利用火电厂管道热效率反平衡方法分析汽轮机旁路内漏

2010-06-23石奇光陈经豪颜雪琴赵政庆

动力工程学报 2010年2期

吴昊, 石奇光, 李磊, 陈经豪, 颜雪琴, 赵政庆

(1.上海电力学院能源与环境工程学院,上海200090;2.上海吴泾发电有限责任公司,上海200336)

我国电力工业自改制以来,已完成“厂网分开”的改革第一步,发电企业作为独立的法人按照市场规则商业化运营,竞价上网,自负盈亏.目前发电企业面对金融危机、煤价上涨和利用小时下降等问题,更需要提高运行热经济性,完善热力系统,挖掘节能潜力,降低发电成本[1].以一座1 200 MW电厂(2×600 MW机组)为例,每天需要消耗近万吨煤,若该厂供电标准煤耗率降低1 g/(kW◦h),按机组年均运行时间5 000 h计,全年可节约标准煤6×103t,若按同比标煤价格500元计算,仅燃料费用一项,每年可节约300万元以上,同时还可减少大量的温室气体(CO2)及污染物(SOx、NOx、Hg、粉尘等)排放.

在发电企业节能节电的工作中,热平衡分析是一项考核能源利用水平的基础性工作.而热平衡分析正是原电力行业标准DL/T606.3—1996火力发电厂能量平衡导则第3部分:热平衡(以下简称原导则)中的重要内容[2].上海电力学院根据国家发改委和中国电力企业联合会标准化中心的立项要求,承担并完成了对原导则的修订工作,使其能够随着热力发电厂理论研究的不断深入,更趋完善.新导则DL/T606.3—2006火力发电厂能量平衡导则第3部分:热平衡由国家发改委于2007年5月1日起正式发布实施[3].

本文基于新导则中的新增内容——火力发电厂管道热效率反平衡计算原理,采用考虑管道热效率的等效热降算法,以引进型300 MW机组汽轮机旁路系统工质内漏对火电厂热力系统的影响为例,对汽轮机旁路系统内漏进行定性分析及定量计算,并对电厂节能工作提出了积极的建议[4].

1 考虑管道热效率的等效热降算法

考虑管道热效率的等效热降算法是基于火电厂管道热效率的反平衡计算原理,经过严密理论推演而形成的一套计算理论体系,弥补了传统等效热降法的不足[5].经验证表明:采用考虑管道热效率的等效热降算法对热力系统进行节能诊断分析时,火电厂热平衡体系的边界及主要热力系统的划分更清晰,且计算结果准确,与传统热量法的计算结果一致[6].

1.1 管道热效率

式中:ηgd为管道热效率,%;Δ Qgd为单元机组管道热损失,kJ/kg;Qgl为锅炉热负荷(输出热量 Qsc),kJ/kg.

式中 :Δ Qg1为新蒸汽管道散热损失 ,kJ/kg;Δ Qg2为带热量工质泄漏热损失,kJ/kg;Δ Qg3为再热蒸汽管道散热损失,kJ/kg;Δ Qg4为给水管道热损失,kJ/kg;ΔQg5为厂用辅助系统热损失,kJ/kg;ΔQg6为锅炉连续排污热损失,kJ/kg.管道反平衡计算各热损失项算法详见新导则[2].

1.2 汽轮机循环绝对内效率

式中:ηi为汽轮机循环绝对内效率,%;H0为新蒸汽的等效热降值,kJ/kg;Q0为汽轮机的循环吸热量,kJ/kg.

H0的计算方法与原等效热降算法相同,详见参考文献[7-8].从式(1)～式(3)可以看出,当考虑管道热效率的反平衡计算之后,ηgd不再是定值,Q0也将随着ΔQgd的变化发生变化,故计算ηi的变化时,需考虑H0和Q0的变化才能得出正确的解.

1.3 全厂热效率

式中:ηcp为发电厂全厂热效率,%;ηgl为锅炉热效率 ,%;ηjx为汽轮机机械效率,%;ηdj为发电机效率,%;ηe为汽轮发电机组绝对电效率,%.

在分析计算中 ,若忽略不计 ηgl、ηjx及ηdj的变化,重点考虑 ηgd、ηi与 ηcp之间的变化关系,由参考文献[5],全厂热效率的变化值δ ηcp计算如下:

当发电厂热力系统工况发生变化时,锅炉热力系统与汽轮发电机组热力系统之间的能量传输效率发生变化,即管道热力系统的 ηgd是变化的,而ηgd的变化将直接导致Q0的变化,进而引起ηi的变化.

事实上,将ηgd在任意工况下以恒定值代替是不正确的.因此,新导则明确定量分析发电厂热经济性变化时,不能仅依靠ηi的变化来判断机组的热经济性变化,而是需要综合考虑ηgd、ηi两个效率的变化,以全厂热效率的变化δ ηcp作为最终的衡量指标.

2 汽轮机旁路工质内漏的热经济性分析

2.1 旁路阀内漏的原因

汽轮机旁路系统的作用是在特定情况下将锅炉产生的蒸汽不经过汽轮机而直接引到下一级蒸汽管道或凝汽器,以保证机组启停、事故处理和适应特殊运行方式的需要.

当机组正常运行时,旁路阀应处于关闭状态,但电厂在实际运行中普遍存在汽轮机旁路阀门不同程度的泄漏,归结原因主要有以下几点[9]:

(1)管道中的杂质留存在阀门密封面上,造成密封面损伤;

(2)工作环境恶劣,阀门前后压差大,阀芯、阀座受高压工质冲刷,极易磨损,造成密封失效;

(3)执行机构多为电动或气动,零位设定不准确,没有达到阀门的全关位;

(4)执行机构推力不足,管道内无压力时,易达到全关位,有压力时,关不到位;

(5)阀门控制元件受环境温度、压力和湿度影响造成定位失准;

(6)阀门本身制造质量差,密封面平面度欠佳.

2.2 旁路内漏的定量影响分析

以引进型N300-16.7/538/538机组三级旁路串联系统工质内漏为例,运用考虑管道热效率的等效热降法对其进行热经济性分析,机组等效热降参数见表1.

表1 N300-16.7/538/538型机组等效热降及相关参数Tab.1 Equivalent enthalpy drop value and correlation parameters of N300-16.7/538/538 unit

如图1所示,当发生Ⅰ级旁路内漏时,即高压旁路工质内漏,新蒸汽将绕过高压缸,与较低品位的高压缸排汽混合进入再热器,使得低压循环做功增加,高压缸的做功量减少,机组的热经济性降低;当发生Ⅱ级旁路内漏时,即低压旁路工质内漏,再热蒸汽绕过中、低压缸,直接进入凝汽器,造成大量的冷源损失;当发生Ⅲ级旁路泄漏时,即大旁路工质内漏,新蒸汽携带大量高品质热量,绕过整个汽轮机本体,直接进入凝汽器,造成大量的冷源损失.

图1 N300-16.7/538/538机组热力系统(额定工况)Fig.1 T hermal sy stem of N300-16.7/538/538 unit(rated operating conditions)

内漏的高品质蒸汽若进入冷凝器,将使得大量可用能直接被循环冷却水带走,不仅造成大量直接热损,还会降低凝汽器真空度、提高冷却水循环倍率以及增加厂用电耗,从而严重影响机组热经济性.

采用考虑管道热效率的等效热降法计算,结果示于表2.

表2 汽轮机旁路工质内漏对机组效率及热经济性的影响Tab.2 Effect of inner leakage in turbine bypass on the efficiency and thermal economic of the unit

由汽轮机旁路内漏所引起的发电厂管道热效率、汽轮机绝对内效率、全厂热效率以及发电煤耗率的变化趋势分别示于图2～图5.

图2 旁路内漏时管道热效率的变化趋势图Fig.2 Inner leakage quantity vs.piping thermal efficiency

图3 旁路内漏时汽轮机绝对内效率的变化趋势图Fig.3 Inner leakage quantity vs.turbine's absolute internal efficiency

图4 旁路内漏时全厂热效率的变化趋势图Fig.4 Inner leakage quantity vs.plant thermal efficiency

图5 旁路内漏对发电煤耗的影响Fig.5 Inner leakage quantity vs.coal consumption

由图2～图4可知,若Ⅰ级旁路发生内漏,单考虑管道热力系统,同等数量的带热量工质通过管道热力系统由锅炉传输给汽轮发电机组时,同比减少了再热冷段与再热新蒸汽段的散热损失,因此管道热效率会有所上升;单考虑汽轮发电机组热力系统,由于部分新蒸汽绕过高压缸,经过再热后进入中、低压缸,造成了高压缸做功不足,低压循环做功增加,凝汽流做功比例提高,因此机组绝对内效率呈下降趋势;综合考虑管道热效率、机组绝对内效率后发现,全厂热效率呈下降趋势,机组热经济性下降.由图5可知,当Ⅰ级旁路发生内漏时,泄漏量每增加1 t/h,发电煤耗将增加0.03 g/(kW◦h).

若Ⅱ级旁路、Ⅲ级旁路发生内漏,高品质蒸汽泄漏进入凝汽器,造成能量损失,单考虑管道热力系统,其传输给汽轮发电机组热力系统的热量小于锅炉输出的热量,导致管道热效率下降;单考虑汽轮发电机组热力系统,当Ⅱ级旁路、Ⅲ级旁路发生内漏时,考虑补充水进入凝汽器,抽汽流做功增加,凝汽流做功同比减少,因此机组绝对内效率上升;综合考虑管道热效率、机组绝对内效率,全厂热效率下降.计算表明,当Ⅱ级旁路发生内漏时,泄漏量每增加1 t/h,将使发电煤耗增加0.30 g/(kW◦h);当Ⅲ级旁路发生内漏时,每增加1 t/h泄漏量,将使发电煤耗增加0.33 g/(kW◦h).