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現(xiàn)如今，大量新能源發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電[1]及分布式能源發(fā)電的快速發(fā)展[2-4]，提高現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率已迫在眉睫。馬芳禮等[5]提出設(shè)置外置式冷卻器降低抽汽過熱度，利用冷卻器與高壓加熱器串聯(lián)的方式，并在300MW以下機(jī)組得到實(shí)際運(yùn)用。

劉志真等[6]利用等效熱降局部定量分析的方法，分析了在第一級(jí)抽汽設(shè)有外置式蒸汽冷卻器對(duì)于機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響。發(fā)現(xiàn)設(shè)置外置蒸汽冷卻器可大幅度提高汽輪機(jī)的絕對(duì)內(nèi)效率。王汝武等[7]在分析提高熱電廠效率的措施中，也提及外置蒸汽冷卻器對(duì)于機(jī)組效率的影響。

隨著對(duì)應(yīng)改造技術(shù)的發(fā)展，張書迎等[8]將當(dāng)時(shí)主流的冷卻器與加熱器串聯(lián)的方法發(fā)展為外置并聯(lián)式蒸汽冷卻器，即在一號(hào)高壓加熱器的出口至少設(shè)置兩級(jí)外置式蒸汽冷卻器，且為并聯(lián)連接。該方法與常規(guī)串聯(lián)外置式蒸汽冷卻器給水加熱系統(tǒng)相比，提高了設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性，減少冷卻器的加工制造成本，并可有效地降低給水的運(yùn)行阻力，從而提高機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

在如今燃煤電廠大量處于低負(fù)荷狀態(tài)的形勢(shì)下，付旭等[9]基于模型，通過預(yù)測(cè)控制對(duì)火電廠主蒸汽溫度進(jìn)行優(yōu)化，提升發(fā)電效率。各汽輪機(jī)廠商從新機(jī)組著手，提高發(fā)電經(jīng)濟(jì)性，2015年國(guó)內(nèi)首臺(tái)超超臨界二次再熱機(jī)組成功投運(yùn)[10]，及汽輪機(jī)快冷方法的研究[11]標(biāo)志著燃煤發(fā)電向更高層次發(fā)展。

本文基于某臨海大型燃煤電廠2×600MW機(jī)組，該廠配備的汽輪機(jī)機(jī)組為東方汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)日立技術(shù)生產(chǎn)制造的超臨界中間一次再熱、單軸、雙背壓、三缸四排汽、純凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組最大連續(xù)出力為634.18MW，額定出力為600MW。

汽輪機(jī)組THA工況下的第三段抽汽的壓力為2.149MPa，溫度為468.8℃，過熱度達(dá)到252.8℃；75%THA工況三段抽汽過熱度為268.6℃；50%THA工況三段抽汽過熱度為287.6℃。近年來受經(jīng)濟(jì)形勢(shì)影響，全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)和年平均負(fù)荷率較低，低負(fù)荷占據(jù)很大權(quán)重。低負(fù)荷狀態(tài)下過熱度更高，導(dǎo)致溫差換熱引起的不可逆損失增加。

為了能高效地利用三段抽汽的過熱度，需對(duì)給水回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，本文提出4種改造方案，并逐一進(jìn)行分析，希望對(duì)其他燃煤機(jī)組的改造起到借鑒作用。

1  給水回?zé)嵯到y(tǒng)技改方案及其分析

根據(jù)燃煤機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)及改造位置的差異，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)改造方案，本文提出如下4個(gè)方面的改造方案。

方案一：?jiǎn)为?dú)設(shè)置3號(hào)高加外置蒸汽冷卻器，外置蒸汽冷卻器加熱最終給水。

方案二：?jiǎn)为?dú)設(shè)置3號(hào)高加外置蒸汽冷卻器，外置蒸汽冷卻器加熱1號(hào)高加疏水。

方案三：?jiǎn)为?dú)設(shè)置全流量附加高壓加熱器。

方案四：采用同時(shí)設(shè)置3號(hào)高加外置蒸汽冷卻器和附加高壓加熱器的聯(lián)合串聯(lián)系統(tǒng)。

1.1  外置蒸汽冷卻器加熱給水

三段抽汽進(jìn)入3號(hào)高加之前，設(shè)置外置蒸汽冷卻器，利用該段抽汽的高過熱度加熱給水，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

1）布置方式

蒸汽冷卻器放置于最末級(jí)高壓加熱器之后，與最末級(jí)高加串聯(lián)，即外置蒸汽冷卻器串接在1號(hào)高加出口給水管路上，提高最終給水溫度。按照流經(jīng)蒸汽冷卻器的給水流量占總給水流量的百分比，又分為給水全容量串聯(lián)方式和部分給水流量容量串聯(lián)方式。

在實(shí)際改造過程中需考慮制造工藝、造價(jià)等一系列因素，通常采用部分容量串聯(lián)方式設(shè)置外置蒸汽冷卻器。如圖1所示。串聯(lián)方式設(shè)置外置蒸汽冷卻器，需要增加核心

圖1  部分容量外置蒸汽冷卻器串聯(lián)連接

設(shè)備蒸汽冷卻器、給水進(jìn)/出口管道、蒸汽入口/出口管道、閥門、儀表熱控系統(tǒng)等。串聯(lián)連接設(shè)置外置蒸汽冷卻器，相當(dāng)于回?zé)嵯到y(tǒng)增設(shè)一級(jí)加熱器，水側(cè)阻力相應(yīng)增加（＜0.05MPa），給水泵耗功增大，汽動(dòng)給水泵的進(jìn)汽流量增大，機(jī)組熱耗率增大，一定程度上可抵消設(shè)置外置蒸汽冷卻器的效果。

部分容量外置蒸汽冷卻器串聯(lián)連接方式下，給水系統(tǒng)的一部分流量流經(jīng)外置蒸汽冷卻器，另一部分流量由旁路通過，在蒸汽冷卻器出口匯合后進(jìn)入鍋爐省煤器。此旁路上需加裝節(jié)流孔板以保證流經(jīng)外置蒸汽冷卻器的給水量。

2）熱力過程變化

外置蒸汽冷卻器串接在1號(hào)高加出口給水管路，將提高最終給水溫度。串聯(lián)連接改造后，回?zé)嵯到y(tǒng)狀態(tài)：① 3號(hào)高加進(jìn)汽的過熱度大幅減少。3號(hào)高加上端差增大，三段抽汽管道阻力增大，3號(hào)高加進(jìn)汽壓力相對(duì)降低，導(dǎo)致改造后的3號(hào)高加出口給水溫度降低；② 3號(hào)高加出水溫度降低，導(dǎo)致2號(hào)高加的輸出功率增加，二段抽汽流量也相應(yīng)增加；③三段抽汽原有的過熱度直接加熱最終給水，最終給水溫度提高。

1.2  外置蒸汽冷卻器加熱疏水的方式

在三段抽汽進(jìn)入3號(hào)高加前，設(shè)置外置蒸汽冷卻器，利用該段抽汽的高過熱度加熱1號(hào)高加疏水，疏水在蒸汽冷卻器吸熱汽化后回流至最末級(jí)高加。

1）布置方式

三段抽汽先進(jìn)入外置蒸汽冷卻器，加熱最末級(jí)給水加熱器的部分疏水，疏水吸熱汽化，令該蒸汽具有一定的過熱度，回流至1號(hào)高加進(jìn)汽管道加熱給水。對(duì)于單臺(tái)機(jī)組而言，在1號(hào)高加危急疏水管路處設(shè)置旁路，將疏水引至設(shè)置的外置蒸汽冷卻器中加熱，吸熱汽化匯入1號(hào)高加進(jìn)汽管道至1號(hào)高加中繼續(xù)加熱給水，放熱后沿著正常疏水管道自流至2號(hào)高加，如圖2所示。

圖2  外置蒸汽冷卻器加熱疏水的連接方式

加熱疏水型的外置蒸汽冷卻器，需要增加核心設(shè)備蒸汽冷卻器、1號(hào)高加疏水進(jìn)/出口管道、蒸汽入口/出口管道、閥門、儀表熱控系統(tǒng)等。

其特點(diǎn)在于：①從1號(hào)高加危急疏水管路引部分疏水至蒸汽冷卻器，被流經(jīng)換熱管外的高過熱度的三段抽汽加熱，疏水吸熱汽化后匯入1號(hào)高加進(jìn)汽管道進(jìn)入1號(hào)高加加熱給水；②加熱疏水的蒸汽冷卻器內(nèi)管側(cè)壓力較加熱給水的要低很多，因此加熱器本體、水側(cè)管路等成本相對(duì)較低；③該方案對(duì)蒸汽冷卻器的布置有明確限制，必須低位布置以提高疏水側(cè)壓力，可布置在0m；④該方案無需設(shè)置危急疏水管路。

2）熱力過程變化

較原的回?zé)嵯到y(tǒng)熱力過程，采用該連接方式改造后，其狀態(tài)發(fā)生改變：①3號(hào)高加進(jìn)汽的過熱度大幅減少，上端差增大，三段抽汽管道阻力增大，3號(hào)高加進(jìn)汽壓力相對(duì)降低。改造后的3號(hào)高加出口給水溫度降低；②3號(hào)高加出水溫度降低，導(dǎo)致2號(hào)高加輸出功率增加，二段抽汽流量也相應(yīng)增加；③三段抽汽原有的75%過熱度直接加熱進(jìn)入1號(hào)高加的給水，導(dǎo)致相應(yīng)的一段抽汽流量降低。較原回?zé)嵯到y(tǒng)最終給水溫度略有提高。

1.3  附加高壓加熱器改造方案

附加高壓加熱器回?zé)嵯到y(tǒng)改造本質(zhì)是通過增加一級(jí)高壓加熱器，擴(kuò)大給水回?zé)岢潭燃疤岣咂啓C(jī)裝置的效率，從而降低汽輪機(jī)熱耗。

給水回?zé)嵯到y(tǒng)使汽輪機(jī)裝置的效率顯著的提高，包括兩方面的因素：①給水回?zé)釡p少了汽輪機(jī)的排汽量，冷源損失減少。給水溫度的提高，降低單位工質(zhì)在鍋爐中的吸熱量，從而提高了循環(huán)熱效率；②給水回?zé)岣纳破啓C(jī)高壓級(jí)和低壓級(jí)葉片的工作條件。有利于減少高壓調(diào)門節(jié)流損失及通流部分的各種損失，如葉高損失、漏汽損失等。

1）布置方式

附加高壓加熱器系統(tǒng)疏水逐級(jí)自流至2號(hào)高壓加熱器，同時(shí)在抽汽管道上安裝一道抽汽調(diào)節(jié)閥，以防止附加高壓加熱器出口給水溫度過高。附加高壓加熱器的連接方式如圖3所示。

圖3  附屬加熱器與改造前原系統(tǒng)的連接方式

在1號(hào)高加出口的給水管路上設(shè)置附加高壓加熱器，需要增加核心設(shè)備高壓加熱器、給水進(jìn)/出口管道、蒸汽入口、疏水出口管道、危急疏水管道、閥門、儀表熱控系統(tǒng)等。

附加高壓加熱器主要區(qū)別在于蒸汽壓力不同。采用串聯(lián)連接方式設(shè)置附加高壓加熱器，相當(dāng)于回?zé)嵯到y(tǒng)增設(shè)一級(jí)加熱器，水側(cè)阻力相應(yīng)增加（＜0.05MPa），給水泵耗功增大，汽動(dòng)給水泵的進(jìn)汽流量增大，機(jī)組熱耗率增大，一定程度上抵消了設(shè)置附加高壓加熱器的效果。

2）熱力過程變化

相對(duì)于改造前的回?zé)嵯到y(tǒng)熱力過程，改造后的熱力過程變化主要表現(xiàn)為：①相同負(fù)荷下，最終給水溫度提高，進(jìn)入汽輪機(jī)的主蒸汽流量上升；②附加高壓加熱器的疏水進(jìn)入2號(hào)高加加熱給水，相當(dāng)于一股熱源進(jìn)入原2號(hào)高加，排擠二段抽汽，二段抽汽流量下降；③2號(hào)高加輸水由二段抽汽和附加高壓加熱器兩部分輸水組成，二段抽汽流量下降，但附加高壓加熱器的疏水的加入，使得2號(hào)高加正常疏水流量增大，三段抽汽流量略微下降。

1.4  蒸汽冷卻器和附加高壓加熱器聯(lián)合串聯(lián)

1）布置方式

同時(shí)設(shè)置串聯(lián)方式外置蒸汽冷卻器和附加高壓加熱器，附加高壓加熱器布置在1號(hào)高加出口，通過100%給水流量；蒸汽冷卻器布置在附加高壓加熱器出口，通過20%～40%的給水流量，如圖4所示。

聯(lián)合串聯(lián)需要增加核心設(shè)備蒸汽冷卻器以及高壓加熱器、給水進(jìn)/出口管道、蒸汽入口/出口管道、蒸汽入口/疏水出口管道、相應(yīng)的閥門以及儀表熱控系統(tǒng)等。簡(jiǎn)單來講，就是單獨(dú)設(shè)置外置蒸汽冷卻器和單獨(dú)設(shè)置附加高壓加熱器的優(yōu)化疊加。

圖4  蒸汽冷卻器與附加高壓加熱器聯(lián)合方案

2）熱力過程變化

滿負(fù)荷工況附加高壓加熱器停運(yùn)，蒸汽冷卻器單獨(dú)運(yùn)行；部分負(fù)荷工況兩者串聯(lián)運(yùn)行。較原回?zé)嵯到y(tǒng)熱力過程，聯(lián)合串聯(lián)連接改造后的改變主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

①滿負(fù)荷工況下最終給水溫度提升較小，部分負(fù)荷工況下最終給水升溫幅度較大；②相同負(fù)荷下，最終給水溫度提高，進(jìn)入汽輪機(jī)的主蒸汽流量增大；③3號(hào)高加的進(jìn)汽過熱度大幅減少，上端差增大，三段抽汽管道阻力增大，導(dǎo)致3號(hào)高加的進(jìn)汽壓力相對(duì)降低。改造后的3號(hào)高加出口給水溫度降低；④3號(hào)高加出水溫度降低，導(dǎo)致2號(hào)高加出力增加，二段抽汽流量也相應(yīng)增加。且附加高壓加熱器的疏水進(jìn)入2號(hào)高加加熱給水，等同于一股熱源進(jìn)入原2號(hào)高加，排擠二段抽汽，二段抽汽流量下降。兩者綜合作用使得二段抽汽流量基本不變。

2  經(jīng)濟(jì)性分析

以該廠機(jī)組汽輪機(jī)THA、75%THA和50%THA 3種工況參數(shù)為基準(zhǔn)，按照經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法[12]，分別對(duì)4種技改方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

2.1  方案一

設(shè)置外置蒸汽冷卻器加熱1號(hào)高加出口給水，較小三段抽汽過熱度，提高省煤器給水溫度。表1給出THA、75%THA和50%THA工況下采用設(shè)置附加高壓加熱器后，對(duì)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響。

由表1可以發(fā)現(xiàn)，在3種工況下設(shè)置外置蒸汽冷卻器發(fā)電煤耗分別下降約0.23g/kW·h、0.33g/kW·h和0.34g/kW·h，平均發(fā)電煤耗降低0.3g/kW·h。鍋爐效率雖有所降低，但汽輪機(jī)熱率大幅度減小，總體發(fā)電效率及經(jīng)濟(jì)性依然上升。

2.2  方案二

設(shè)置外置蒸汽冷卻器加熱1號(hào)高加部分疏水，分流疏水比例按照疏水吸熱汽化后出蒸汽冷卻器的過熱度70℃～80℃進(jìn)行調(diào)整分配。

表1  外置蒸汽冷卻器加熱給水的經(jīng)濟(jì)性影響

該方案對(duì)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響結(jié)果見表2。

表2  外置蒸汽冷卻器加熱1號(hào)高加疏水經(jīng)濟(jì)性影響

采用設(shè)置外置蒸汽冷卻器的技改方案，在THA、75%THA和50%THA工況下，發(fā)電煤耗分別下降約0.13g/kW·h、0.17g/kW·h和0.17g/kW·h，平均發(fā)電煤耗降低0.16g/kW·h。由表2可以發(fā)現(xiàn)，該方案可使二段抽汽量大幅度減少，三段抽汽流量有所增大。該方案的鍋爐效率較加熱給水高約2%。但對(duì)汽輪機(jī)熱耗率的影響較小。

2.3  方案三

汽輪機(jī)高壓缸抽汽至附加高壓加熱器的抽汽口擬暫按照第四級(jí)后，最終抽汽口參數(shù)需在投標(biāo)階段由設(shè)備廠家根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。汽輪機(jī)高壓缸抽汽至附加高壓加熱器的抽汽口均為第四級(jí)后。

串聯(lián)設(shè)置附加高壓加熱器，加熱1號(hào)高加出水，各個(gè)工況下改造后最終給水溫度上限為291.3℃。當(dāng)負(fù)荷較高時(shí)，節(jié)流附加高壓加熱器的進(jìn)汽，隨著負(fù)荷的降低逐步減小節(jié)流，保持給水溫度不變。在進(jìn)汽完全不節(jié)流后，隨著負(fù)荷的降低轉(zhuǎn)為滑壓運(yùn)行方式。

THA、75%THA和50%THA工況下采用設(shè)置附加高壓加熱器后，對(duì)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響見表3。

表3  設(shè)置附加高壓加熱器的經(jīng)濟(jì)性影響

由表3可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)置附加高壓加熱器，在THA、75%THA和50%THA三種工況下，發(fā)電煤耗分別下降約0.13g/kW·h、0.72g/kW·h和0.58g/kW·h，平均發(fā)電煤耗降低0.47g/kW·h?？梢詼p少二、三段抽汽流量。且可減低2號(hào)高加給水溫度，降低其過熱度。

2.4  方案四

采用外置蒸汽冷卻器和附加高壓加熱器聯(lián)合串聯(lián)系統(tǒng)，1號(hào)高加出口給水全流量先進(jìn)附加高壓加熱器，后部分容量進(jìn)入外置蒸汽冷卻器，與其余附加高壓加熱器出口給水混合后進(jìn)入鍋爐省煤器。

表4給出在3種工況下，外置蒸汽冷卻器和附加高加聯(lián)合串聯(lián)系統(tǒng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性能的影響。其中THA是節(jié)流后的工況，75%THA和50%THA無節(jié)流影響。

設(shè)置外置蒸汽冷卻器和附加高壓加熱器聯(lián)合串聯(lián)系統(tǒng)，在THA、75%THA和50%THA的工況下，發(fā)電煤耗分別下降約0.30g/kW·h、0.97g/kW·h和0.86g/kW·h，平均發(fā)電煤耗降低0.71g/kW·h。且通過表4可以看出，此方案在所有技改方案中，最終給水溫度最高，因此對(duì)機(jī)組整體的效率影響最大。

表4  外置蒸汽冷卻器和附加高壓加熱器聯(lián)合串聯(lián)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性影響