基于EBSILON軟件的二次再熱MC機組 變工況特性分析

樊羊羊, 齊秋毫, 何 平

(1.浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責任公司, 浙江 寧波 315700; 2.大唐貴州興仁發(fā)電有限公司, 貴州 興仁 562400; 3.上海電力學院, 上海 200090)

近年來,隨著高效超超臨界二次再熱技術(shù)的應(yīng)用,人們對回熱系統(tǒng)抽汽過熱度的問題越來越關(guān)注[1-2]。目前,常規(guī)的做法是采用跨能級的能量利用方式,即通過在第2級和第4級回熱加熱器蒸汽入口前設(shè)置外置式蒸汽冷卻器,將低能級的能量(2#和4#加熱器)利用到高能級(鍋爐)中去,以達到節(jié)能的目的[3]。

另一種過熱度利用方式是采用Master Cycle(MC)系統(tǒng),即通過將汽輪機超高壓缸的部分排汽引入到高背壓小汽輪機中,替代原有的中壓缸抽汽,以達到降低過熱度的目的[4]。國內(nèi)外較多學者和機構(gòu)對MC系統(tǒng)進行了研究。文獻[5]在1 000 MW機組上進行了能損分析,認為相對于原始系統(tǒng)方案可節(jié)能45～50 kJ/kWh,但隨著機組負荷的降低,其節(jié)能效益逐漸下降;文獻[6]分析了MC系統(tǒng)的變工況特性,認為隨著機組負荷的降低,MC系統(tǒng)循環(huán)效率的增加值將從0.52%提升至0.62%,收益隨負荷逐漸升高。

MC系統(tǒng)尚未得到應(yīng)用,且其變工況效益仍有很大爭議。受我國電力供給端的影響,火電廠深度調(diào)峰運行已成為發(fā)展趨勢。由于調(diào)峰運行各級抽汽過熱度隨著機組負荷的變化而變化,因此對機組進行變工況下的過熱度分析具有重要的現(xiàn)實意義[7-8]。鑒于此,本文基于現(xiàn)有超超臨界二次再熱機組,設(shè)計了帶有MC系統(tǒng)的超超臨界二次再熱系統(tǒng),利用EBSILON軟件進行了變工況分析,并對節(jié)能效果進行了評價,以期為MC系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考。

1 傳統(tǒng)回熱系統(tǒng)方案

選取某電廠典型超超臨界二次再熱機組為研究對象,采用超超臨界滑壓直流爐,汽輪機為N1000-30/600/610/610,如圖1所示,記為1#系統(tǒng)。

圖1 傳統(tǒng)回熱系統(tǒng)示意

表1為汽輪機熱耗率驗收(Turbine Heat Acceptance,THA)工況下各級抽汽參數(shù)對比。通過對比可以發(fā)現(xiàn),RH2～RH6回熱加熱器的抽汽過熱度很大,并且抽汽過熱度都在200 ℃以上,其中RH4過熱度最高,為320.68 ℃。由熱力學分析可知,過熱度大的回熱抽汽主要集中在再熱后的前幾級,即再熱后會造成回熱抽汽過熱度增大,削弱回熱對系統(tǒng)的貢獻。

表2為回熱系統(tǒng)蒸汽壓力隨機組負荷變化結(jié)果。表3為回熱系統(tǒng)蒸汽溫度隨機組負荷變化結(jié)果。表4為回熱系統(tǒng)蒸汽過熱度隨機組負荷變化結(jié)果。從表2～表4中可以看出,隨著機組負荷的降低,各級抽汽溫度變化不大,主要是因為目前在二次再熱機組采用滑-定運行方式,當機組功率降低時,蒸汽壓力降低(如表2所示),而溫度基本保持不變(如表3所示)。因此,在低負荷情況下,隨著蒸汽壓力的降低,蒸汽所對應(yīng)的飽和壓力逐漸降低,溫度基本不發(fā)生變化,蒸汽的過熱度隨負荷降低逐漸升高(如表4所示)。由此可知,在低負荷情況下,二次再熱機組的過熱度浪費問題十分嚴重。

表1 THA工況下各級抽汽參數(shù)對比

表2 回熱系統(tǒng)蒸汽壓力隨機組負荷變化結(jié)果

表3 回熱系統(tǒng)蒸汽溫度隨機組負荷變化結(jié)果

表4 回熱系統(tǒng)蒸汽過熱度隨機組負荷變化結(jié)果

2 改造系統(tǒng)

2.1 外置式蒸汽冷卻器回熱系統(tǒng)方案

圖2 外置式蒸汽冷卻器回熱系統(tǒng)

圖3為1#系統(tǒng)與2#系統(tǒng)RH2和RH4加熱器過熱度隨負荷變化結(jié)果。圖3中,1-RH2代表1#系統(tǒng)中RH2加熱器的過熱度隨機組負荷的變化情況,1-RH4代表1#系統(tǒng)中RH4加熱器的過熱度隨機組負荷的變化情況;2-RH2代表2#系統(tǒng)中RH2加熱器的過熱度隨機組負荷的變化情況;2-RH4代表2#系統(tǒng)中RH4號加熱器的過熱度隨機組負荷的變化情況。

圖3 1#系統(tǒng)與2#系統(tǒng)加熱器過熱度變化曲線

由圖3可知,增設(shè)外置式蒸汽冷卻器后,RH2和RH4過熱度明顯降低,達到了降低回熱抽汽過熱度的目的。

2.2 MC回熱系統(tǒng)方案

MC回熱系統(tǒng)方案主要用于降低多級回熱加熱器的過熱度,使汽輪機超高壓缸的部分蒸汽不經(jīng)過再熱,而是直接引入一臺高背壓小汽輪機,由高背壓小汽輪機抽汽以加熱給水。由文獻[9]可知,MC系統(tǒng)小汽輪機抽汽級數(shù)為4級時效率最大,故本文設(shè)計的MC系統(tǒng)如圖4所示。MC系統(tǒng)參數(shù)見文獻[9]。

圖5為2#系統(tǒng)與MC系統(tǒng)加熱器的過熱度變化結(jié)果。由圖5中可以看出,MC系統(tǒng)的過熱度相對較低,即MC系統(tǒng)可以有效降低回熱加熱器的抽汽過熱度;隨著機組負荷的逐漸降低,MC系統(tǒng)與1#系統(tǒng)的過熱度逐漸增大。

圖4 MC回熱系統(tǒng)

圖5 2#系統(tǒng)與MC系統(tǒng)加熱器過熱度變化曲線

3 過熱度利用方案對比分析

3.1 給水溫度對比

圖6給出了系統(tǒng)變工況下的給水溫度。由圖6可以看出,1#系統(tǒng)和MC系統(tǒng)的給水溫度基本相同,而2#系統(tǒng)的給水溫度有明顯升高。這是因為外置式蒸汽冷卻器的使用,增加了鍋爐給水的溫度,從而提高了系統(tǒng)效率。

圖6 系統(tǒng)變工況下的給水溫度

3.2 過熱度降低值對比

圖7為2#系統(tǒng)的過熱度降低值變化曲線,即2#系統(tǒng)與1#系統(tǒng)RH2和RH4過熱度之間的差值。圖7中,從右向左表示機組負荷逐漸降低,同時過熱度降低值逐漸變大。RH2的過熱度降低值從239 ℃增加到309 ℃;RH4的過熱度降低值從213 ℃增加到278 ℃。這意味著有效利用的過熱度逐漸升高,外置式蒸汽冷卻器的節(jié)能效果隨負荷的降低而逐漸升高。

圖7 2#系統(tǒng)過熱度降低值

圖8為MC系統(tǒng)的過熱度降低值變化曲線。由圖8可以看出,各級過熱度隨機組負荷變化不大,與圖7相比,MC系統(tǒng)過熱度變化最大值僅為30 ℃(RH4);RH2,RH3,RH4的過熱度降低值都隨負荷的降低而降低,說明隨著負荷的降低,MC系統(tǒng)利用過熱度的能力逐漸下降,節(jié)能效益降低;RH5的過熱度利用值隨著負荷的降低,先升高后降低,是因為RH5加熱器為除氧器,需要具備一定的除氧能力,壓力需保持在一定范圍內(nèi)。

圖8 MC系統(tǒng)過熱度降低值

3.3 節(jié)能效益對比

圖9為機組節(jié)能效益對比,圖中的煤耗差值是指相對于1#系統(tǒng)可節(jié)約的標準煤。

由圖9可知,當機組負荷降至40%THA時,2#系統(tǒng)節(jié)能效益逐漸增大,從0.446 g/kWh達到最高0.869 g/kWh。這是因為隨著機組負荷的降低,回熱抽汽的溫度基本未發(fā)生變化,而水側(cè)給水溫度降低,使得過熱度增大,兩級并聯(lián)的外置式蒸汽冷卻器能夠更好地利用過熱度來提高給水溫度,從而在一定程度上提升了機組效率,降低了煤耗。

圖9 機組節(jié)能效益對比

在MC系統(tǒng)中,THA工況下系統(tǒng)可節(jié)能2.104 g/kWh,但隨著負荷的降低,節(jié)能效益逐漸減小,在40%THA工況下達到0.924 g/kWh。這是因為低負荷下,給水溫度下降,回熱系統(tǒng)所需的凝結(jié)水流量和凝結(jié)水溫升均大幅下降,但回熱抽汽溫度變化不大,回熱加熱器過熱度利用值變化不大,使得回熱加熱器所需蒸汽量急劇下降,減弱了MC系統(tǒng)的節(jié)能效果。同時,在各負荷工況下,MC系統(tǒng)煤耗差值均大于2#系統(tǒng)。這是因為MC系統(tǒng)不但利用了回熱抽汽的過熱度,而且充分利用了回熱抽汽中蒸汽的壓力,將其轉(zhuǎn)化為有用功,從而進一步降低了煤耗。綜上所述,MC系統(tǒng)節(jié)能效率較高。

4 結(jié) 論

(1) 外置式蒸汽冷卻器和MC系統(tǒng)均可以降低二次再熱機組回熱抽汽過熱度,且MC系統(tǒng)在THA工況下節(jié)能效果更好。

(2) 隨著機組負荷的降低,外置式蒸汽冷卻器能更好地利用過熱度,降低機組煤耗;而MC系統(tǒng)受回熱蒸汽流量下降的影響,節(jié)能效益有所降低。

(3) MC系統(tǒng)在40%THA工況下節(jié)能效益最小,節(jié)約標準煤0.924 g/kWh;隨著機組負荷的增加,標準煤節(jié)約量逐漸提升,在THA工況下達到最大,為2.104 g/kWh。在各負荷工況下,MC系統(tǒng)的煤耗差值均大于外置式蒸汽冷卻器0.446～0.869 g/kWh的節(jié)能效益,故MC系統(tǒng)整體節(jié)能效益較高。