1 000 MW超超临界二次再热机组外置式蒸汽冷却器布置方式研究

付文锋， 石 宇， 李嘉华， 杨勇平

(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)



1 000 MW超超临界二次再热机组外置式蒸汽冷却器布置方式研究

付文锋， 石 宇， 李嘉华， 杨勇平

(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)

以某1 000 MW超超临界二次再热机组为例，利用单耗分析方法，计算了单级串联、双级串联、双级并联3种外置式蒸汽冷却器的布置方式对机组能耗的影响，得到了外置式蒸汽冷却器的最佳布置方式和热力系统中各设备单耗的变化规律，并分析了最佳布置方式下机组单耗随负荷的变化趋势.结果表明：外置式蒸汽冷却器可以提高给水温度，减少锅炉的不可逆损失，这是机组单耗降低的主要原因；采用单级时，布置于第2级的效果最佳，可使机组单耗降低0.632 g/(kW·h)；采用双级时，布置于第2、第4级的串联方式效果最佳，可使机组单耗降低1.122 g/(kW·h)；随着负荷的降低，双级串联外置式蒸汽冷却器的降耗效应略有下降.

二次再热； 外置式蒸汽冷却器； 布置方式； 单耗分析方法

对燃煤电厂进行技术升级，实现超低排放，是推进石化能源清洁化、改善大气质量、缓解资源约束的重要举措.超超临界二次再热是当今世界领先的发电技术，可以大大提高机组的热经济性，是现阶段提高发电效率、降低发电能耗的最有效手段之一，该技术的完善和推广对完成节能减排任务具有重要意义[1-2].

近年来，二次再热技术的相关研究受到越来越多的关注，严俊杰等[3-5]建立了二次再热机组的热经济性评价模型.Zhou等[6-7]对二次再热机组的主汽压力，一、二次再热压力之间的匹配关系以及两者的最优值进行了分析计算.Bugge 等[8]研究指出，与一次再热机组相比，二次再热机组的回热抽汽具有更大的过热度，导致回热加热器的损较大，抑制了机组热效率的进一步提高.为了削弱加热器入口蒸汽过热度对机组的不利影响，Xu等[9]设计了一种在系统中设置抽汽背压式小汽轮机的方案并计算了改进效果.阚伟民等[10]研究指出，采用外置式蒸汽冷却器是另一种简单有效的措施，同时具有良好的负荷适应性.牛中敏等[11]和夏晓华等[12]分别针对一次再热和二次再热机组，分析了外置式蒸汽冷却器对机组的降耗效应.

现有的研究成果表明，外置式蒸汽冷却器对减小二次再热机组的加热器入口蒸汽过热度，提高机组热效率具有显著作用.但是，关于外置式蒸汽冷却器不同布置方式对二次再热机组热效率影响的报道还较少.为此，笔者以某1 000 MW超超临界二次再热机组热力系统为研究对象，提出了多种外置式蒸汽冷却器的集成方案，基于Ebsilon平台[13-14]进行热平衡计算，并利用单耗分析法，比较了各方案的热经济性，得出较优的布置方式，最后计算了优选方案在不同负荷下机组热经济性的变化规律.

1 外置式蒸汽冷却器热力系统

对于超超临界机组，由于初参数的提高使得各高压加热器的汽源存在相当大的过热度，给回热系统造成了较大的不可逆损失，削弱了回热效果.采用二次再热技术之后，加热器入口蒸汽过热度进一步加大，严重影响了整个机组的热经济性.在大过热度的高压加热器前增设外置式蒸汽冷却器是一种行之有效的应对方法，一方面，可以使该级加热器进口蒸汽焓值降低，减小该级加热器换热温差和损；另一方面，可以利用抽汽的过热度来直接提高加热器的出口水温或给水温度，减小锅炉内的换热温差和损.

在布置外置式蒸汽冷却器时，根据外置式蒸汽冷却器内水流与主给水的关系，可以将布置方式分为串联和并联两种[15]，分别如图1和图2所示.串联方式下，蒸汽冷却器的水流量更大，抽汽的过热度可以被更多的给水吸收，但是泵功的损耗也更大.并联方式恰好相反.相比较而言，当仅布置单级外置式蒸汽冷却器时，采用串联方式能获得更好的热经济性[16]；当布置双级外置式蒸汽冷却器时，串、并联方式的优劣一般需要详细的热经济性计算才能确定.

图1 串联布置方式示意图

图2 并联布置方式示意图

2 单耗分析方法

单耗分析[17-19]是一种基于分析和经济学的能量系统分析法，用单耗来表示热力系统能耗的高低，能直接反映设备运行过程中由于不可逆性而造成的损失.与效率相比，设备的单耗具有单值性，能更直观地表示系统单耗在各设备间的分布和设备单耗在系统总单耗中的份额.运用该方法可以更清晰地得到由于系统局部变化而引起的系统其他部分的能耗变化，从而揭示整体系统能耗变化的原因.

对于燃煤发电机组，单耗定义为生产单位电能所消耗的燃料量.在机组运行中，某一设备由于不可逆损失产生的附加单耗bI，可以由该设备的平衡求出：

(1)

式中：ep、ef分别为单位电能和单位燃料的值；P为发电机功率；EIin及EIout分别为设备的进、出口.

发电机组中所有设备的附加单耗与机组最低理论单耗之和即为机组单耗：

b=bmin+badd

(2)

badd=∑bI

(3)

式中：bmin为最低理论单耗，是没有任何损失的理想系统的单耗，对任何机组bmin=123 g/(kW·h)；badd为机组所有设备的附加单耗之和.

3 不同布置方式的机组热经济性分析

以某1 000 MW超超临界二次再热机组为参考机组，其热力系统如图3所示.机组初参数为31 MPa/600 ℃/610 ℃/610 ℃，第二、第四段抽汽分别为2次再热后的第1级抽汽，回热系统为“四高五低一除氧”.表1给出了机组各级抽汽参数.

图3 二次再热机组热力系统图

抽汽级数抽汽压力/MPa抽汽温度/℃过热度/K18.932415.624112.82426.009525.462249.77833.334433.645193.86541.855529.304320.69151.038442.431260.92160.718389.589123.60970.392309.989167.10980.127189.00282.57290.059118.76133.391100.02261.9840

3.1 布置单级外置式蒸汽冷却器

分别将外置式蒸汽冷却器以单级串联方式布置于机组的4级高压加热器的抽汽管路上，主给水全部经过蒸汽冷却器后进入锅炉，如图4所示.计算4种方案的热经济性时，设定同时满足以下2个条件：(1)蒸汽冷却器出口蒸汽过热度大于等于40 K，以保证蒸汽在进入加热器时有足够的过热度；(2)蒸汽冷却器的入口水温度尽可能接近出口蒸汽温度，以保证最大程度上利用加热器入口蒸汽过热度.

图4 增设单级外置式蒸汽冷却器热力系统图

基于Ebsilon平台对集成外置式蒸汽冷却器后的热力系统进行模拟仿真，获取系统节点参数，应用单耗分析法计算得到4种方案与参考机组的热经济性参数如表2所示.当取方案2即在2号高压加热器前设置外置式蒸汽冷却器时，降耗效果最佳.与参考机组相比，该方案使机组单耗降低了0.632 g/(kW·h)，机组循环热效率提高了0.233%.

表2 布置单级外置式蒸汽冷却器热经济性比较

系统中各设备单耗分布对比如表3所示，与参考机组相比，除给水泵系统外，方案2中的各设备单耗均有所降低.蒸汽冷却器对加热器入口蒸汽过热度的利用，减小了RH2的换热温差209.778 K，使回热加热器的附加单耗降低了0.010 g/(kW·h)；同时提高给水温度8.68 K，使锅炉附加单耗降低了0.577 g/(kW·h).由于给水流量和流动阻力的增大，使给水泵系统的附加单耗增加了0.015 g/(kW·h)，但该值远小于其他设备的综合降耗效果.综上可知，外置式蒸汽冷却器对机组热经济性的改善主要体现在降低锅炉附加单耗方面，而对减少回热加热器本身的不可逆损失方面影响较小.分析其原因在于：对加热器入口蒸汽过热度的利用较大程度地提高了最终给水温度，使其更加接近系统的最佳给水温度，对机组的降耗贡献显著.

表3 参考机组与方案2各设备单耗分布

Tab.3 Distribution of specific fuel consumption in reference system and scheme 2

单耗参考机组方案2单耗减少值机组单耗/(g·kW-1·h-1)266.826266.1940.632附加单耗/(g·kW-1·h-1)锅炉汽轮机凝汽器回热加热器给水泵系统119.4736.73811.8602.9011.058118.8966.73611.8022.8911.0720.5770.0020.0580.010-0.015

3.2 布置双级外置式蒸汽冷却器

由表1可知，第二、第四段抽汽的过热度最具利用潜力，因此，当采用双级蒸汽冷却器时，应布置于第2、第4级.图5和图6分别为采用双级串联和双级并联2种布置方式的热力系统图.

图5 双级串联布置方式(方案5)

Fig.5 Double series connection of outer steam coolers (scheme 5)

图6 双级并联布置方式(方案6)

Fig.6 Double parallel connection of outer steam coolers (scheme 6)

在双级串联布置方式(方案5)中，主给水经过1号高压加热器后分别进入2级外置式蒸汽冷却器，再进入锅炉，为减小2台外置式蒸汽冷却器出口水流混合时的热偏差，取进入RH2蒸汽冷却器的给水流量为总流量的70%；在双级并联布置方式(方案6)中，两级外置式蒸汽冷却器的进口给水来自其对应高压加热器的出口，以文献[20]的方法选择给水的分流系数，经计算，当取RH2蒸汽冷却器和RH4蒸汽冷却器的水流量分别为分流前给水流量的5.5%和3%时，机组循环热效率最佳.

2种方案与参考机组的热经济性对比如表4所示.方案5具有更好的热经济性，与参考机组相比，给水温度提高了12.184 K，机组单耗降低了1.122 g/(kW·h)，机组循环热效率提高了0.410%.方案6由于蒸汽冷却器的水侧流量较小，使给水温度提升较小，降耗效果低于方案5.

表4 布置双级外置式蒸汽冷却器热经济性比较

Tab.4 Comparison of thermal economy between two arrangements of double outer steam coolers

布置方案给水温度/℃机组循环热效率/%机组单耗/(g·kW-1·h-1)参考机组304.50350.979266.826方案5(双级串联布置方式)316.68751.189265.704方案6(双级并联布置方式)313.72851.164265.888

增设外置式蒸汽冷却器时的最佳单级布置方式、最佳双级布置方式与参考机组的热经济性对比如表5所示.与单级布置相比，采用双级布置时，加热器入口蒸汽过热度可以实现更大程度的利用，系统中锅炉、汽轮机、凝汽器、回热加热器的附加单耗均有所降低；而给水泵系统的附加单耗相差不大.因此，采用双级串联布置方式明显优于单级布置方式.

表5 布置单级与双级外置式蒸汽冷却器单耗分布

Tab.5 Specific fuel consumption in different arrangements of outer steam coolers

单耗参考机组方案2方案5机组单耗/(g·kW-1·h-1)266.826266.194265.704附加单耗/(g·kW-1·h-1)锅炉119.473118.896118.565汽轮机6.7386.7366.719凝汽器11.86011.80211.758回热加热器2.9012.8912.788给水泵系统1.0581.0721.077

4 变工况热力学分析

对参考机组和最优方案(方案5)进行几种典型负荷下的变工况计算，得到了不同负荷下的热经济性指标.大型机组变工况运行时多采用滑压运行方式，当负荷降低时，蒸汽温度保持不变，压力降低，往往使机组的加热器入口蒸汽过热度升高.图7为进入RH2和RH4的加热器入口蒸汽过热度随负荷变化的情况.由图7可知，随着负荷降低，参考机组中2段抽汽的过热度均有所增加；而方案5中RH2和RH4的抽汽过热度略有降低.

虽然在低负荷工况下外置式蒸汽冷却器能更好地降低加热器入口蒸汽过热度，但是随着进入2号、4号高压加热器抽汽流量的减小，给水温度的提高幅度有所下降，图8给出了参考机组和方案5中给水温度随负荷的变化规律.由于机组单耗主要受锅炉附加单耗影响，因此随着负荷下降，方案5中蒸汽冷却器对机组的降耗效应在减小，这与表6给出的机组单耗变化趋势相同，即方案5的机组单耗尽管低于参考机组，但是二者单耗的差值随负荷的降低而减小.

图7 加热器入口蒸汽过热度随负荷的变化

图8 给水温度随负荷变化图

Tab.6 Comparison of specific fuel consumption between reference system and the system in scheme 5 at different loads

负荷/%参考机组单耗/(g·kW-1·h-1)方案5单耗/(g·kW-1·h-1)差值/(g·kW-1·h-1)100266.826265.7041.12275275.235274.2321.00350285.248284.3430.90540295.212294.3350.877

5 结 论

(1) 对1 000 MW超超临界二次再热机组增设外置式蒸汽冷却器，可以明显改善机组热经济性.当采用单级时，布置于第2级的效果最佳，可使机组单耗降低0.632 g/(kW·h)；当采用双级时，布置于第2、第4级的串联方式效果最佳，可使机组单耗降低1.122 g/(kW·h).

(2) 外置式蒸汽冷却器对机组热经济性的改善，主要体现在降低锅炉的附加单耗，而对减少回热加热器本身的附加单耗贡献较小.

(3) 随着负荷的降低，外置式蒸汽冷却器依然具有良好的节能作用，但是降耗效果略有减弱.

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Arrangement of Outer Steam Coolers for a 1 000 MW Double Reheat Ultra-supercritical Unit

FU Wenfeng, SHI Yu, LI Jiahua, YANG Yongping

(MOE's Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

Taking the 1 000 MW double reheat ultra-supercritical unit as an example, based on analysis of the specific fuel consumption, the effects of following arrangement modes of outer steam coolers on the energy consumption of unit were studied, such as the single series connection, double series connection and double parallel connection, etc., and subsequently the optimum arrangement mode of outer steam coolers was obtained, in which case the variation law of specific fuel consumption was analyzed for each part of the thermal system and for the whole unit. Results show that by adopting the outer steam coolers, the feedwater temperature is raised, the irreversible loss of boiler is reduced, thus lowering the specific energy consumption of unit. In the single connection mode, the specific fuel consumption can be reduced by 0.632 g/(kW·h) at most when the outer steam cooler is arranged at No.2 high-pressure heater; whereas in the double connection mode, the specific fuel consumption can be reduced by 1.122 g/(kW·h) at most when the coolers are arranged in series at No.2 and No.4 high-pressure heater. With the reduction of unit load, the energy-saving effect will have slight decrease if double outer steam coolers are arranged in series connection.

double reheat; outer steam cooler; arrangement mode; analysis of specific fuel consumption

2016-08-26

2016-09-22

国家自然科学基金资助项目(51606066)

付文锋(1982-)，男，河北唐山人，讲师，博士研究生，主要从事节能原理与技术方面的研究.电话(Tel．)：13673222032； E-mail： fwf_1982@163.com．

1674-7607(2017)06-0489-06

TK284.1

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470.20