小汽轮机驱动给水泵和引风机的热经济性分析

2014-04-02徐曙

湖南电力 2014年1期

关键词：小机抽汽给水泵

徐曙

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

小汽轮机驱动给水泵和引风机的热经济性分析

徐曙

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

Heat econom y analysis of feed pum p and induced draught fan driven by small turbine

比较火电厂分别采用小汽轮机与电机驱动给水泵及引风机的热经济性。同时对电泵、变频引风机的效率进行对比，计算其内效率，得出采用小汽轮机驱动可以达到节能的结论。

小汽轮机；给水泵；引风机；经济性；节能

给水泵、引风机是火电厂的耗电大户,如何降低给水泵和引风机的耗电量成为许多电厂节能降耗的首选。

在设计上,大多数300MW及以上机组的给水泵均采用小汽轮机驱动降低了机组的厂用电率,但汽轮机的热耗率有所增加。一般认为300MW及以上机组采用汽动比电动给水泵经济,300 MW以下机组采用电动给水泵比较经济。

基于引风机等其它辅机是否同样可以采用小汽轮机驱动。文中在主蒸汽流量不变的情况下对采用小机驱动和采用电机驱动2种方式进行比较分析,探讨其经济性。

与采用电机驱动方式相比,采用小机驱动方式主机的部分级段蒸汽流量将有所下降,根据弗留格尔公式,主机各段抽汽参数应略有变化,但幅度不大。为便于分析,假定2种方式下各段抽汽参数均不变。根据各加热器的能量和流量平衡,在主蒸汽流量和各段抽汽参数不变的情况下,给水、凝结水和所有加热器的进汽流量均应不变。

1 小汽轮机驱动给水泵经济性分析

采用小机驱动给水泵一般都是以四段抽汽(中压缸排汽)作为小机的汽源。蒸汽从中压缸末级流出后,采用小机驱动的运行方式。

蒸汽从中压缸末级流出后,至低压缸只有一截较短的连通管,压损较小,设计一般为2%；小机抽汽管道相对较长,且存在逆止门,设计压损一般为5%,因此,低压缸比小机的进汽参数略高。同时,从低压缸流出的蒸汽压力为凝汽器压力,而小机排汽必然存在1～2 kPa的压损。

若采用电机驱动给水泵,原流过小机的蒸汽将返回低压缸作功。根据假定低压缸各段抽汽流量不变,原小机抽汽的全部蒸汽将从低压缸进口流至低压缸排汽口。2种方式小机抽汽的作功分别为:

式中 WLP和WST为小机抽汽分别在低压缸和小机内的作功,G为小机抽汽流量,ΔHLP和ΔHST分别为低压缸和小机的等熵焓降,ηLP、ηST分别为低压缸和小机的内效率。由于流过低压缸的进汽参数高,排汽参数低,因此ΔHLP＞ΔHST；由于低压缸叶片长,加工难度较低,而小机叶片短,加工难度较大,因此低压缸比小机内效率高。一般300MW机组低压缸内效率设计在88%左右,而小机内效率设计在82%左右,即ηLP＞ηST,因此WLP＞WST,即小机抽汽返回低压缸大于蒸汽在小机内所作的功。

但是,除非直接用主机大轴驱动给水泵,否则流过低压缸蒸汽的热能转换为动能后,必然经过动能向电能的转换 (发电机),然后由电能转换为动能 (给水泵电机),再经过液力耦合器 (或变频器)变速,才能驱动给水泵,因此,仅比较WLP和WST不能评价2种运行方式的优劣,还应综合考虑发电机效率ηG,给水泵电机效率ηP、液力耦合器(或变频器)效率ηT才能进行评价。

在相同工况下,2种方式给水泵的流量、扬程相同,因此,泵的有效功率和效率是相同的。采用小机驱动需要的蒸汽流量可通过如下公式计算:

式中 W为给水泵有效功率,ηP为给水泵效率。

如果取消小机,抽汽将返回低压缸内继续作功,机组的发电量将增加:

取消小机后必须增加电动给水泵,消耗的电量可通过如下公式计算:

如果ηST＞ΔHLPηLPηGηMηT/ΔHST,则P1＜P2,小机抽汽返回机组作的功不足以驱动电动给水泵,需要另外提供电量,因此,采用小机驱动给水泵机组输出的净功率较大,经济性较好；反之则说明小机抽汽返回机组作的功不仅能满足电动给水泵所需,还有部分电量输出,采用电动给水泵较经济。

一般而言,发电机和给水泵电机效率均比较稳定,随负荷变化较小。300 MW机组的设计发电机效率约在 98.9%,给水泵电机设计效率约在95.5%,液力耦合器和变频器在高负荷下的效率约在95%,在不考虑等熵焓降时,300MW负荷下按低压缸效率88%计算,小机内效率高于79%即可节能；如果考虑等熵焓降,需视汽源设计参数、抽汽压损、排汽压损和凝汽器压力等情况进行计算,估计小机内效率高于80%也可节能,因此300MW机组采用小汽轮机驱动给水泵经济性较好。

以上分析是在额定主蒸汽流量的情况下进行的。在低负荷下,小机内效率受进汽调门开度、排汽容积和流量、进汽参数的综合影响,会缓慢下降,降低小机的经济性。但是采用液力耦合器的电动给水泵存在耦合器滑差率的问题,低负荷下液力耦合器效率下降很快,因此与采用液力耦合器的电动给水泵相比,一般300MW及以上机组采用小汽轮机驱动给水泵是节能的。300MW以下机组采用小机驱动给水泵,由于小机进汽流量低,叶片较短,制造和加工的难度大,容易造成小机内效率偏低。

和采用变频器的电动给水泵相比,由于变频器的效率随负荷变化小,因此虽然在高负荷下采用小机驱动给水泵较经济,但在低负荷下由于小机内效率下降,采用变频器的电动给水泵有可能经济性更好。

2 小汽轮机驱动引风机经济性分析

大多数引风机设计采用电机驱动、电机定速运行,通过改变静叶开度调节炉膛负压。其优点是操作简便,系统可靠性高,缺点是耗电量高,经济性较差。目前,对引风机的节能改造基本是2种方式,一种是电机变频改造,另一种是采用小汽轮机驱动。对于定速电机驱动的引风机,其经济性差是一个共识,因此不再进行讨论,以下分析变频引风机和小机驱动引风机的经济性。

驱动引风机的小机一般有2种:一种是采用背压式汽轮机,乏汽回收至除氧器和加热器,或者用于供热；另一种是采用凝汽式汽轮机,在炉侧增设小机凝汽器,乏汽冷凝后泵至主机凝汽器。因为炉侧和主机凝汽器距离远,管损大,凝汽式汽轮机的乏汽一般不直接引回主机凝汽器,否则小汽轮机排汽压力过高,将降低小机经济性。

乏汽用于供热的背压式小汽轮机经济性最好。蒸汽可直接取自炉侧热再或冷再,抽汽的管道损失较小,乏汽排入热网,背压相对稳定,降低了系统设计的难度,且热量得到充分利用。但此方式必须有供热需求,对于某些不需要供热的机组不适用。

乏汽回收至除氧器或加热器的背压式小汽轮机对热力系统的影响很大,而且乏汽的压力、流量必须在所有工况下都和回收装置匹配,系统设计的要求极高。这一方式对整个机组的热平衡改变大,随着锅炉煤质和燃烧调整的变化,引风机的功耗不同,汽轮机热力系统的运行情况也不一样。虽然可以在管道上加装调节阀,或者排汽至下一级加热器,但由于熵增大,其经济性变差,因此一般不推荐采用这一方式。

对于凝汽式小汽轮机,必须另设凝汽器、循环水、抽真空系统、凝结水回收系统、轴封系统、润滑油系统、控制油系统等辅助设备,并且由于小机转速高而引风机转速低,需要在小机和引风机之间加装变速器。由于小机只能被安排在炉侧,如果仍然采用四段抽汽作为小机汽源,抽汽压损无疑将大大增加,小机的等熵焓降下降较严重；如果采用冷再或热再作为小机汽源,不仅将严重降低蒸汽的作功能力,同时由于小机进汽压力较高,加工难度大,其内效率也难以提高。

不管是采用凝汽式汽轮机驱动还是采用变频电机驱动,在主蒸汽流量相同的情况下,引风机的运行状况可视为相同,即引风机的有效功率和引风机效率相同。如果采用四段抽汽作为小机汽源,则与驱动给水泵的小机情况类似,采用小机驱动和采用变频电机驱动2种方式高、中压缸运行情况相同,小机抽汽流量可通过如下公式计算:

式中 W为引风机有效功率,ηF为引风机效率, ηR为变速器效率。

如果取消小机,抽汽将返回低压缸继续作功,机组的发电量将增加:

取消小机后加装变频电机驱动引风机,耗电量可用如下公式计算:

式中 ηM为风机电机效率,ηT为变频器效率。

如果 ηST＞ ΔHLPηLPηGηMηT/ΔHST/ηR, 则 P3＜P4,小机抽汽返回机组作的功不足以驱动变频引风机,采用小机驱动引风机经济性较好；反之则说明采用变频引风机较经济。

由于小机的等熵焓降下降,加之变速器效率的影响,因此用小机驱动引风机比驱动给水泵的经济性差。在低负荷下,小机调门的节流损失会降低小机内效率,采用变频引风机的经济性会更明显。

如果采用热再作为小机汽源,则高压缸运行情况不变,中、低压缸作功减少,式 (7)变为:

式中 ΔHMP为中压缸等熵焓降,ηMP为中压缸内效率。

对比 P3, P4, ηST＞ (ΔHLPηLP＋ΔHMPηMP) ηGηMηT/ΔHST/ηR时采用小机驱动引风机较经济,反之则采用变频引风机较经济。

采用热再作为小机汽源由于进汽参数高,抽汽压损低,小机的等熵焓降大大增加,但主机损失的作功同样增加。而且小机叶片短,加工难度大,设计和制造的时候应加以关注。

如果采用冷再作为小机汽源,由于再热器吸热量发生改变,因此不仅需要对比电量,还需要对比吸热量,计算相对复杂。并且冷再压力高、温度低,湿蒸汽区提前,小机制造的难度相应增加。