0號高壓加熱器應用現狀及其對機組性能影響

張彥鵬 ，鄭　威 ，韓　悅 ，郭　盈 ，陳　奇

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東　濟南　250003；2.山東中實易通集團有限公司，山東　濟南　250003）

0　引言

根據2014年9月12日國家發(fā)改委、環(huán)保部、能源局聯合制定的 《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》的要求和機組長時間處于低負荷運行的現狀，發(fā)電企業(yè)在新建和改造火電機組時，特別重視節(jié)能新技術的應用。為提高機組在低負荷工況下的運行效率，回熱系統(tǒng)優(yōu)化是值得關注的一個重要方向。而回熱加熱器級數是影響回熱系統(tǒng)熱經濟性的主要因素之一。隨著回熱加熱器級數的增加，給水溫度升高，機組的循環(huán)熱效率也提高[1]。增設0號高壓加熱器（簡稱0號高加）是一種在低負荷下具有節(jié)能減排效益，提高機組運行經濟性以及脫硝裝置投入率的措施之一。

1　0號高壓加熱器及其應用現狀

在回熱系統(tǒng)中，1號高壓加熱器后與鍋爐省煤器前增設1個高壓加熱器用來加熱給水；高壓加熱器的蒸汽是由1級抽汽前的高壓缸某級后抽出；高壓加熱器的疏水采用逐級自流至1號高加或除氧器，滿足上述條件的高壓加熱器稱為0號高壓加熱器。0號高加技術現階段只應用在部分超超臨界機組上。

1.1　0號高壓加熱器的汽源選取

0號高壓加熱器選取參數合適且不影響機組安全性的高壓汽源十分重要；根據機組結構不同，0級抽汽的汽源按以下兩種情況選取。

1.1.1　具備補汽閥的機組汽源選取

超超臨界機組中補汽閥是指在每個主汽閥后、調節(jié)閥前引出1根新蒸汽管道，接入1個外置補汽調節(jié)閥，將新蒸汽節(jié)流后送入高壓缸第5級動葉后空間。補汽閥在機組額定負荷以上超發(fā)和快速響應一次調頻要求時才使用，機組低負荷時采用主汽調節(jié)閥全開的滑壓運行方式，不使用補汽閥[2]。機組就是借助汽輪機現有的補汽閥，閥后導汽管上設置三通；在低負荷時利用高壓缸補汽閥接口抽汽送至0號高加。0號高加與補汽閥進汽共用一個接口，通過補汽閥和0號高加抽汽管路的快關調節(jié)閥切換，具體見圖1。

圖1　具備補汽閥的機組汽源選取

具備補汽閥的機組中0級抽汽的汽源選取優(yōu)點是補汽閥在低負荷時處于停用狀態(tài)，而0號高加主要作用就是提高低負荷時機組的經濟性，既具有節(jié)能減排功效又合理利用了補汽閥，同時安全性能高，設備投資成本低，安裝簡易、快捷，運行維護簡單；其缺點是汽源采用高壓缸第5級動葉后，需減壓降焓再接入0號高加，存在一定的節(jié)流損失，降低機組的經濟性。

華能威海發(fā)電廠、銅山華潤電力有限公司、浙江浙能臺州第二發(fā)電廠、外高橋第三發(fā)電廠等均采用此方案。

1.1.2　不具備補汽閥的機組汽源選取

對于沒有補汽閥的機組，無論是新建機組還是改造機組，0級抽汽的汽源都存在如何優(yōu)選的問題，一般都是根據各負荷條件下加權平均熱耗降低幅度最大的原則進行汽源優(yōu)選，最佳的汽源應選取高壓缸第7級動葉后，經過優(yōu)化計算，確定選取高壓缸第9級后為0級抽汽的汽源[3]，如圖2所示。

圖2　不具備補汽閥的機組汽源選取

不具備補汽閥的機組中0級抽汽的汽源是經過優(yōu)化計算的最佳汽源，不需要減壓降焓，機組經濟性較高；其缺點是需要驗證外缸的強度、剛性，安全性能無法保證，設備投資成本高，加工難，尤其是在高壓缸上打孔，運行維護難。

此方案處于理論研究階段，投資成本高，回收年限長，目前還沒有發(fā)電企業(yè)采用此方案。

1.2　0號高加的安裝方式

增設的0號高加與其他高加系統(tǒng)有所不同，0號高加水側有采用通過全部給水和部分給水兩種方式，對于超超臨界機組，通過全部給水對于0號高加的制造工藝要求高、投資高、運行安全性差，大部分發(fā)電企業(yè)采用部分給水通過0號高加的方式。對于1 000 MW機組有單列高壓加熱器和雙列高壓加熱器之分，安裝方式又有不同。

1.2.1　單列高壓加熱器安裝方式

0號高加作為最后一級給水高壓加熱器，布置在進入省煤器前的給水管道上，而660 MW及以上超超臨界機組多數設置了3號高加的外置式蒸汽冷卻器（以下簡稱蒸汽冷卻器），針對上述情況0號高加安裝方式通常有以下3種方案。

方案一。對于設置蒸汽冷卻器的機組，0號高加與蒸汽冷卻器并聯。一部分給水通過0號高加，另一部分給水通過蒸汽冷卻器，兩部分給水混合流向省煤器，具體見圖3，其中0號高加可以與1～3號高加共用一套高壓給水旁路系統(tǒng)，可節(jié)省投資；0號高加正常疏水可以采用逐級自流的疏水方式，即疏水至1號高加，但逐級自流方式系統(tǒng)稍復雜，也要考驗1～3號高加的疏水流通能力；也可疏水至除氧器或凝汽器，但經濟性差；事故疏水至高加事故疏水擴容器。機組正常運行中高負荷時，切除0級抽汽，0號高加不投運，0號高加相當于一個給水通道，有壓降，經濟性稍差；低負荷時，0號高加投運，控制0級抽汽的調節(jié)閥開度，進而控制0級抽汽量，防止超壓。

圖3　0號高加與蒸汽冷卻器并聯

方案二。對于設置蒸汽冷卻器的機組，0號高加與蒸汽冷卻器串聯。一部分給水通過蒸汽冷卻器和0號高加，另一部分給水通過新增的給水管路流向省煤器，具體見圖4。與方案一相同，為減少投資，0號高加可以與原高加共用一套高壓給水旁路系統(tǒng)；0號高加正常疏水可以采用逐級自流的方式，疏水至1號高加，也可疏水至除氧器或凝汽器。在給水管道上設置三通并聯一個給水管道，在新增管道上設置調節(jié)閥，控制通過0號高加和蒸汽冷卻器的給水流量。

圖4　0號高加與蒸汽冷卻器串聯

方案三。對于少數沒有設置蒸汽冷卻器的機組，0號高加安裝在1號高加之后，同時并聯一根給水管道，見圖5。為減少投資，0號高加可以與原高加共用一套高壓給水旁路系統(tǒng)；0號高加正常疏水可以采用逐級自流的方式，疏水至1號高加，也可疏水至除氧器或凝汽器。在給水管道上設置三通并聯一根給水管道，在新增管道上設置調節(jié)閥，間接調節(jié)通過0號高加的給水流量。

圖5　沒有蒸汽冷卻器機組0號高加安裝方式

上述3種方案的具有如下特點。

1）3種方案投資費用相差不多。

2）機組經濟性。對于有蒸汽冷卻器的機組，從理論上講，兩股給水混合，溫差越大，不可逆損失越大，混合后的給水溫度也就越低，顯然方案一不僅能最大限度地發(fā)揮蒸汽冷卻器和0號高加功效，同時又能保證給水溫度的提高，方案一較優(yōu)；對于沒有蒸汽冷卻器的機組會選擇方案三，可以使用調節(jié)閥調節(jié)通過0號高加的給水份額，調節(jié)方便快捷，也可在負荷較低時，關閉調節(jié)閥，使所有給水經過0號高加，來保證給水溫度最大限度地升高。

3）機組運行調節(jié)。3種方案中0號高加都參與機組的調頻。不同方案相同負荷、同種方案不同負荷運行調節(jié)能力以及效果都是不同的，要根據0號高加的運行參數分析制定相應的運行調節(jié)方式和方法；增加運行人員的工作量和運行知識的儲備，運行調節(jié)系統(tǒng)更加復雜。方案三，對于沒有蒸汽冷卻器的機組運行調節(jié)相對簡單。

浙江浙能臺州第二發(fā)電廠采用技改方案一，華能威海發(fā)電廠采用方案三。

1.2.2　雙列高壓加熱器安裝方式

對于1 000 MW機組設有雙列高壓加熱器的形式，采用0號高加安裝在其中的一列高加管路上（假設A列），另一列管路上安裝給水調節(jié)閥（B列），變負荷時調節(jié)B列給水調節(jié)閥來控制通過B列的給水流量，實現提高給水溫度后的經濟性和安全性[4]。選取哪一列高加進行增設0號高加，可以根據實際情況確定，如圖6所示。

圖6　雙列高壓加熱器安裝方式

此方案經濟性及特點。

1）機組經濟性。某電廠汽輪機組在部分負荷段增設0號高加降低的熱耗率（未考慮鍋爐效率），如圖7。

圖7　增設0號高加后汽輪機熱耗率降低值

2）機組運行調節(jié)。變負荷時通過控制B列出口調節(jié)閥控制進入0號高加給水流量，為保證B列高加換熱能力，B列高加給水出口調節(jié)閥必須設定調節(jié)下限。運行時操作方便，調節(jié)空間大。

3）高加疏水問題。某廠運行數據顯示當負荷在60%以上時，0號高加控制邏輯能滿足正常運行要求，當60%以下負荷時由于0號高加疏水量達到150 t／h及A列高加給水流量增加后，A列高加抽汽量增加，高加正常疏水調節(jié)閥全開，不能滿足正常調節(jié)需要，60%以下負荷時需要人為干預0號高抽汽調節(jié)閥壓力，0號高加在60%以下負荷時經濟性降低。為解決這一問題將0號高加疏水進入A列1號高加的同時，新增疏水管道疏水至B列1號高加，這樣既保證了A列高加水位調整有裕度，又能提髙B列高加的做功能力，實現增加0號高加后機組全負荷變工況運行的經濟性，見圖6。

此方案在銅山華潤電力有限公司得到應用。

2　0號高壓加熱器對機組性能的影響

2.1　0號高加對機組節(jié)能效果的影響

0號高加節(jié)能效益：1）提高機組低負荷下的給水溫度，多增加一級抽汽提高了循環(huán)吸熱過程的平均溫度，進而提高了整個熱力循環(huán)的循環(huán)效率[5]；2）抽汽進入給水系統(tǒng)使得進入汽輪機凝汽器的汽量減少，汽輪機的冷端損失降低，從而降低汽輪機熱耗；3）改善鍋爐在低負荷下的穩(wěn)燃性能；4）0級抽汽管道上設置的調節(jié)閥具備一定的調頻能力，和凝結水節(jié)流配合，可以降低汽輪機調節(jié)閥的節(jié)流度，進一步降低能耗。

通過機組在低負荷下運行的權重比例計算，可降低供電標準煤耗約 1 g／kWh[5]；另外結合低溫省煤器，可將排煙熱量進行回收，避免余熱損失增加。

2.2　0號高加對環(huán)保的影響

0號高加提高了最終給水溫度，減少了給水在省煤器內吸收的熱量，可提高省煤器出口煙溫。因此在低負荷下，省煤器的給水溫度提高，脫銷設備進口煙溫相應升高，不僅提高了SCR脫硝效率，降低了脫硝成本，而且可減緩催化劑的老化速度，有利于脫銷設備的運行可靠性，具有很好的環(huán)保效益。

2.3　0號高加對機組運行安全性的影響

對高壓缸通流部分的影響。補汽閥進汽口位于高壓缸某級后（如高壓缸第五級），如果改為抽汽，補汽閥后壓力要根據0號高加的進汽參數進行調整，壓力就會降低，造成級組葉片前后壓差增加，對葉片強度產生影響，因此高壓缸通流葉片強度需重新校核或設計。

對汽輪機軸向推力和軸振動的影響。采用增設0號高加方案，相對于原設計，高壓平衡活塞前的壓力由于抽汽而降低，使平衡能力下降；這便需要重新校核或修改設計通過抬高轉子平衡活塞的高度來滿足推力要求，以保證機組安全運行的可靠性。

對汽輪機高壓外缸的影響。對于沒有補汽閥的機組改造，在高壓缸1級抽汽前增設0級抽汽，需要對高壓外缸的強度進行重新校驗。

3　結語

采用補汽閥技術的汽輪機均具備采用0號高加技術的條件；對于沒有補汽閥的機組，改造成本高，對原熱力系統(tǒng)影響大，安全性能較低，一般不考慮增設0號高加。在機組部分負荷時0號高加的投入不僅使給水溫度得到升高，尤其對脫硝裝置具有較好作用，一定程度上解決了低負荷工況時脫硝裝置因煙溫低而自動退出運行的問題，擴大了脫硝設備投運的負荷范圍，節(jié)能減排效果明顯。增設0號高加對機組運行的安全性造成明顯的影響，汽輪機高壓缸通流部分的強度需要進行重新校核或設計。

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