超超临界机组增设零号高压加热器研究

刘启军，李作兰，方 琪

（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021）

根据2014年9月12日国家发改委、环保部、能源局联合制定的《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》的要求，全国新建燃煤发电机组平均供电煤耗（标准煤）低于300g/（kW·h）；东部地区新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值，中部地区新建机组原则上接近或达到燃气轮机组排放限值，鼓励西部地区新建机组接近或达到燃气轮机组排放限值。按此行动计划的要求，目前新建燃煤纯凝发电机组基本都选择超超临界参数等级，且同步建设脱硫、脱硝、高效除尘设施。

600 MW 以上超超临界机组的设计工况下供电煤耗都在300g/（kW·h）以下（包括空冷机组），但机组实际运行时每年却有大部分时间在额定负荷以下，使机组的实际煤耗偏离设计值较多，同时机组部分负荷运行时的脱硝装置投入率也直接影响电厂的脱硝电价补偿费用，因此提高机组部分负荷工况的热效率和脱硝装置投入率是发电企业十分关注的问题。采用增设零号高压加热器在部分负荷投运的技术，是提高机组部分负荷运行经济性、提高脱硝装置投入率的措施之一。

1 增设零号高压加热器技术

1.1 补汽阀技术

超超临界机组的单流高压缸配有两个主汽门和两个调节阀。在每个主汽门后、调门前引出一根管道，接入一个或两个外置的补汽调节阀，该阀门结构类同于主汽调节阀，位于高压缸下部（或上部）。阀门也由电液控制系统控制开度，由弹簧安全关闭。蒸汽从阀门引出后进入某中间级后，布置位置见图1。

补汽阀只在过载超发时使用，如果夏季背压升高，主汽调节阀全开后达不到额定出力或额定背压工况需要超发时，均可从主汽阀后、调节汽阀前引出一股新蒸汽，经过载补汽阀节流后进入高压缸某级动叶后继续膨胀做功。该技术不但可以保证机组额定负荷时具有较高效率，同时可以满足机组超发、一次调频快速响应能力的要求。

图1 高压缸补汽阀接口示意图

1.2 零号高压加热器的应用方案

采用补汽阀技术是在机组额定负荷以上超发和快速响应一次调频要求时才使用。机组部分负荷时采用主汽调节阀全开的滑压运行方式。

机组在年运行时间内有相当长时间是处于部分负荷运行状态，提高机组部分负荷运行效率是节能减排的有效措施。鉴于补汽阀部分负荷时处于停用状态，且基于回热系统级数增加会提高机组回热效率，同时提高给水温度，降低汽轮机热耗率考虑，拟部分负荷时利用高压缸补汽阀接口抽汽送至新增的高压加热器（以下简称新增的高压加热器为零号高加），相当于部分负荷时增加一级回热系统。零号高加与补汽阀进汽共用一个接口，通过补汽阀和零号高加抽汽管路的快关调节阀切换。

在原高压给水系统（3号高加蒸汽冷却器后，按给水流程）增设一台高加，在额定负荷时不投入（因为额定负荷最终给水温度已经很高，再抽高品质蒸汽加热给水已经得不偿失），仅在部分负荷时投入运行，起到在部分负荷工况提高最终给水温度的目的。零号高加抽汽管道上设置关断阀、调节阀、逆止阀等，通过调节阀以最终给水温度为目标量来调节该级抽汽量，增加部分负荷运行经济性。

1.3 增设零号高加后热力系统

1.3.1 抽汽系统

在高压缸补汽阀与高压缸接口之间引出抽汽管道送至零号高加。在抽汽管道上设置快关调节阀、关断阀、逆止阀，部分负荷运行时补汽阀处于关闭状态，从高压缸补汽阀接口抽出的高压蒸汽通过调节阀调节抽汽量和抽汽参数，维持所需要的给水温度（见图2）。

1.3.2 给水系统

按高压给水流程，在3号高加蒸汽冷却器后设置一台零号高加。零号高加的换热参数可以按照机组调峰经常达到的最低负荷所要达到的给水温度对应的热平衡参数选型设计，同时用其他负荷工况的热平衡参数校核，以满足部分负荷时给水温度提升的要求。

零号高加可以与原高加共用一套高压给水旁路系统，此种方式可节省投资，但是零号高加不投时，会增加给水泵功耗。零号高加也可以自己单独设置一套给水旁路系统，零号高加不投时，可切除零号高加，但是其投资增大（见图2）。

图2 增设零号高加后热力系统图

1.3.3 疏水系统

零号高加正常疏水可以采用逐级自流的疏水方式，即疏水至1号高加；同时也可以采用直接疏水至除氧器的方式。前一种方式运行经济性好，但是系统稍复杂，需要校核零号高加投入时1～3号高加的换热能力及1～3号高加疏水阀的通流能力等；后一种方式系统简单，但运行经济性差。对于新建工程推荐采用疏水逐级自流方式，改造工程可以通过技术经济比较后，确定合理的疏水方式。

零号高加的事故疏水直接送至凝汽器的高加事故疏水扩容器（见图2）。

1.4 增设零号高加后对汽轮机的影响

1.4.1 对高压缸通流的影响

补汽阀进汽口位于高压缸某级后（如高压缸第五级），当需要超发调频时，增加的进汽量通过补汽阀流入高压缸某级后的通流；如果改为抽汽，补汽阀后压力级的压力就会下降，造成级组叶片前后压差增加，对叶片强度产生影响，所以高压缸通流叶片强度需重新校核或需重新设计。当需要加宽叶型时，对通流效率会产生一定的负面影响，高压缸通流效率下降0.2%，影响机组热耗约3～4kJ/（kW·h）。

1.4.2 对汽轮机轴向推力的影响

采用零号高加方案，相对于原设计，高压平衡活塞前的压力由于抽汽而降低，使平衡能力下降，需要重新校核或修改设计，通过抬高转子平衡活塞的高度来满足推力要求，以保证机组安全运行的可靠性。

1.4.3 对汽轮机部分负荷时运行经济性的影响

汽轮机在部分负荷时投入零号高加，由于回热系统级数增加，提高了回热系统效率，汽轮机热耗下降了。以某660 MW 超超临界湿冷机组为例，在部分负荷时投运零号高加后，汽轮机热耗数值均有降低（见表1）。表1中增设零号高加后汽轮机部分负荷的热耗数值，已经考虑给水流量增加及给水系统阻力增加的影响。

表1 汽轮机热耗值 kJ/（kW·h）

1.5 增设零号高加对锅炉的影响分析

汽轮机组部分负荷时，由于零号高加的投运使进入锅炉的给水温度升高，给水流量和主蒸汽流量均有变化。以某660 MW 超超临界湿冷机组的锅炉为例，在75%负荷工况时，投运零号高加后，主蒸汽流量增加约51t/h，给水温度由275 ℃升高到295 ℃，省煤器出口烟气温度由334 ℃提高到343℃，空气预热器（以下简称空预器）出口烟温由111℃升高至115 ℃，锅炉效率由94.35%降低为94.15%。在50%负荷工况时，投运零号高加后，主蒸汽流量增加约62t/h，给水温度由251 ℃升高到290 ℃，省煤器出口烟气温度由316 ℃提高到335℃，空预器出口烟温由106℃升高至113℃，锅炉效率由93.60%降低为93.16%。

2 增设零号高加的经济性分析

2.1 投资比较

增设零号高加后，汽轮机组的设备和系统均发生变化，增加了一台高加设备及相应的阀门、管道、管件，增加了设备和管道的安装费等。以1 台660 MW 超超临界机组增设零号高加为例，按与原高加共用给水旁路系统考虑，增设零号高加后，每台机组初投资需要增加约588万元。

2.2 运行经济性分析比较

汽轮机热力系统在部分负荷投运零号高加后，汽轮机的热耗率降低了，但是由于给水温度和给水流量的变化对锅炉运行产生了负面影响，锅炉效率均有下降。年运行时间按《国家节能中心节能评审评价指标通告（第6号）》附件3中的机组年运行时间分配表取值，机组年设备利用时间为5 500h；标煤价格暂按800元/t；1台660 MW 超超临界机组在部分负荷时投运零号高加对机组整体运行指标的影响见表2。当设备利用时间为5 500h时，投运零号高加年收益为25.6万元，则需20多年才能收回投资。

2.3 年费用比较

年费用是计及资金时间价值的动态理论，用一个固定费用率f将投资、折旧、利息、税金、管理（人员工资和待遇）、保险等费用，平均分摊到机组投产后至还贷折旧完毕期间的每一年之中，并加上年运行费用。以无零号高加为基准，增设零号高加后总初投资增加588万元，年运行费用减少25.6万元，年费用增加74.36万元。上述年费比较是基于年设备利用时间5 500h的部分负荷分配时间进行比较的。

通过年费用比较可以看出：由于增设零号高加初投资较大，相对年运行收益却很少，增设零号高加方案的年费用要高出74.36万元。从投资和运行经济性角度分析是不推荐采用增设零号高加方案。

表2 部分负荷时投运零号高加对机组整体运行指标

3 增设零号高加对脱硝运行的影响分析

目前燃煤电厂的脱硝工艺一般采用SCR 选择性催化还原法，脱硝装置一般安装在锅炉省煤器后空预器前。催化剂的正常工作温度一般为320～425 ℃。当烟气温度低于最低喷氨温度时，喷氨系统自动解除运行。增设零号高加后使锅炉省煤器出口的烟温有所提高，对低负荷时提高脱硝的投入率起到了辅助作用。

根据环保部和发改委联合下发的《关于加快燃煤电厂脱硝设施验收及落实脱硝电价政策有关工作的通知》（环办［2013］21 号）的要求：燃煤机组的脱硝设施必须符合规定要求并正常运行。上海市制定的燃煤机组脱硝电价考核办法规定：机组在50%负荷以下时不对脱硝设施进行考核，但是如果脱硝装置不投，也得不到脱硝电价补贴。如果机组在50%负荷以下投运脱硝设施，则可以得到脱硝电价补贴，且不计入排放指标的考核。机组50%负荷以上时脱硝装置因故不投则处罚较重，投运率越低处罚越重，会对发电企业造成较大经济损失。反之，如果机组50%以下投运脱硝设施，则会给企业带来可观的脱硝电价收入。

以本文为例，1 台660 MW 超超临界机组在50%负荷工况时，投运零号高加后，省煤器出口烟气温度由316℃提高到335℃。根据脱硝催化剂所要求的最低喷氨温度的要求320 ℃以上，则投运零号高加后50%负荷完全具备投运脱硝装置的条件。如果一年50%负荷持续时间按3 000h计算，则增加脱硝电价所获得的收益为990万元。

可见增设零号高加后，提高运行经济性的同时，也提高了锅炉省煤器出口烟气温度，提高了低负荷时脱硝装置的投运率，为企业获得脱硝电价补偿提供了有力保障。

4 结论

分析了采用全周进汽、节流调节及补汽阀技术的超超临界汽轮机组设置零号高加的可行性，并对增设零号高加后对汽轮机、锅炉、炉后脱硝设施的影响进行了阐述，得出如下结论。

a.采用补汽阀技术的汽轮机均具备采用零号高加技术的条件，但需对锅炉和汽轮机等设备进行运行安全性和经济性评估确认。

b.零号高加只在机组部分负荷时投运。

c.投运零号高加使总热效率比无零号高加时略有提高，从节能角度看，投运零号高加作用不大。

d，增设零号高加后，提高了低负荷时脱硝装置的投运率，为企业获得脱硝电价补偿提供了有力保障。

e.对于燃烧褐煤的锅炉，如50%负荷左右省煤器出口烟气温度已经高于脱硝催化剂所要求的最低喷氨温度时，可不考虑增设零号高加。