1 000 MW超超临界机组增设0号高压加热器经济性分析

包伟伟

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150046)

1 000 MW超超临界机组增设0号高压加热器经济性分析

包伟伟

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150046)

针对1 000 MW超超临界机组在部分负荷运行时经济性下降的问题,介绍了一种可以提高部分负荷运行经济性的0号高压加热器技术,并从其工作原理出发,对其在高效1 000 MW超超临界机组上应用的经济性进行详细的计算及分析。结果表明：通过采用该项技术后在部分负荷下可使机组热耗降低约30 kJ/(k W·h),经济效果明显。

汽轮机；超超临界机组；热力循环；高压加热器；热经济性

1 000 MW超超临界机组在部分负荷工作时,机组的整体热力循环以及主机设备等均偏离设计条件运行［1］。热力循环偏离设计的主要表现为循环的初参数降低、各级回热抽汽压力降低、再热压力降低、最终给水温度降低等多个方面。最终给水温度是表征回热循环热经济性的重要参数之一,其降低将直接导致热力循环的平均吸热温度降低,因此循环的热效率也将随之降低,这直接影响机组的运行经济性［2］。

1 000 MW超超临界汽轮机设计带基本负荷运行,多数采用节流调节、滑压运行方式。这种设计思想可使汽轮机在部分负荷运行时其相对内效率不低于设计工况［3］。因此,机组部分负荷运行经济性的降低主要来自最终给水温度以及循环初参数降低导致的循环热效率的降低。如果采取一定的技术措施,在机组处于部分负荷运行时能够提高最终给水温度,必将能有效缓解循环热效率的降低程度,对于改善机组的运行经济性无疑将具有显著的效果。

采用0号高压加热器(简称高加)技术,能有效缓解机组最终给水温度的降低幅度,提高其在部分负荷的运行经济性。笔者以某新型高效1 000 MW超超临界汽轮机为例,详细论述其采用0号高加技术对于机组运行经济性的影响。

1 机组概况

新型高效1 000 MW超超临界汽轮机为一次中间再热、单轴、四缸四排汽,反动式、双背压、凝汽式汽轮机,其主要参数为主汽压力28 MPa,主汽温度600℃,再热温度620℃,排汽压力4.8 k Pa,额定给水温度300℃。

汽轮机共设置9级回热抽汽,布置采用3个高加,1个除氧器以及5个低压加热器(简称低加),其中3号高加设置外置式蒸汽冷却器,用来提高最终给水温度,减少冷端损失。加热器疏水采用逐级自流布置：高加疏水逐级自流进入除氧器,低加疏水逐级自流进入凝汽器。给水泵驱动采用汽泵方案,设置100%BMCR容量的高效给水泵汽轮机,给水泵汽轮机排汽单设凝汽器,以减少主凝汽器热负荷,提高其真空度。

汽轮机为高中压分缸结构,其中高压缸排布有15个压力级,中、低压缸均采用双分流结构,中压缸排布有2×12个压力级,低压缸共排布有2× 2×5个压力级。末级叶片平均直径为2 948 mm,高度为1 220 mm,单侧排汽面积达到11.30 m2。100%THA工况下设计高压缸效率为90%,中压缸效率为93%,低压缸效率为90%,整机内效率达到91.3%。

图1是新型高效1 000 MW超超临界机组热力系统简图。

图1 高效1 000 MW超超临界机组热力系统简图

汽轮机的配汽设计取消了调节级,采用全周进汽、节流配汽方式以及滑压运行方式。采用调节阀预节流方式进行一次调频,设计预节流一次调频负荷为3%～5%THA,满足电网的调频需要；同时由于采用滑压运行方式,可使汽轮机相对内效率在很大的负荷区间内不下降,提高机组的运行经济性。

2 增设加热器目的

1 000 MW超超临界机组在部分负荷运行时,由于主蒸汽流量减小,第1级抽汽压力随之降低,这直接导致最终给水温度降低；同时,由于采用滑压运行方式,主汽压力也将同步降低。由蒸汽动力循环原理可知,以上两方面均将导致热力循环的平均吸热温度降低,由于平均放热温度不变,因此,热力循环将逐渐偏离经济工况,循环热效率将不可避免地下降。

表1为该机组热力循环参数随负荷的变化情况。

表1 热力循环参数与负荷关系

火力发电机组绝对电效率的转化关系为：

式中：ηcs为循环热效率；ηt为汽轮机内效率；ηm为机械传动效率；ηg为发电机效率；QHR为机组热耗。

将ηt、ηm、ηg等视作常数,对式(1)进行小偏差线性化展开,可知：

在ηcs为0.554、ηt为0.913、ηm为0.998、ηg为0.99的条件下,由式(2)计算可知,循环热效率ηcs每降低1%,机组热耗QHR将升高约130 kJ/(k W·h)。

由表1可知：从100%负荷到80%负荷,循环热效率下降了约0.9%,这将使得机组热耗升高约117 kJ/(k W·h)。由于机组采用滑压运行方式,汽轮机高中压缸效率可维持不变,同时低压缸效率最高点约在70%负荷点上,因此,在80%负荷时,汽轮机内效率不但没有下降,反而升高了0.6%,综合作用之后,机组热耗仅升高约77 kJ/(k W·h)。汽轮机内效率的提高,有效地弥补了循环热效率下降对于运行经济性的影响。

虽然高效1 000 MW超超临界汽轮机通过采取滑压运行方式,可保持相对内效率在很宽的运行区间内近似不变；但是循环热效率的下降,仍将不可避免地使得机组的发电效率降低,运行经济性变差。给水温度的降低是由部分负荷下汽轮机变工况时第1级抽汽压力的降低导致的,因此,通过增设0号高加以及更高参数的0级回热抽汽,可达到在部分负荷时相对提高给水温度的目的,减缓循环热效率的降低幅度,对机组的经济性产生有益的影响。

3 工作原理

该汽轮机原第1级回热抽汽口位于高压缸第12级后,100%负荷时抽汽压力为8.164 MPa,给水温度为300℃；在80%负荷时该抽汽压力降低到6.489 MPa,给水温度相应降低到284.4℃。为了提高回热抽汽参数,必须将0级抽汽口设置在更靠前的位置。

该汽轮机高压缸第9级后的蒸汽压力在75%负荷时为8.398 MPa,这一压力与100%负荷时的第1级回热抽汽压力相近,可将给水加热到额定给水温度300℃。因此,可在高压缸第9级后设置0级回热抽汽口,增设0号高加。

0号高加一般选用卧式表面凝结型给水加热器,其主要技术条件参考1号高加,可选为上端差-1 K,下端差5.6 K。0级回热抽汽管路压损可选为2.5%；同时,为保证0号高加不超压,给水温度不超温,还需在0级回热抽汽管路上设置调节阀,对其压力进行有效调节。

增设0号高加之后,机组在部分负荷运行时,不但提高了给水温度,而且增加了一级回热抽汽,使得回热抽汽总级数达到10级,这两个方面对于循环热效率将同时产生独立的、正的增益,因此可使机组在部分负荷时的运行经济性大为改善。

该机组增设0号高加之后热力循环参数随负荷的变化见表2。

表2 热力循环参数与负荷关系

由表2可见：在增设0号高加之后80%负荷时,可提高给水温度约19 K、循环平均吸热温度约6 K、循环热效率约0.2%,降低机组热耗约26 kJ/(k W·h)；60%负荷时,可提高给水温度约30 K、循环平均吸热温度约9 K、循环热效率约0.3%,降低机组热耗约31 kJ/(k W·h),效果显著。

4 参数选择

增设0号高加时,按其工作原理,选择不同的0级回热抽汽压力,可使其在不同负荷下达到额定给水温度。例如：在高压缸第9级后设置回热抽汽口,可在75%负荷时达到额定给水温度；如果在7级后设置回热抽汽口,则在65%负荷时能达到额定给水温度。把0级抽汽不节流时给水温度达到额定值时的工况负荷率称为增设0号高加的基准工况,这是增设0号高加必须要首先选定的设计条件。

0号高加基准工况的选择或者0级抽汽压力的选择对机组部分负荷运行时经济性的收益有明显影响。如果0级抽汽压力选择过高,一是机组保持额定给水温度运行的区间变大,这对经济性有正的增益；二是在基准工况以下,可以达到更高的给水温度,这对经济性也有正的增益；三是由于0级回热抽汽参数过高,各级高加的温升分布将会很不合理,这将对经济性产生负的增益。如果选择过低,则不但保持额定给水温度运行的区间小,而且也达不到较高的回热温度,同时各级高加的温升也不合理。因此,必然存在一个最佳的0级抽汽压力,使得增设0号高加之后在较大的负荷区间内均具有最好的经济性收益。

对该汽轮机分别在高压缸第5、7、9级后设置0级抽汽,作为增设0号高加的三个方案进行比较。由热力计算可知,这三个方案可分别在55%、65%、75%负荷时达到额定给水温度。图2给出了这3个基准的0号高加方案在不同负荷条件下与不设置0号高加方案的经济性比较。

图2 不同0号高加方案经济性比较

由图2可知：5级后方案与7级后方案相比经济性差,不但在额定给水温度运行时收益小于7级后,而且在基准工况以下保持较高给水温度运行时,收益仍小于7级后。7级后与9级后则各有优势,7级后在70%以下负荷热耗比9级后低约10 kJ/(k W·h),在70%以上负荷则高约10 kJ/(k W·h)。从回热系统优化的角度看, 9级后方案各级高压加热器温升均匀,回热抽汽量合理,具有较高的经济性。

另外,该压力的选择也受制于汽轮机高压内缸结构。由于该汽轮机高压内缸为红套环结构,受套环位置的限制,无法在7级后设置0级回热抽汽。综合考虑之后,该汽轮机选择9级后作为增设0级回热抽汽的最终方案。

5 经济性分析

增设0号高加之后,机组在75%负荷即可达到额定给水温度300℃,在75%负荷到100%负荷区间内,需通过0级抽汽压力调节阀,将进入0号高加的蒸汽压力限制在8.2 MPa以内,这样就可使机组保持额定给水温度300℃运行。否则,给水温度将超过额定值,这将使锅炉排烟温度升高,排烟损失增加,导致锅炉效率降低。

图3是投0号高加与不投0高加的经济性比较。

图3 0号高加经济性曲线

由图3可知：增设0号高加后,在40%～75%负荷内,机组热耗整体下降约30 kJ/(k W·h)；在75%～100%负荷内,也就是保持额定给水温度运行区间内,投0号高加运行的收益逐渐减小,热耗负荷曲线与原曲线逐渐接近,在100%负荷时完全重合。

因此,增设0号高加的收益主要集中在部分负荷区间,其综合收益可按表3所示的加权方法计算。

表3 增设0号高加收益计算

由表3可知：采用0号高加可使机组的加权热耗降低约18.1 kJ/(k W·h),按锅炉效率95%,管道效率99%计算,可使电厂的发电标煤耗降低约0.7 g/(k W·h),按年利用小时数6 000 h、标煤800元/t计算,每年可节约标煤3 940 t,产生经济效益315万元,效果非常显著。

增设0号高加以后,在整个负荷区间内,投0号高加运行的经济性始终是好的；同时,由于机组保持不超过额定给水温度运行,因此不会对锅炉效率产生负面影响。另外,0号高加的不间断投入,可避免因反复投切而产生的交变热应力对其使用寿命的影响,这对于0号高加的长期安全运行也具有重要意义。

6 结语

笔者对于1 000 MW超超临界机组增设0号高加的目的、工作原理、参数选择以及运行经济性等进行了全面的计算及分析。经过论述,得到采用合理参数的0号高加技术,可使机组在部分负荷运行时热耗整体降低约30 kJ/(k W·h)的结论,这对于改善机组的运行经济性无疑将具有显著的效果。

［1］崔映红,王惠杰,马晓芳.汽轮机变负荷运行时经济运行方式的探讨［J］.能源研究与利用,2002(4)：4-8.

［2］苑丽伟.大型火电机组热系统变工况经济性诊断研究［D］.山东：山东大学,2007.

［3］刘振刚,王永刚,王俊有,等.汽轮机组滑压运行方式的优化［J］.发电设备,2007,21(6)：426-429.

Economy Analysis of a 1 000 MW Ultra Supercritical Unit with Installation of No.0 High-pressure Heater

Bao Weiwei
(Harbin Turbine Co.,Ltd.,Harbin 150046,China)

As to the problem that the efficiency of thermal cycle becomes low when thermal power unit works at partial loads,a technology named No.0 high-pressure heater which can improve the economy of the unit with partial loads is introduced.Based on the working principle of No.0 high-pressure heater, detail calculation and analysis were conducted to the economy of a 1 000 MW high-performance ultra supercritical power unit with installation of No.0 high-pressure heater.Results show that after application of this technology,the unit heat consumption has been reduced by 30 kJ/(k W·h),with obvious economic benefits.

steam turbine；ultra supercritical unit；thermal cycle；high-pressure heater；thermal economy

TK223.3

A

1671-086X(2015)03-0172-04

2014-11-17

包伟伟(1986-),男,工程师,主要从事汽轮机热力、气动以及强度方面的设计工作。

E-mail：alndr@163.com