,ηT為變頻器效率。

如果 ηST＞ ΔHLPηLPηGηMηT/ΔHST/ηR, 則 P3＜P4,小機抽汽返回機組作的功不足以驅(qū)動變頻引風機,采用小機驅(qū)動引風機經(jīng)濟性較好；反之則說明采用變頻引風機較經(jīng)濟。

由于小機的等熵焓降下降,加之變速器效率的影響,因此用小機驅(qū)動引風機比驅(qū)動給水泵的經(jīng)濟性差。在低負荷下,小機調(diào)門的節(jié)流損失會降低小機內(nèi)效率,采用變頻引風機的經(jīng)濟性會更明顯。

如果采用熱再作為小機汽源,則高壓缸運行情況不變,中、低壓缸作功減少,式 (7)變?yōu)?

式中 ΔHMP為中壓缸等熵焓降,ηMP為中壓缸內(nèi)效率。

對比 P3, P4, ηST＞ (ΔHLPηLP＋ΔHMPηMP) ηGηMηT/ΔHST/ηR時采用小機驅(qū)動引風機較經(jīng)濟,反之則采用變頻引風機較經(jīng)濟。

采用熱再作為小機汽源由于進汽參數(shù)高,抽汽壓損低,小機的等熵焓降大大增加,但主機損失的作功同樣增加。而且小機葉片短,加工難度大,設(shè)計和制造的時候應(yīng)加以關(guān)注。

如果采用冷再作為小機汽源,由于再熱器吸熱量發(fā)生改變,因此不僅需要對比電量,還需要對比吸熱量,計算相對復(fù)雜。并且冷再壓力高、溫度低,濕蒸汽區(qū)提前,小機制造的難度相應(yīng)增加。

考慮到采用小機驅(qū)動引風機的投資大,回收周期長,且設(shè)備維護難度大,應(yīng)根據(jù)電廠、小機設(shè)計內(nèi)效率和汽源等情況綜合考慮。但采用小機驅(qū)動引風機對電廠另有一項收益:由于廠用電量減少,在發(fā)電量不變的情況下機組的供電量會增加。

3 總結(jié)

盡管蒸汽在低壓缸內(nèi)作功高于在小機,但由于采用電機驅(qū)動給水泵能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多,損失大,隨著小機制造水平的提高,目前300MW及以上機組采用小機驅(qū)動給水泵較經(jīng)濟。

采用小機驅(qū)動引風機的經(jīng)濟性不如用小機驅(qū)動給水泵的經(jīng)濟性。如果機組有供熱,采用乏汽用于供熱的小汽輪機比較經(jīng)濟。如果采用凝汽式小汽輪機,必須綜合考慮小機汽源、主機運行情況、小機內(nèi)效率、投資成本、設(shè)備維護甚至市場等具體細節(jié),對比電量和熱量的變化,來決定是采用小機驅(qū)動還是變頻電機驅(qū)動。

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〔3〕汪孟東.火電廠熱力系統(tǒng)分析 〔M〕.北京:水利電力出版社,1990.

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TK264.9

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1008-0198(2014)01-0051-03

徐曙(1973),男,湖南省湘陰縣人,大學本科,汽輪機專業(yè)節(jié)能高級工程師。

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.01.016

2013-06-26 改回日期:2013-11-13