低温省煤器对凝汽器真空及机组热经济性影响

韩中合，李鹏

（华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北 保定 071003）

电站锅炉的排烟余热具有很大的利用价值。我国燃煤电站锅炉的排烟温度一般在120～140℃，但在一些燃用高硫煤和褐煤的电站中，排烟温度较高，甚至可达160℃。这对锅炉的效率以及脱硫除尘等设备的安全运行会造成十分不利的影响[1]。加装低温省煤器这一措施，可以有效降低排烟温度，对电站节能减排具有重要意义。

针对国内某电厂600MW 直接空冷机组锅炉排烟温度过高的问题，提出了在锅炉尾部烟道加装低温省煤器，回收烟气低温余热加热机组凝结水的方案。本文以TRL 工况为例，对加装低温省煤器后凝汽器真空的变化进行了定量计算，并且采用热平衡法与等效焓降法对加装低温省煤器后机组的热经济性进行了分析计算。

该机组为典型600MW 直接空冷超临界燃煤机组，采用NZK600-24.2/566/566 型超临界中间再热凝汽式汽轮机，额定功率620.0MW，最大功率677.2MW，额定主蒸汽量1879.5t/h，最大主蒸汽量2090t/h，锅炉热效率92.5%。回热系统由3 个高压加热器、3 个低压加热器和1 个除氧器构成。以TRL工况为例，对比分析了安装低温省煤器前后凝汽器真空的变化以及汽轮机热耗和机组发电煤耗的 变化，同时也证明了等效焓降法与热平衡法的一 致性。

1 低温省煤器

1.1 低温省煤器工作原理

低温省煤器独立于主给水系统之外[2]。通常从某个低压加热器进口或出口引部分或全部凝结水，送往低温省煤器[3]。汽轮机温度较低的凝结水在低温省煤器中吸收排烟余热中的低品味热量，低品位的排烟余热替代部分高品位的抽汽能量加热凝结水，将抽汽排挤回汽轮机继续膨胀做功[2]，增加汽轮机发电功率，降低了汽轮机热耗与机组发电煤耗；同时也增加了汽轮机的排汽流量，导致凝汽器真空下降。但是，由于排挤抽汽的新增功量远大于凝汽器真空下降引起的功量损失，所以，加装低温省煤器后，机组热经济性是提高的。

1.2 低温省煤器系统连接方式

该电厂600MW 机组低温省煤器的布置方式为：低温省煤器布置于静电除尘器之前的水平段，每个烟道布置1 台低温省煤器，每台低温省煤器分串联的高温和低温段两部分。在电厂实际运行时，从7 号低加进出口引全部凝结水进入低温省煤器，根据实际运行情况调整7 号低加进出口引出水比例，调节低温省煤器进口水温，使低温省煤器安全高效运行；在低负荷工况时，启用热水再循环系统提高进入低温省煤器的水温；在超温工况时，开启低加系统的调节门将7 号低加进出口引水混合至 70℃以上进入低温省煤器，以进一步降低烟温至100℃左右，保证电除尘器工作在最佳温度。通过电除尘烟气自适应系统控制进入低温省煤器的水量、水温，使电除尘器工作在最佳烟气温度下。

在TRL 工况下，低温省煤器及6 号与7 号低加进出口各点的凝结水温如图1 所示。同时从图1 中也可以看出电厂低温省煤器的连接方式。

图1 TRL 工况低温省煤器系统各点凝结水温

2 加装低温省煤器对凝汽器真空与机组热经济性影响

2.1 排汽压力计算

由图1 可知，加装低温省煤器将余热引入热力系统后，汽轮机6 段和7 段抽汽受到排挤，减少的抽汽返回汽轮机，导致汽轮机排汽流量增加。直接空冷系统夏季运行时风机处于最大转速，无提高转速余量，增加的排汽量会导致汽轮机排汽压力提高，排汽焓上升，热力系统热经济性下降。需要根据空冷系统的换热能力进行排汽压力的核算，并修正热力系统计算。

排汽压力与凝汽器真空之间相差一个管道压降，求得排汽压力后就可以得到凝汽器真空值。

根据参考文献[4-5]，可得到空冷凝汽器内凝结温度公式，见式（1）。

汽轮机排气口的排汽温度（考虑排汽管道的温降）公式，见式（2）。

在进行排汽压力计算时，由于排汽压力与排汽焓值相互影响：安装低温省煤器后，汽轮机排汽流量增加，根据新的排汽流量和空冷系统计算模型可以得到一个新的排汽压力，新的排汽压力对应新的排汽焓值和凝汽器出口水焓值。排汽焓值和凝结水出口焓值的变化又会使排汽流量受到影响，如此循环，需要进行迭代计算，直到得到的新的排气压力与上一轮排汽压力差值在可以接受的范围内停止迭代。迭代过程如图2 所示。

图2 排汽压力计算迭代过程

2.2 机组热经济性计算

常规热平衡法与等效焓降法都可以用于热力系统的计算，且二者在本质上是一致的[3，6-7]。参考文献[8]采用热平衡矩阵方程，从理论上证明了热平衡法与等效焓降法的一致性。本文采用两种方法对机组加装低温省煤器前后进行了热力计算，得到了安装低温省煤器的前后的热经济指标，对低温省煤器的节能效果进行了定量的比较分析；同时也通过实例计算证明了等效焓降法与常规热平衡法的一致性。

2.2.1 热平衡法

热平衡法的核心是对机组z 个加热器热平衡式和一个功率方程式求解，最终求得z 个抽汽量和一个凝汽量，然后根据有关公式求得所需的热经济 指标[6]。

各段抽汽系数的计算过程如式（3）～式（14），其中由于有锅炉排污，所以给水流量与主蒸汽流量并不相等。

1 号加热器抽汽系数

2 号加热器抽汽系数

再热蒸汽系数

3 号加热器抽汽系数

除氧器抽汽系数

4 段抽汽由除氧器加热蒸汽和汽动给水泵两部分组成

根据除氧器进出口流量平衡可知除氧器的进水系数

5 号加热器抽汽系数

6 号加热器抽汽系数

7 号加热器抽汽系数

凝汽系数计算与物质平衡校核

根据凝汽器物质平衡

根据汽轮机进出物质平衡

机组功率、汽轮机热耗和发电煤耗等热经济性指标根据参考文献[6]第一章有关公式求得。

2.2.2 等效焓降法

该机组为再热机组，采用变热量等效焓降法。变热量等效焓降是按照循环吸热的真实性计算等效焓降，等效焓降值随系统改变而改变。

再热热段以后排挤的抽汽对通过再热器的蒸汽份没有影响，加热器抽汽等效热降以及新蒸汽等效焓降为式（15）、式（16）。

加装低温省煤器后汽轮机排汽压力上升对机组做功的影响分为两方面考虑，一是排汽焓上升，引起机组有效焓降做功量下降；二是凝结水温度上升，排挤7 号低压加热器抽汽，使汽轮机做功量增加[9-11]。

汽轮机排汽压力升高，排汽焓上升，导致新蒸汽做功减少，见式（17）。

7 号低压加热器抽汽压力不变，出口水温不变，凝结水焓值上升 Δτn= hwn′- hwn，将使7 号加热器的热耗量减少αnΔτn，按照等效热降原理，相当于纯热量αnΔτn进入7 号加热器系统，引起新蒸汽等焓降增加，见式（18）。

综合两方面，汽轮机排汽压力升高引起的新蒸汽等效焓降增量为式（19）。

加装低温省煤器后，汽轮机热耗率和发电煤耗的变化量等根据参考文献[3]第三章中相关公式 求得。

3 计算结果分析

计算凝汽器真空时所需汽轮机背压数据以及进行热力计算时所需的各项参数均取自《NZK600-24.2/566/566 型汽轮机热力特性书》。

3.1 凝汽器真空计算结果及分析

汽轮机排汽为湿蒸汽，无法由排汽压力得到排汽焓值，需要通过抽汽参数、排汽参数拟合汽轮机低压缸的热力过程线，并通过新的排汽压力得到排汽干度和焓值[12-15]。

根据汽轮机5、6、7 段抽汽以及低压缸排汽压力、温度和焓值拟合并做出低压缸的热力过程线如图3 所示。计算结果见表1。

由低压缸热力过程线和汽轮机排汽参数可知，TRL 工况下，汽轮机排汽压力很高，达34.4kPa，这一压力区域排汽压力变化引起汽轮机蒸汽焓降变化较小，对热力系统经济性影响较小。当汽轮机排汽压力升高至36kPa 左右时，排汽焓值仅升高2.1kJ/kg。

3.2 热力计算结果及分析

用热平衡法与等效焓降法分别对安装低温省煤 器前后的各项热经济指标进行计算，得到结果如表2 和表3。

低温省煤器布置方式是从7 号低压加热器进出口引全部凝结水送入低温省煤器，所以回热系统中6 段和7 段抽汽量变化明显，汽轮机增加的排汽主要是来自低温省煤器排挤的7 号和6 号低压加热器的抽汽。汽轮机排汽量增加，导致凝汽器真空发生变化。

图3 低压缸热力过程线

表1 凝汽器真空计算结果

表2 热平衡法计算结果

表3 等效焓降法计算结果

由表2 和表3 可以看出，低温省煤器能够有效回收排烟余热，增加机组出力，由数据可知，汽轮机增发功率在2000kW 左右。安装低温省煤器后汽轮机热耗与机组发电煤耗均有明显降低，汽轮机热耗降低约 26kJ/(kW·h)，机组发电煤耗降低约1g/(kW·h)。

由表2 和表3 可以看出，两种方法计算所得安装低温省煤器前后各项参数的结果相差很小。两种方法算出来汽轮机热耗降低值相差1.12kJ/(kW·h)，相对误差为0.0134%，两种方法算出来机组发电煤耗降低值相差 0.0418g/(kW·h)，相对误差为0.0134%。说明在进行热力计算时，等效焓降法与热平衡法是一致的。

4 结 论

（1）加装低温省煤器后，汽轮机抽汽受到排挤，导致排气流量增加，凝汽器真空下降，汽轮机发电功率降低，汽轮机热耗与机组发电煤耗增加。

（2）凝汽器真空下降引起的不利影响与排挤抽汽多做的功所取得的收益相比是较小的，所以加装低温省煤器能够有效降低汽轮机热耗与机组发电煤耗，具有良好的节能效果。

（3）等效焓降法与热平衡法算得的各项热经济指标相差很小，说明了等效焓降法在热力计算中与热平衡法的一致性。

符 号 说 明

A—— 空冷凝汽器总换热表面积，m2

AF—— 空冷凝汽器迎风面积，m2

Ar—— 取r 号加热器的疏水放热或者给水焓升，视加热器类型而定，kJ/kg

ca——空气比热容，J/(kg·K)

Gs——汽轮机排汽流量，kg/s

hc——凝结水焓值，kJ/kg

hc′——加装低温省煤器后排气焓值，kJ/kg

hj——j 号加热器抽汽焓值，kJ/kg，j=1,2,3,4,5,6,7

hj′——j 号加热器疏水焓值，kJ/kg，j=1,2,3,5,6,7

hk——中压缸门杆漏汽焓值，kJ/kg

hwj——j 号加热器出口水焓值，kJ/kg

hs——汽轮机排汽焓值，kJ/kg

hw4′——给水泵出口水焓值，kJ/kg

hwn——加装低温省煤器前凝结水泵出口水焓值，kJ/kg

hwn′——加装低温省煤器后凝结水泵出口水焓值，kJ/kg

Hj0——j 号加热器抽汽等效热降，kJ/kg，j=1,2,3,4,5,6,7

ΔH——新蒸汽焓降净增量，kJ/kg

ΔH1——新蒸汽做功减少量，kJ/kg

ΔH2——新蒸汽焓降增量，kJ/kg

k ——空冷凝汽器总换热系数，W/(m2·K)

qrh——再热器中吸热量，kJ/kg

ta1——空气进口温度，℃

ts——凝汽器内凝结温度，℃

tst——排汽温度，℃

Δt——排汽管道温降，℃

νF——空冷凝汽器迎面风速，m/s

α4′——除氧器进汽系数

αB——高压缸门杆漏汽系数

αc——凝汽系数

αc4—— 除氧器进水系数

αfw—— 给水流量系数

αj—— j 号加热器抽汽系数，j=1,2,3,4,5,6,7

αk—— 中压缸门杆漏汽系数

αn—— 汽轮机排汽量，kg

αt—— 汽动给水泵用汽系数

ΣП—— 各辅助成分做功损失总和，kJ/kg

η7′—— 加装低温省煤器后7 号加热器抽汽效率

ηr—— r 号加热器抽汽效率

ρa—— 空冷凝汽器入口空气密度，kg/m3

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