660 MW超超臨界機(jī)組增設(shè)外置蒸汽冷卻器變工況分析

馬一博， 劉鑫屏

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引 言

伴隨著我國能源戰(zhàn)略改革，可再生能源迎來了巨大發(fā)展?jié)摿Γ腔鹆Πl(fā)電的地位仍舊無可代替。據(jù)中電聯(lián)2020年年底官網(wǎng)公布的信息[1]顯示，截至到2020年11月底，全國發(fā)電裝機(jī)容量為21.2億kW，其中60萬kW及以上電廠裝機(jī)容量為20億kW，火電為12.3億kW，占總量比為58.02%?；鹆Πl(fā)電在產(chǎn)出大量電能的同時也會消耗大量的煤炭資源，伴隨著新能源發(fā)電的飛速崛起，推動火電節(jié)能降耗、清潔高效發(fā)展是未來電力行業(yè)發(fā)展道路的重中之重[2]。

汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的主要設(shè)備包括高壓加熱器、低壓加熱器、除氧器、凝結(jié)水泵和給水泵等，是構(gòu)成火電機(jī)組整體熱力系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)之一[3]?；?zé)嵯到y(tǒng)的作用是利用汽輪機(jī)各級抽汽通過回?zé)峒訜崞鱽砑訜崮Y(jié)水和鍋爐給水，一則可以減少凝汽器側(cè)的冷源損失，二則通過提升給水溫度來降低鍋爐傳熱過程中的不可逆損失，最終提高循環(huán)熱效率和機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性[4]。但是近二十年來國內(nèi)關(guān)停了很多低參數(shù)的小火電機(jī)組，新建的都是660 MW和1 000 MW等超臨界、超超臨界的超高參數(shù)機(jī)組，再加上中間再熱的使用，使得汽輪機(jī)中、低壓缸前幾級回?zé)岢槠麥囟容^高，從而提高了抽汽的過熱度。

回?zé)岢槠退诩訜崞鲀?nèi)經(jīng)過大量的金屬管道進(jìn)行傳熱，如果抽汽過熱度過高，引起傳熱溫差變大，由熱力學(xué)第二定律可知，必然會損失蒸汽的一部分做功能力[5]。

為了解決汽輪機(jī)抽汽過熱度較高的問題，電廠普遍采用了帶有內(nèi)置式蒸汽冷卻器的高壓加熱器[6]。但是由于加熱器自身結(jié)構(gòu)的限制，導(dǎo)致蒸汽冷卻段面積不足，對機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的提升也較小。因此對于高參數(shù)的超超臨界機(jī)組，擁有較大換熱面積、獨(dú)立式的外置式蒸汽冷卻器與高加的內(nèi)置式蒸汽冷卻器相互配合使用，可以顯著提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性[7]。文獻(xiàn)[8]利用仿真軟件，探討并分析了某660 MW機(jī)組增設(shè)高加和增設(shè)外置蒸汽冷卻器的經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明，單獨(dú)增設(shè)外置蒸汽冷卻器大約降低熱耗12 kJ/kW·h，兩者同時增設(shè)的經(jīng)濟(jì)性是單獨(dú)增設(shè)外置蒸汽冷卻器經(jīng)濟(jì)性的4倍左右。文獻(xiàn)[9]針對帶外置蒸汽冷卻器的汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)，通過對具體案例的詳細(xì)分析和推算，創(chuàng)建了一種基于熱平衡的矩陣計(jì)算方程，經(jīng)過實(shí)例驗(yàn)證該方法準(zhǔn)確、便捷。文獻(xiàn)[10]分別對某350 MW機(jī)組和某1 000 MW機(jī)組的汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行分析和計(jì)算，增設(shè)外置蒸汽冷卻器可以有效提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，熱耗分別減少約10 kJ/kW·h和14.5 kJ/kW·h。

以上研究雖然具體分析了外置式蒸汽冷卻器對機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響及影響程度，但基本都是針對單一工況，對機(jī)組不同工況下的研究較少。而且隨著新能源發(fā)電的發(fā)展，火電機(jī)組因調(diào)峰常運(yùn)行在變工況條件下[12]，所以分析變工況下外置蒸汽冷卻器對機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響更有意義。因此，本文以某電廠660 MW超超臨界機(jī)組為實(shí)例，分別建立增設(shè)外置蒸汽冷卻器前后的汽機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)模型，計(jì)算不同負(fù)荷下外置蒸汽冷卻器對機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響大小，并對回?zé)岢槠^熱度和外置蒸汽冷卻器對機(jī)組的影響規(guī)律進(jìn)行了熱力學(xué)變工況分析和研究。

1 外置蒸汽冷卻器系統(tǒng)

1.1 機(jī)理分析

對于典型機(jī)組，回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽的溫度和壓力并不匹配，或多或少都存在過熱度，一般情況下高、中壓缸抽汽的過熱度較高[13]。另外，高壓缸排汽經(jīng)鍋爐再熱以后會使得中壓缸抽汽過熱度劇增，特別是中壓缸的第一級抽汽，其溫度最高，壓力相對較低，是汽輪機(jī)回?zé)岢槠羞^熱度最大的，導(dǎo)致給水和第3級抽汽在三號高加內(nèi)熱傳遞的溫差過大，損失了蒸汽的一部分做功能力[14]。

圖1表示的是回?zé)峒訜崞髦衅畟鬟f熱量的過程[15]，其中過程線a-b的給水平均吸熱溫度為Tw，1-2是飽和蒸汽放出熱量的過程，其平均放熱溫度為Ts，二者的溫差為ΔTs，換熱所引起的不可逆損失為6-7-8-9-6的面積。當(dāng)使用過熱蒸汽進(jìn)行熱傳遞時，如過程線3-4-2，平均放熱溫度升高至To，傳熱溫差變?yōu)棣o，不可逆損失為5-7-8-10-5的面積。由上述可知，過熱度的存在會使得蒸汽的平均傳熱溫度更大，不可逆損失增加了TenΔS，即5-6-9-10-5的面積，且過熱度越高損失越大，從而導(dǎo)致機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性下降。

圖1 抽汽過熱度對換熱的影響Fig. 1 Effect of extraction steam superheat on heat transfer

因此，相較于內(nèi)置式蒸汽冷卻器，在第3級抽汽管道處設(shè)置外置蒸汽冷卻器，可以降低第3級抽汽在三號高加內(nèi)的平均放熱溫度，減少換熱溫差，提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。

1.2 外置蒸汽冷卻器連接方式

根據(jù)外置蒸汽冷卻器在回?zé)嵯到y(tǒng)的位置和給水的分流形式，主要有并聯(lián)和串聯(lián)兩種連接方式。

如圖2所示，并聯(lián)方式是指主給水分流后的一部分流經(jīng)外置蒸汽冷卻器吸熱升溫，而另一部分經(jīng)過一號高加，最后兩者混合后送往鍋爐省煤器[16]。并聯(lián)方式下外置蒸汽冷卻器進(jìn)口水溫相對較低，與第3級抽汽的傳熱溫差較大，而且分流后流經(jīng)一號高加的給水流量減少，根據(jù)回?zé)峒訜崞髂芰科胶庠砜芍?，會?dǎo)致第1級抽汽流量大幅減少，增加了冷源損失，熱經(jīng)濟(jì)性相對較低，但是給水壓力損失較小。

圖2 并聯(lián)方式示意圖Fig. 2 Schematic diagram of parallel connection

串聯(lián)方式是指最高一級高加出口的全部主給水都流經(jīng)外置蒸汽冷卻器，與抽汽進(jìn)行換熱后送往鍋爐省煤器。因?yàn)橐惶柛呒拥某隹诮o水直接流入外置蒸汽冷卻器，給水溫度較高，所以傳熱溫差相對較小，熱經(jīng)濟(jì)性高，而且第3級抽汽流量增加，減少了冷源損失，但是給水壓力損失過大[17]。因此，現(xiàn)在機(jī)組的外置蒸汽冷卻器大多設(shè)計(jì)為部分串聯(lián)式。如圖3所示，一號高加出口給水分流后部分流經(jīng)外置蒸汽冷卻器來降低3抽蒸汽過熱度，另一部分流經(jīng)節(jié)流孔板。部分串聯(lián)方式既保留了串聯(lián)方式的優(yōu)點(diǎn)，同時又減少了給水的壓力損失，降低了給水泵的能耗。

圖3 部分串聯(lián)方式示意圖Fig. 3 Schematic diagram of partial series connection

2 實(shí)例分析

本文以某電廠660 MW超超臨界機(jī)組為研究對象，汽輪機(jī)型號是CJK660-28/600/620，為一次中間再熱，三缸兩排汽，間接空冷式汽輪機(jī)，共有9級回?zé)岢槠渲?0%THA工況為高壓缸第1級抽汽開啟點(diǎn)，機(jī)組負(fù)荷高于80%THA時1級抽汽氣動門關(guān)閉，抽汽流量為0，一號高加停止工作，負(fù)荷低于80%THA時氣動門開啟，一號高加正常使用。如圖4所示，該回?zé)嵯到y(tǒng)包括四個高壓加熱器、四個低壓加熱器和一個除氧器，增設(shè)的外置蒸汽冷卻器采用部分串聯(lián)連接方式。其中，第4級抽汽是高壓缸排汽經(jīng)再熱器再熱后的第一級抽汽，具有很高的溫度和較低的壓力，使其過熱度遠(yuǎn)大于其它級抽汽的過熱度，增加了機(jī)組的不可逆損失。因此，第4級抽汽從汽輪機(jī)抽出后先經(jīng)過外置蒸汽冷卻器，充分利用其過熱度加熱部分給水，然后仍具有一定過熱度的4級抽汽再進(jìn)入四號高加，加熱流經(jīng)四號高加的主給水。這樣即保證了四號高加出口給水溫度，增加了第4級抽汽流量，減少了冷源損失，又提高了最終給水的溫度。

圖4 660 MW機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of regenerative system of 660 MW unit

表1中分別選取了機(jī)組4種不同設(shè)計(jì)工況下的各級抽汽壓力，單位為MPa。由表可知，機(jī)組在降負(fù)荷時為滑壓運(yùn)行，汽輪機(jī)各級抽汽壓力隨著機(jī)組出力的減少而降低。

表1 不同工況下各級抽汽壓力Tab.1 Pressure of extracted steam from each stage at different working conditions (MPa)

表2列出了對應(yīng)4種工況下的各級抽汽溫度，單位為 ℃，其中第4級抽汽的溫度最高，都已超過了500 ℃，各工況下過熱蒸汽溫度及再熱蒸汽溫度分別為600 ℃和620 ℃。隨著機(jī)組出力的減小，各級抽汽溫度變化幅度并不大，其中第1級、第2級和第9級抽汽溫度先降低然后增加，第3～8級抽汽溫度緩慢增加。

表2 不同工況下各級抽汽溫度Tab.2 Temperature of extracted steam from each stage at different working conditions (℃)

圖5表示了1～9級抽汽對應(yīng)機(jī)組4種典型工況下的過熱度對比。如圖可知，不同工況下汽輪機(jī)高壓缸和中壓缸的抽汽都有著較高的過熱度，其中第4級抽汽的過熱度最高，第9級抽汽在機(jī)組高負(fù)荷工況時是濕飽和蒸汽，低負(fù)荷工況時為過熱蒸汽，因此高負(fù)荷工況時其過熱度為0 ℃。另外，各級抽汽過熱度隨著機(jī)組出力的減少而增加，因?yàn)闄C(jī)組在滑壓運(yùn)行降負(fù)荷時，各工況下主蒸汽溫度設(shè)計(jì)值為600 ℃，再熱蒸汽設(shè)計(jì)值為620 ℃，且各級抽汽溫度變化較小，而過熱蒸汽壓力和各級抽汽壓力下降幅度較大，導(dǎo)致各級抽汽壓力對應(yīng)的飽和溫度也較大幅度減小，所以各級抽汽過熱度在低負(fù)荷工況時變得更大。例如第4級抽汽，各工況下過熱度大約在250～350 ℃之間，其過熱度在機(jī)組30%THA工況時甚至達(dá)到了336.3 ℃，如此高的過熱度勢必會嚴(yán)重影響機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。

圖5 不同工況下各級抽汽過熱度Fig. 5 Superheat of extracted steam from each stage at different working conditions

3 變工況熱力學(xué)分析

圖4給出了增設(shè)外置蒸汽冷卻器后的汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)示意圖，本文分別對增設(shè)外置蒸汽冷卻器前后的回?zé)嵯到y(tǒng)建立了模型，計(jì)算了增設(shè)外置蒸汽冷卻器前后機(jī)組的經(jīng)濟(jì)型指標(biāo)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)變工況分析。圖6表示了在不同機(jī)組負(fù)荷下，汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)前后的第4級抽汽過熱度的對比示意圖，其中數(shù)據(jù)分別來自于機(jī)組設(shè)計(jì)工況的參數(shù)和電廠實(shí)際工況測點(diǎn)的數(shù)值。

圖6 變工況下第4級抽汽過熱度Fig. 6 Superheat of the 4th stage extracted steam at different working conditions

由圖6可知，對于設(shè)計(jì)工況和實(shí)際工況，增設(shè)外置蒸汽冷卻器后的第4級抽汽過熱度都是隨著機(jī)組負(fù)荷的提升而有所增加，且二者的數(shù)值相差很小。相反，對于無外置蒸汽冷卻器的回?zé)嵯到y(tǒng)，設(shè)計(jì)工況下第4級抽汽過熱度隨機(jī)組負(fù)荷的提升而減小，實(shí)際工況下第4級抽汽過熱度的趨勢與設(shè)計(jì)工況大致相同，兩者的數(shù)值同樣很接近。圖中無論是設(shè)計(jì)工況還是實(shí)際工況，機(jī)組增設(shè)外置蒸汽冷卻器之后，第4級抽汽的過熱度由平均300 ℃左右降到80 ℃左右，說明在第4級抽汽管道處增設(shè)外置蒸汽冷卻器是可行的，不論機(jī)組是升負(fù)荷還是降負(fù)荷，都能大幅度減少該級抽汽過熱度。而且由上述規(guī)律可知，相較于高負(fù)荷工況，機(jī)組在低負(fù)荷工況時外置蒸汽冷卻器更能充分、有效的降低4級抽汽的過熱度，即機(jī)組負(fù)荷越低，外置蒸汽冷卻器所帶來的作用就越顯著。

外置蒸汽冷卻器的另一大特點(diǎn)就是變工況條件下，能在降低抽汽過熱度的同時，提高機(jī)組高加出口(三通后)主給水管道的給水溫度。圖7給出了機(jī)組變工況下，增設(shè)外置蒸汽冷卻器前后鍋爐最終給水溫度的變化趨勢，其中包括了機(jī)組設(shè)計(jì)工況和實(shí)際工況。由圖可知，設(shè)計(jì)工況和實(shí)際工況下的鍋爐最終給水溫度都隨著機(jī)組負(fù)荷的增加而提高，且同一機(jī)組負(fù)荷下，實(shí)際工況下的鍋爐最終給水溫度明顯低于設(shè)計(jì)工況的最終給水溫度。另外，由數(shù)據(jù)可得，設(shè)計(jì)工況和實(shí)際工況的最終給水溫度都得到了小幅度的提高，設(shè)計(jì)工況下大約提高了4.2 ℃，而電廠實(shí)際工況下大約可以提高3.7 ℃，二者存在略微的差別，但都可以顯著提升機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。

圖7 變工況下鍋爐最終給水溫度Fig. 7 Feedwater temperature of boiler at different working conditions

通過對建立的汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)熱力模型進(jìn)行熱力學(xué)變工況分析，計(jì)算出了各個負(fù)荷下機(jī)組的熱耗、熱耗降低值和發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗。如圖8所示，圖中給出了在機(jī)組變工況條件下，系統(tǒng)增設(shè)外置蒸汽冷卻器前后的機(jī)組熱耗及熱耗降低值，機(jī)組熱耗隨著負(fù)荷的增加而降低，而熱耗降低值隨著負(fù)荷的增加呈“V”型變化。熱耗降低值隨著機(jī)組負(fù)荷的增加先減少后增加，是因?yàn)?0%THA工況為機(jī)組的第1級抽汽開啟點(diǎn)，即當(dāng)機(jī)組處于30%～80%THA工況時，一號高加正常工作，此時外置蒸汽冷卻器帶來的收益與機(jī)組負(fù)荷成負(fù)相關(guān)，80%THA工況以上時第1級抽汽的氣動門關(guān)閉，第1級抽汽流量變?yōu)?，一號高加停止使用，其出口給水溫度等于二號高加的出口給水溫度，此時外置蒸汽冷卻器的作用變大，降耗能力不降反升。

圖8 變工況下機(jī)組熱耗Fig. 8 Heat consumption of unit at different working conditions

由圖中熱耗降低值曲線可知，機(jī)組在各工況下平均可減少熱耗19 kJ/kW·h左右。例如無外置蒸汽冷卻器的情況下，30%THA和100%THA工況的熱耗分別為8 463.5 kJ/kW·h 和7 562.9 kJ/kW·h，兩種工況下熱耗分別下降了20.5 kJ/kW·h和19.3 kJ/kW·h。

表3 變工況下發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗Tab.3 Standard coal consumption for power generation at different working conditions

表3給出了機(jī)組在變工況條件下，系統(tǒng)增設(shè)外置蒸汽冷卻器前后的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗對比。由表可知，機(jī)組發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗隨著負(fù)荷的增加而減小，另外30%THA工況時節(jié)約標(biāo)煤最多，為0.753 g/kW·h，75%THA工況時最少，為0.657 g/kW·h。取鍋爐效率94%，管道效率99%，增設(shè)外置蒸汽冷卻器后機(jī)組各工況下平均節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約0.698 g/kW·h，汽輪機(jī)效率提高約0.11%。假設(shè)此臺機(jī)組年滿負(fù)荷運(yùn)行7 000 h，每度電少用0.709 g煤，則每年可減少損耗2 978 t 標(biāo)煤，增加了企業(yè)的效益。

4 結(jié) 論

(1)對某660 MW超超臨界機(jī)組增設(shè)外置蒸汽冷卻器前后的回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)變工況分析，并計(jì)算了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。在機(jī)組第4級抽汽處增設(shè)外置蒸汽冷卻器，可以顯著降低該級抽汽的過熱度，并提高了鍋爐的最終給水溫度，提升了機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，降耗節(jié)煤。

(2)鍋爐最終給水溫度在機(jī)組設(shè)計(jì)工況下增加了4.2 ℃左右，實(shí)際工況下增加了3.7 ℃左右。各工況下熱耗平均降低約19 kJ/kW·h，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低約0.698 g/kW·h，汽輪機(jī)效率提高約0.11%。

(3)增設(shè)外置蒸汽冷卻器的節(jié)能效果隨著機(jī)組負(fù)荷的增加呈“V”型變化，機(jī)組負(fù)荷越低，外置蒸汽冷卻器所帶來的收益就越明顯。