低位热能回收系统对汽轮机运行的影响分析

胡 锋

(攀枝花钢钒有限公司能源动力中心,四川攀枝花 617062)

低位热能回收系统对汽轮机运行的影响分析

胡 锋

(攀枝花钢钒有限公司能源动力中心,四川攀枝花 617062)

利用热量平衡和质量守衡的原理对凝结水作为工作介质的低位热能回收系统中参数进行理论计算和分析，找到了影响原因。最后提出改进建议，实践证明利用二级除盐水作为工作介质虽不能全部回收乏汽，但回收的热量要比利用凝结水作为工作介质时多。

低位热能;回收系统;汽轮机;影响分析

1 引言

能源动力中心发电站为攀钢钒公司三期建设项目，共有两台发电机组。4#发电机组配套汽轮机由武汽设计制造，型号为N55-8.83/535，七段非调整抽汽，回热系统采用2级高加＋4级低加＋1级除氧，4～7级抽汽分别供4#～1#低压加热器。配套锅炉由东方锅炉设计制造，型号为DG-240/9.80-Ⅲ，燃烧焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气。锅炉设置一台DP-6型定期排污扩容器，接收来自定期排污和连续排污的高温水，这些高温水在定排扩容器内闪蒸，产生3～5t/h的低压蒸汽，通过排空管排向大气。为回收这部分蒸汽发电站于2010年4月建成了一套低位热能回收系统，但对于用什么作为工作介质有争议，若用二级除盐水作为工作介质，因其水量维持在12t/h左右，无法全部回收低压蒸汽，因此最后还是决定用凝结水作为工作介质。第二台机组即5#发电机组于2010年底投产。

2 低位热能回收系统

该系统由ZQ-PQHS-4.0D型低位热能回收装置、80DLR50-25(1)×5型热水泵、Y2-225S-4W 型电机、ZQ-KT-37-A型变频器、管道、阀门，以及测量元件等组成。 工作原理：将具有一定压力的水引入热能回收装置作为工作介质，水高速流过热能回收装置喷嘴时会对周围空间中另一介质即乏汽产生射吸，同时两种介质进行传热和传质，水被加热，乏汽被凝结成水，然后经过扩压段进入脱气储水罐中。水中溶解的各种气体会逸出，聚集在脱气储水罐中，罐内压力升高，要维持热能回收装置正常的背压，必须将混合后的热水送出，同时将气体排出。工作过程：该回收装置以轴封加热器出口凝结水为工作水，取出管径为ND125,进入混合器前变径为ND100，凝结水进入低位热能回收装置后，经过四个喷嘴的喷淋作用与乏汽充分混合，变成气水混合物，分离出来的气体通过定排扩容器管道自动排出，热水在高精度液位控制作用下，经热水泵升压后送至2#低加出口，并入凝结水母管，继续参与机组的运行，其系统简图见图1。

3 试验

低位热能回收系统投运后，汽轮机主要运行参数均发生变化。为分析该系统对汽轮机运行参数的影响，于2014年3月31日至4月4日分别进行了五次试验，每次试验记录6～10组数据，选取其中5组具有代表性的数据进行统计分析。因3月31日4#水架风机故障、4月1日2#高炉休风导致试验前后机组运行参数变化较大，这两天的试验数据未纳入分析计算。

图1 低位热能回收系统简图

3.1 试验条件

①汽轮机蒸汽流量基本保持在207.0t/h左右，汽温和汽压维持稳定；

②关闭凝结水再循环阀门，保证所有凝结水进入低加系统；

③循环水流量和冷却塔风机运行台数保持不变；

④试验均在环境温度基本一致的情况下进行。

3.2 试验数据

试验数据汇总见表1。

表1 试验数据汇总表

注：回收系统用凝结水量为46.4t/h,回收系统出口热水平均温度为82.9℃。

从表1的统计数据可以看出，在保证汽轮机进汽量207.0t/h、汽温、汽压基本一致的前提下，利用凝结水作为工作介质的低位热能回收系统投运后，发电功率增加0.27MW，凝汽器排汽温度上升0.30℃，凝结水温度提高0.23℃，4#低加出口水温降低1.4℃，3#低加出口水温降低1.5℃，2#低加出口水温上升3.6℃，1#低加出口水温增加2.2℃，高加和除氧器参数基本无变化，但六级和七级抽汽参数相对其他级变化大。

4 汽量计算

计算条件：①抽汽管道、凝结水管道的压力和温度不计损失；②攀枝花地区大气压力取88kPa；③换热器效率95%；④一级、二级和三级抽汽参数在系统停运前后无明显变化，不计系统投停时抽汽量差别；⑤轴封加热器疏水全部进入凝汽器，不影响凝结水量，故不计算加热汽量；⑥高低压端轴封蒸汽因分别进入第二级抽汽、第五级抽汽和第七级抽汽，在抽汽参数中计算，不单独考虑。

4.1 乏汽回收量

因热水泵出口水量表安装直管长度不足，出口流量表读数小于入口流量表读数，无法直接测量所回收的乏汽量，而且凝结水显示流量波动大，存在较大误差，故计算如下：

乏汽温度120℃，绝对压力0.18MPa，对应比焓2708.05kJ/kg，温度51℃、压力0.87MPa凝结水对应比焓214.33kJ/kg，82.9℃对应饱和水比焓347.12kJ/kg，乏汽回收量设为Q1，则(换热效率取95%)(Q1×2708.05＋46.4×214.33)×95% ＝(46.4＋Q1)×347.12，则乏汽回收量 Q1＝3.54t/h。

4.2 一级抽汽量

一级抽汽加热2#高加。一级抽汽平均温度408.6℃，压力2.52MPa，根据2#高压加热器热平衡计算模型，带入相关数据得出一级抽汽量D1=13.30t/h。

4.3 二级抽汽量

二级抽汽加热1#高加。二级抽汽平均温度377.6℃，压力1.42MPa，给水泵出口焓=除氧器出口水焓值+给水泵焓升20kJ/kg[2]=678.48kJ/kg，根据1#高压加热器热平衡计算模型，带入相关数据得出二级抽汽量D2=10.66t/h。

4.4 三级抽汽量

三级抽汽主要用于加热除氧器和锅炉暖风器，除氧器额定工况设计加热蒸汽量为1.06t/h，而锅炉暖风器设计加热蒸汽流量为3.966t/h，两者之和5.026t/h，而本次试验时显示抽汽量平均值为5.30t/h，故计算选取三级抽汽量D3=5.30t/h。

4.5 四级抽汽量

4.5.1 低位热能回收装置投运时

四级抽汽加热4#低加。四级抽汽温度为227.1℃，压力0.44MPa，4#低压加热器入口水温119.0℃，出口水温137.8℃，凝结水压力为0.87MPa。凝结水流量N4=主蒸汽流量－一级抽汽量－二级抽汽量－三级抽汽量＋乏汽回收量＝207.0－13.30－10.66－5.3＋3.54＝181.28t/h，热平衡计算模型如图2所示。

图24#低加热平衡计算模型

带入相关数据得四级抽汽量D4=6.75t/h。

4.5.2 低位热能回收装置停运时，根据热平衡计算模型带入相关数据得出四级抽汽量为6.59t/h。

4.6 五级抽汽量

4.6.1 低位热能回收装置投运时

五级抽汽加热3#低加。五级抽汽温度为171.2℃，压力0.18MPa，3#低压加热器入口水温97.3℃，出口水温119.0℃，凝结水压力为0.87MPa。凝结水流量N3由两部分组成，一部分是回收装置来的，其水量N=46.4+3.54=49.94t/h，温度为82.9℃，另一部分是2#低加出口来的，其水量N2=主蒸汽流量－一级抽汽量－二级抽汽量－三级抽汽量－低位热能回收装置使用凝结水量＝207.0－13.30－10.66－5.30－46.40＝131.34t/h，热平衡计算模型如图3所示。

由此得热平衡计算方程为：

图33#低加回收装置投运时热平衡计算模型

带入相关数据得四级抽汽量D5=8.85t/h。

4.6.2 低位热能回收装置停运时，根据热平衡计算模型带入相关数据得出五级抽汽量为9.08t/h。

4.7 六级抽汽量与七级抽汽量

因六级抽汽量影响七级抽汽量，同时抽汽量又影响低加疏水泵出口疏水量，进而影响进入2#低加入口凝结水的构成，因而联立求解。

4.7.1 低位热能回收装置投运时

六级抽汽加热2#低加。六级抽汽温度为108.8℃，压力14.48kPa，2#低压加热器入口水温58.0℃，出口水温97.3℃，凝结水压力为0.87MPa。凝结水流量N2＝131.34t/h，不因四级、五级、六级和七级抽汽量多少而改变，即总量不变，其包括两部分，一部分为1#低加出口送来的凝结水，另一部分为低加疏水泵出口疏水。

七级抽汽加热1#低加。七级抽汽压力-46.7kPa，温度80.6℃(因现场检测值偏大取设计值)[4]，1#低压加热器入口水温51.0℃，出口水温58.0℃，凝结水压力为0.87MPa。凝结水流量N1=主蒸汽流量－一级抽汽量－二级抽汽量－三级抽汽量－低位热能回收装置使用凝结水量－四级抽汽量－五级抽汽量－六级抽汽量－七级抽汽量＝207.0－13.30－10.66－5.30－46.40－6.75－8.85－D6－D7＝115.74－D6－D7t/h。1#低加和2#低加热平衡计算模型如图4所示。

由此得热平衡计算方程为：

图41#低加和2#低加热平衡计算模型

由此得热平衡计算方程为：

对于2#低加：

将表2中的数据带入⑹式，得如下关系式：

将表2中的数据带入⑻式，得如下关系式：

计算结果如下所示：

六级抽汽焓h6:2693.57kJ/kg

2#低加疏水焓 h6′：420.33kJ/kg

2#低加凝结水量N2：131.34t/h

2#低加出口水焓 hn2′：408.37kJ/kg

2#低加入口水焓hn2：243.58kJ/kg

3#低加疏水焓 h5′：545.19kJ/kg

七级抽汽焓h7：2645.28kJ/kg

1#低加疏水焓 h7′：320.80kJ/kg

1#低加凝结水量 N1：115.74－D6－D7t/h

1#低加出口水焓 hn1′：243.58kJ/kg

1#低加入口水焓hn1：214.33kJ/kg

四级抽汽量D4：6.75t/h

五级抽汽量D5：8.85t/h

低加换热效率η：95%

六级抽汽量D6：8.30t/h

七级抽汽量D7：0.39t/h

4.7.2 低位热能回收装置停运时，根据热平衡计算模型带入相关数据得出，六级抽汽量为11.16t/h，七级抽汽量为0.30t/h。

4.8 计算结果

计算结果汇总见表2。从表2可以看出，低位热能回收系统投运后四级、五级和七级抽汽量变化较小，但六级抽汽量变化较大，即对2#低加的影响较大。其中，四级抽汽量增加0.16t/h，五级抽汽量减少0.23t/h，六级抽汽量减少2.86t/h，七级抽汽量增加

0.09 t/h，共计减少汽轮机抽汽量2.84t/h。

表2 回收系统投运/停运后抽汽量汇总表t/h

5 影响分析

通过对表1数据的理论计算和分析，低位热能回收系统投入运行后，利用46.40t/h的凝结水作为工作介质，回收乏汽量3.54t/h(相当于2.66MW)，增加发电功率0.27MW，排汽温度升高0.30℃，凝结水温度升高0.23℃，4#低加出口水温降低1.4℃，3#低加出口水温降低1.5℃，2#低加出口水温增加3.6℃，1#低加出口水温增加2.2℃，其原因在于：

以凝结水作为工作介质，消弱了回热系统的加热效果，减少抽汽量2.84t/h，导致排汽温度升高，少抽的蒸汽在汽轮机级内多做功0.27MW，但蒸汽被循环水多带走热量1.89MW，则系统回收热量＝2.66＋0.27－1.89＝1.04MW。

6 改进建议

由化学提供的数据可知，2013年发电站二级除盐水平均耗量为20.43t/h。若用除盐水作为工作介质，在除氧器补水调节阀门后、手动门前新建一根DN80的管道，与低位热能回收系统连接，如此运行则该除盐水量(20℃、0.6MPa，比焓84.48kJ/kg)可回收的乏汽量Q2在参数与现有系统一致的情况下即加热至82.9℃时为：

故 Q2＝2.41t/h＜Q1，故不能完全回收，则需重新校核，可再多回收一些乏汽，即乏汽还可将除盐水加热至大气压力下的饱和温度，攀枝花大气压力88kPa对应饱和水比焓402.53kJ/kg，那么可回收的乏汽量Q3：

即Q3=3.03t/h，相当于2.28MW。

7 结论

⑴ 利用凝结水作为工作介质，表面上全部回收了外排蒸汽，没有“浪费”，但因其对回热系统的运行存在一定影响，使得抽汽量减少2.84t/h，这部分蒸汽进入凝汽器，其热量1.89MW被循环水带走，降低了系统运行经济性。该低位热能回收系统实际上仅回收了乏汽热量的39.10%，并没有真正实现回收全部乏汽热量的目的。

⑵ 利用二级除盐水作为工作介质可回收乏汽量3.03t/h，相当于回收热量2.28MW，虽然仅回收乏汽总量的85.59%，但因其对回热系统没有任何影响，回收热量要比用凝结水为工作介质时多1.24MW，为低位热能回收系统投运后回收热量的2.19倍。

⑶ 可改变除盐水的补水方式，将从除氧器补水改为从凝汽器补水，增加进入1#低加和2#低加的凝结水量，以消弱低位热能回收系统投运后对机组运行的影响。

[1]杨世铭 陶文铨,传热学[M].北京:高等教育出版社,1998年第三版.

[2]郑体宽,热力发电厂,重庆大学[M].北京:水利电力出版社,1992年10月.

[3]杨宇,电站锅炉性能试验软件包(Ver 3.0)[CP].上海发电设备成套设计研究所,2010年8月.

Effect of Low-Heat Energy Recovery System on Steam Turbine Operation

Hu Feng

(Energy and Power Center of Pangang Group V-Ti Co.,Ltd.,Panzhihua,Sichuan 617062,China)

When condensed water was used as working medium in the low heat energy recovery system,the main operating parameters of steam turbine would change.Theoretical calculation and analysis were performed based on the theory of heat balance and mass balance and the cause of the problem was found out.Finally improvement proposal was provided.Practice has shown that though using demineralized water as working medium cannot fully recover exhaust steam,it recovers more heat then using condensed water as working media.

low heat energy,recovery system,steam turbine,influence analysis

TK114

B

1006-6764（2014）11-0048-05

10.13589/j.cnki.yjdl.2014.11.016

2014-06-19

胡锋(1978-)，男，2001年毕业于长沙电力学院电厂热能动力工程，热能动力工程师，主要从事热力设备技术管理。