1 000 MW 超超臨界機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性分析

李穎杰

（大唐山西發(fā)電有限公司太原第二熱電廠， 山西 太原 030000）

0 引言

能源與環(huán)境是人類賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)。大規(guī)模生產(chǎn)和使用煤炭、石油等化石能源，在推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。例如，酸雨、全球氣候變暖和臭氧層破壞等等。中國(guó)作為世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，對(duì)于煤炭等化石能源的使用主要通過(guò)直接燃燒的方式進(jìn)行利用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022 年1—2 月份，全國(guó)火力發(fā)電量達(dá)到9 863.7 億kW·h，占全國(guó)發(fā)電量的75.06%，火力發(fā)電的主格局在短時(shí)間內(nèi)難以改變。因此，對(duì)于火力發(fā)電而言，想要緩解能源與環(huán)境的矛盾，就必須積極響應(yīng)國(guó)家的節(jié)能減排政策，進(jìn)一步提升機(jī)組的發(fā)電效率，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

回?zé)峒夹g(shù)是超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。與常規(guī)發(fā)電機(jī)組相比，機(jī)組整體能耗得到了有效降低，循環(huán)熱效率有了很大程度的提高[1]?；?zé)嵯到y(tǒng)中影響其熱經(jīng)濟(jì)性的因素較多，如回?zé)嵯到y(tǒng)的給水溫度、加熱器的上下端差、疏水流動(dòng)方式、抽汽次數(shù)及份額以及抽汽管道壓損等，使得機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中熱經(jīng)濟(jì)性的改善程度普遍低于理論分析結(jié)果[2-3]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，余興剛等[4]通過(guò)建立汽輪機(jī)定功率變工況計(jì)算模型，對(duì)620 MW 機(jī)組在75%THA 和50%THA 工況下的回?zé)嵯到y(tǒng)運(yùn)行狀況對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性影響進(jìn)行了定量分析，為機(jī)組節(jié)能診斷和檢修工作提供了理論依據(jù)。孫德創(chuàng)等[5]利用Ebsilon 軟件搭建模型，對(duì)百萬(wàn)二次再熱機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽級(jí)數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，確定了高壓側(cè)加熱器最優(yōu)配置級(jí)數(shù)。稅楊浩等[6]對(duì)超超臨界1 000 MW 汽輪機(jī)組的回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并采用遺傳算法優(yōu)化了回?zé)嵯到y(tǒng)中各級(jí)抽汽參數(shù)，降低了機(jī)組熱耗率。郭永斌等[7]針對(duì)1 000 MW二次再熱汽輪機(jī)組，將雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)與常規(guī)回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行比較分析，結(jié)果顯示，雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)將成為大容量高參數(shù)燃煤機(jī)組經(jīng)濟(jì)效率提升的必然趨勢(shì)。柴小明等[8]基于火積耗散理論，對(duì)4 種設(shè)計(jì)工況條件下的各級(jí)抽汽份額進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，結(jié)果顯示，低工況下運(yùn)行熱經(jīng)濟(jì)性提高程度顯著。

上述研究中，回?zé)岢槠螖?shù)對(duì)回?zé)嵯到y(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性影響的分析甚少。因此，本文以1 000 MW 超超臨界機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)為研究對(duì)象，利用熱平衡方法，對(duì)其抽汽級(jí)數(shù)分別為8 段抽汽和9 段抽汽時(shí)的回?zé)嵯到y(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行定量計(jì)算和理論分析。

1 相關(guān)計(jì)算

1.1 加熱器熱平衡方程

由各加熱器的熱平衡方程分別計(jì)算各級(jí)抽汽系數(shù)：

式中：αfw為給水流量系數(shù)；hw，j和hw，j+1分別為j級(jí)和j+1 級(jí)加熱器給水出口的比焓，kJ/kg；ηh為加熱器換熱效率；hj和hs，j分別為j級(jí)加熱器抽汽和疏水的比焓，kJ/kg。

1.2 各熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算

1）機(jī)組熱耗量Q0：

式中：D0為新蒸汽量，kg/s；h0為主蒸汽焓值，kJ/kg；hfw為鍋爐給水焓，kJ/kg；Drh為再熱器中蒸汽流量，kg/s；qrh為蒸汽在再熱器中的吸熱量，kJ/kg。

2）汽輪機(jī)熱耗率q0：

式中：Pe為發(fā)電機(jī)輸出功率。

3）機(jī)組絕對(duì)電效率ηa，el：

4）機(jī)組熱耗率qcp：

5）全廠熱效率：

式中：ηb為電廠管道熱效率；ηp為管道效率。

6）全廠發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率：

2 回?zé)嵯到y(tǒng)改進(jìn)前

2.1 傳統(tǒng)回?zé)嵯到y(tǒng)基本參數(shù)

以N1000-25/600/600 型號(hào)機(jī)組的回?zé)嵯到y(tǒng)為研究對(duì)象，傳統(tǒng)回?zé)嵯到y(tǒng)采用8 段抽汽回?zé)?，即“三高四低一除氧”回?zé)崮Ｊ剑鐖D1 所示。其主蒸汽參數(shù)p0為25 MPa，主蒸汽溫度溫度t為600 ℃，再熱蒸汽溫度t為600 ℃，汽輪機(jī)排汽焓為3 475.1 kJ/kg，鍋爐效率ηb為0.93，管道效率ηp為0.99，汽輪機(jī)機(jī)械效率ηm為0.99，發(fā)電機(jī)效率ηg為0.99。當(dāng)回?zé)嵯到y(tǒng)采用8段抽汽時(shí)，其相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

圖1 N1000-25/600/600 機(jī)組改進(jìn)前原則性熱力系統(tǒng)

2.2 抽汽級(jí)數(shù)改進(jìn)前熱經(jīng)濟(jì)性

1）機(jī)組熱耗量：

2）汽輪機(jī)熱耗量：

4）全廠熱效率：ηcp=ηbηpηe=0.99×0.92×0.49=0.44。

3 回?zé)嵯到y(tǒng)改進(jìn)后

3.1 抽汽級(jí)數(shù)改進(jìn)后基本參數(shù)

基于常規(guī)“三高四低一除氧”回?zé)嵯到y(tǒng)，在低壓缸上添加增加抽汽口，采用9 級(jí)回?zé)?。改進(jìn)后的原則性系統(tǒng)圖如圖2 所示。

圖2 N1000-25/600/600 機(jī)組改進(jìn)后原則性熱力系統(tǒng)

根據(jù)相關(guān)參數(shù)，在增加9 級(jí)抽汽后，利用熱平衡計(jì)算方法得到各段抽汽詳細(xì)參數(shù)，如表2 所示。

表2 N1000-25/600/600 超超臨界機(jī)組最大連續(xù)工況下9 級(jí)抽汽各原始參數(shù)

3.2 改進(jìn)前后熱經(jīng)濟(jì)性

1）機(jī)組熱耗量：

4）全廠熱效率：ηcp=ηbηpηe=0.99×0.92×0.50=0.46。

4 回?zé)嵯到y(tǒng)改進(jìn)前后結(jié)果分析

回?zé)嵯到y(tǒng)改進(jìn)后，各級(jí)加熱器水側(cè)溫升比較如表3 所示。

表3 改進(jìn)后各級(jí)加熱器水側(cè)溫升

由表3 可知，當(dāng)N1000-25/600/600 機(jī)組為8 段抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)時(shí)，8 號(hào)低壓加熱器凝結(jié)水溫升高達(dá)51.1 ℃，除氧器和其他3 級(jí)低壓加熱器的凝結(jié)水溫升分別為26.7 ℃、22.5 ℃、24.6 ℃和22.5 ℃，差別在2倍左右，各加熱器中工質(zhì)溫升數(shù)值偏離等溫升最佳分配原則較明顯。當(dāng)N1000-25/600/600 機(jī)組改為9 段抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)時(shí)，雖然3 臺(tái)高壓加熱器中給水溫升仍然較大，但是除氧器和各低壓加熱器中凝結(jié)水溫升逐漸接近，相比8 段抽汽更加符合等溫升最佳分配原則，熱量損失大幅減少。與此同時(shí)，由于增加了1 段抽汽，使得汽輪機(jī)乏汽量進(jìn)一步減小，冷源損失有所降低，超超臨界機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步得到提高。

超超臨界機(jī)組8 段抽汽與改進(jìn)后9 段抽汽總體經(jīng)濟(jì)性比較如表4 所示。

表4 超超臨界機(jī)組常規(guī)8 級(jí)抽汽與改進(jìn)9 級(jí)抽汽總體經(jīng)濟(jì)性比較

由表4 可知，當(dāng)回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽級(jí)數(shù)增加到9 級(jí)，在機(jī)組額定負(fù)荷運(yùn)行條件下，汽輪機(jī)熱耗降低了164.9 kJ/（kW·h），全廠熱耗率降低了285.12 kJ/（kW·h），全廠熱效率提高了0.02。若按標(biāo)煤價(jià)格860 元/t、每臺(tái)機(jī)組的年利用小時(shí)數(shù)為5 000 h、20 年折現(xiàn)系數(shù)按10.8計(jì)算，則1 臺(tái)機(jī)組20 年的總收益可增加2 610.60 萬(wàn)元?？梢?jiàn)，采用9 級(jí)回?zé)?，熱?jīng)濟(jì)性得到很大提高，可在超超臨界蒸汽參數(shù)下最大限度改善熱耗率，提高超超臨界機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于熱平衡法對(duì)N1000-25/600/600 超超臨界機(jī)組回?zé)岢槠?jí)數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，通過(guò)低壓部分增添1 段抽汽，將抽汽級(jí)數(shù)由原來(lái)的8 段改進(jìn)為9 段，并針對(duì)改進(jìn)前后對(duì)回?zé)嵯到y(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果顯示，相比于8 段抽汽，9 段抽汽時(shí)可使全廠熱耗率降低285.12 kJ/（kW·h），全場(chǎng)發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗減少0.009 76 kg/（kW·h），1 臺(tái)機(jī)組20 年的總收益可增加2 610.60 萬(wàn)元，顯著提升了超超臨界機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性。