徐曙

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵和引風(fēng)機(jī)的熱經(jīng)濟(jì)性分析

徐曙

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

Heat econom y analysis of feed pum p and induced draught fan driven by small turbine

比較火電廠分別采用小汽輪機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵及引風(fēng)機(jī)的熱經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)對(duì)電泵、變頻引風(fēng)機(jī)的效率進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算其內(nèi)效率，得出采用小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)可以達(dá)到節(jié)能的結(jié)論。

小汽輪機(jī)；給水泵；引風(fēng)機(jī)；經(jīng)濟(jì)性；節(jié)能

給水泵、引風(fēng)機(jī)是火電廠的耗電大戶,如何降低給水泵和引風(fēng)機(jī)的耗電量成為許多電廠節(jié)能降耗的首選。

在設(shè)計(jì)上,大多數(shù)300MW及以上機(jī)組的給水泵均采用小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)降低了機(jī)組的廠用電率,但汽輪機(jī)的熱耗率有所增加。一般認(rèn)為300MW及以上機(jī)組采用汽動(dòng)比電動(dòng)給水泵經(jīng)濟(jì),300 MW以下機(jī)組采用電動(dòng)給水泵比較經(jīng)濟(jì)。

基于引風(fēng)機(jī)等其它輔機(jī)是否同樣可以采用小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。文中在主蒸汽流量不變的情況下對(duì)采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)和采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)2種方式進(jìn)行比較分析,探討其經(jīng)濟(jì)性。

與采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式相比,采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)方式主機(jī)的部分級(jí)段蒸汽流量將有所下降,根據(jù)弗留格爾公式,主機(jī)各段抽汽參數(shù)應(yīng)略有變化,但幅度不大。為便于分析,假定2種方式下各段抽汽參數(shù)均不變。根據(jù)各加熱器的能量和流量平衡,在主蒸汽流量和各段抽汽參數(shù)不變的情況下,給水、凝結(jié)水和所有加熱器的進(jìn)汽流量均應(yīng)不變。

1 小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵經(jīng)濟(jì)性分析

采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵一般都是以四段抽汽(中壓缸排汽)作為小機(jī)的汽源。蒸汽從中壓缸末級(jí)流出后,采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行方式。

蒸汽從中壓缸末級(jí)流出后,至低壓缸只有一截較短的連通管,壓損較小,設(shè)計(jì)一般為2%；小機(jī)抽汽管道相對(duì)較長(zhǎng),且存在逆止門,設(shè)計(jì)壓損一般為5%,因此,低壓缸比小機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)略高。同時(shí),從低壓缸流出的蒸汽壓力為凝汽器壓力,而小機(jī)排汽必然存在1～2 kPa的壓損。

若采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵,原流過(guò)小機(jī)的蒸汽將返回低壓缸作功。根據(jù)假定低壓缸各段抽汽流量不變,原小機(jī)抽汽的全部蒸汽將從低壓缸進(jìn)口流至低壓缸排汽口。2種方式小機(jī)抽汽的作功分別為:

式中 WLP和WST為小機(jī)抽汽分別在低壓缸和小機(jī)內(nèi)的作功,G為小機(jī)抽汽流量,ΔHLP和ΔHST分別為低壓缸和小機(jī)的等熵焓降,ηLP、ηST分別為低壓缸和小機(jī)的內(nèi)效率。由于流過(guò)低壓缸的進(jìn)汽參數(shù)高,排汽參數(shù)低,因此ΔHLP＞ΔHST；由于低壓缸葉片長(zhǎng),加工難度較低,而小機(jī)葉片短,加工難度較大,因此低壓缸比小機(jī)內(nèi)效率高。一般300MW機(jī)組低壓缸內(nèi)效率設(shè)計(jì)在88%左右,而小機(jī)內(nèi)效率設(shè)計(jì)在82%左右,即ηLP＞ηST,因此WLP＞W(wǎng)ST,即小機(jī)抽汽返回低壓缸大于蒸汽在小機(jī)內(nèi)所作的功。

但是,除非直接用主機(jī)大軸驅(qū)動(dòng)給水泵,否則流過(guò)低壓缸蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能后,必然經(jīng)過(guò)動(dòng)能向電能的轉(zhuǎn)換 (發(fā)電機(jī)),然后由電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能 (給水泵電機(jī)),再經(jīng)過(guò)液力耦合器 (或變頻器)變速,才能驅(qū)動(dòng)給水泵,因此,僅比較WLP和WST不能評(píng)價(jià)2種運(yùn)行方式的優(yōu)劣,還應(yīng)綜合考慮發(fā)電機(jī)效率ηG,給水泵電機(jī)效率ηP、液力耦合器(或變頻器)效率ηT才能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

在相同工況下,2種方式給水泵的流量、揚(yáng)程相同,因此,泵的有效功率和效率是相同的。采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)需要的蒸汽流量可通過(guò)如下公式計(jì)算:

式中 W為給水泵有效功率,ηP為給水泵效率。

如果取消小機(jī),抽汽將返回低壓缸內(nèi)繼續(xù)作功,機(jī)組的發(fā)電量將增加:

取消小機(jī)后必須增加電動(dòng)給水泵,消耗的電量可通過(guò)如下公式計(jì)算:

如果ηST＞ΔHLPηLPηGηMηT/ΔHST,則P1＜P2,小機(jī)抽汽返回機(jī)組作的功不足以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)給水泵,需要另外提供電量,因此,采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵機(jī)組輸出的凈功率較大,經(jīng)濟(jì)性較好；反之則說(shuō)明小機(jī)抽汽返回機(jī)組作的功不僅能滿足電動(dòng)給水泵所需,還有部分電量輸出,采用電動(dòng)給水泵較經(jīng)濟(jì)。

一般而言,發(fā)電機(jī)和給水泵電機(jī)效率均比較穩(wěn)定,隨負(fù)荷變化較小。300 MW機(jī)組的設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)效率約在 98.9%,給水泵電機(jī)設(shè)計(jì)效率約在95.5%,液力耦合器和變頻器在高負(fù)荷下的效率約在95%,在不考慮等熵焓降時(shí),300MW負(fù)荷下按低壓缸效率88%計(jì)算,小機(jī)內(nèi)效率高于79%即可節(jié)能；如果考慮等熵焓降,需視汽源設(shè)計(jì)參數(shù)、抽汽壓損、排汽壓損和凝汽器壓力等情況進(jìn)行計(jì)算,估計(jì)小機(jī)內(nèi)效率高于80%也可節(jié)能,因此300MW機(jī)組采用小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵經(jīng)濟(jì)性較好。

以上分析是在額定主蒸汽流量的情況下進(jìn)行的。在低負(fù)荷下,小機(jī)內(nèi)效率受進(jìn)汽調(diào)門開度、排汽容積和流量、進(jìn)汽參數(shù)的綜合影響,會(huì)緩慢下降,降低小機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。但是采用液力耦合器的電動(dòng)給水泵存在耦合器滑差率的問(wèn)題,低負(fù)荷下液力耦合器效率下降很快,因此與采用液力耦合器的電動(dòng)給水泵相比,一般300MW及以上機(jī)組采用小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵是節(jié)能的。300MW以下機(jī)組采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵,由于小機(jī)進(jìn)汽流量低,葉片較短,制造和加工的難度大,容易造成小機(jī)內(nèi)效率偏低。

和采用變頻器的電動(dòng)給水泵相比,由于變頻器的效率隨負(fù)荷變化小,因此雖然在高負(fù)荷下采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵較經(jīng)濟(jì),但在低負(fù)荷下由于小機(jī)內(nèi)效率下降,采用變頻器的電動(dòng)給水泵有可能經(jīng)濟(jì)性更好。

2 小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性分析

大多數(shù)引風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)定速運(yùn)行,通過(guò)改變靜葉開度調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便,系統(tǒng)可靠性高,缺點(diǎn)是耗電量高,經(jīng)濟(jì)性較差。目前,對(duì)引風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造基本是2種方式,一種是電機(jī)變頻改造,另一種是采用小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。對(duì)于定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的引風(fēng)機(jī),其經(jīng)濟(jì)性差是一個(gè)共識(shí),因此不再進(jìn)行討論,以下分析變頻引風(fēng)機(jī)和小機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)的小機(jī)一般有2種:一種是采用背壓式汽輪機(jī),乏汽回收至除氧器和加熱器,或者用于供熱；另一種是采用凝汽式汽輪機(jī),在爐側(cè)增設(shè)小機(jī)凝汽器,乏汽冷凝后泵至主機(jī)凝汽器。因?yàn)闋t側(cè)和主機(jī)凝汽器距離遠(yuǎn),管損大,凝汽式汽輪機(jī)的乏汽一般不直接引回主機(jī)凝汽器,否則小汽輪機(jī)排汽壓力過(guò)高,將降低小機(jī)經(jīng)濟(jì)性。

乏汽用于供熱的背壓式小汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性最好。蒸汽可直接取自爐側(cè)熱再或冷再,抽汽的管道損失較小,乏汽排入熱網(wǎng),背壓相對(duì)穩(wěn)定,降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度,且熱量得到充分利用。但此方式必須有供熱需求,對(duì)于某些不需要供熱的機(jī)組不適用。

乏汽回收至除氧器或加熱器的背壓式小汽輪機(jī)對(duì)熱力系統(tǒng)的影響很大,而且乏汽的壓力、流量必須在所有工況下都和回收裝置匹配,系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求極高。這一方式對(duì)整個(gè)機(jī)組的熱平衡改變大,隨著鍋爐煤質(zhì)和燃燒調(diào)整的變化,引風(fēng)機(jī)的功耗不同,汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)的運(yùn)行情況也不一樣。雖然可以在管道上加裝調(diào)節(jié)閥,或者排汽至下一級(jí)加熱器,但由于熵增大,其經(jīng)濟(jì)性變差,因此一般不推薦采用這一方式。

對(duì)于凝汽式小汽輪機(jī),必須另設(shè)凝汽器、循環(huán)水、抽真空系統(tǒng)、凝結(jié)水回收系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、控制油系統(tǒng)等輔助設(shè)備,并且由于小機(jī)轉(zhuǎn)速高而引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低,需要在小機(jī)和引風(fēng)機(jī)之間加裝變速器。由于小機(jī)只能被安排在爐側(cè),如果仍然采用四段抽汽作為小機(jī)汽源,抽汽壓損無(wú)疑將大大增加,小機(jī)的等熵焓降下降較嚴(yán)重；如果采用冷再或熱再作為小機(jī)汽源,不僅將嚴(yán)重降低蒸汽的作功能力,同時(shí)由于小機(jī)進(jìn)汽壓力較高,加工難度大,其內(nèi)效率也難以提高。

不管是采用凝汽式汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)還是采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng),在主蒸汽流量相同的情況下,引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況可視為相同,即引風(fēng)機(jī)的有效功率和引風(fēng)機(jī)效率相同。如果采用四段抽汽作為小機(jī)汽源,則與驅(qū)動(dòng)給水泵的小機(jī)情況類似,采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)和采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)2種方式高、中壓缸運(yùn)行情況相同,小機(jī)抽汽流量可通過(guò)如下公式計(jì)算:

式中 W為引風(fēng)機(jī)有效功率,ηF為引風(fēng)機(jī)效率, ηR為變速器效率。

如果取消小機(jī),抽汽將返回低壓缸繼續(xù)作功,機(jī)組的發(fā)電量將增加:

取消小機(jī)后加裝變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī),耗電量可用如下公式計(jì)算:

式中 ηM為風(fēng)機(jī)電機(jī)效率,ηT為變頻器效率。

如果 ηST＞ ΔHLPηLPηGηMηT/ΔHST/ηR, 則 P3＜P4,小機(jī)抽汽返回機(jī)組作的功不足以驅(qū)動(dòng)變頻引風(fēng)機(jī),采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性較好；反之則說(shuō)明采用變頻引風(fēng)機(jī)較經(jīng)濟(jì)。

由于小機(jī)的等熵焓降下降,加之變速器效率的影響,因此用小機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)比驅(qū)動(dòng)給水泵的經(jīng)濟(jì)性差。在低負(fù)荷下,小機(jī)調(diào)門的節(jié)流損失會(huì)降低小機(jī)內(nèi)效率,采用變頻引風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性會(huì)更明顯。

如果采用熱再作為小機(jī)汽源,則高壓缸運(yùn)行情況不變,中、低壓缸作功減少,式 (7)變?yōu)?

式中 ΔHMP為中壓缸等熵焓降,ηMP為中壓缸內(nèi)效率。

對(duì)比 P3, P4, ηST＞ (ΔHLPηLP＋ΔHMPηMP) ηGηMηT/ΔHST/ηR時(shí)采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)較經(jīng)濟(jì),反之則采用變頻引風(fēng)機(jī)較經(jīng)濟(jì)。

采用熱再作為小機(jī)汽源由于進(jìn)汽參數(shù)高,抽汽壓損低,小機(jī)的等熵焓降大大增加,但主機(jī)損失的作功同樣增加。而且小機(jī)葉片短,加工難度大,設(shè)計(jì)和制造的時(shí)候應(yīng)加以關(guān)注。

如果采用冷再作為小機(jī)汽源,由于再熱器吸熱量發(fā)生改變,因此不僅需要對(duì)比電量,還需要對(duì)比吸熱量,計(jì)算相對(duì)復(fù)雜。并且冷再壓力高、溫度低,濕蒸汽區(qū)提前,小機(jī)制造的難度相應(yīng)增加。

考慮到采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)的投資大,回收周期長(zhǎng),且設(shè)備維護(hù)難度大,應(yīng)根據(jù)電廠、小機(jī)設(shè)計(jì)內(nèi)效率和汽源等情況綜合考慮。但采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)對(duì)電廠另有一項(xiàng)收益:由于廠用電量減少,在發(fā)電量不變的情況下機(jī)組的供電量會(huì)增加。

3 總結(jié)

盡管蒸汽在低壓缸內(nèi)作功高于在小機(jī),但由于采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多,損失大,隨著小機(jī)制造水平的提高,目前300MW及以上機(jī)組采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵較經(jīng)濟(jì)。

采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性不如用小機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵的經(jīng)濟(jì)性。如果機(jī)組有供熱,采用乏汽用于供熱的小汽輪機(jī)比較經(jīng)濟(jì)。如果采用凝汽式小汽輪機(jī),必須綜合考慮小機(jī)汽源、主機(jī)運(yùn)行情況、小機(jī)內(nèi)效率、投資成本、設(shè)備維護(hù)甚至市場(chǎng)等具體細(xì)節(jié),對(duì)比電量和熱量的變化,來(lái)決定是采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)還是變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

〔1〕林萬(wàn)超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論 〔M〕.西安交通大學(xué)出版社,1994.

〔2〕高曉建.鍋爐引風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)在1 000MW等級(jí)火力發(fā)電廠的應(yīng)用 〔J〕.工業(yè)汽輪機(jī),2010(3):5-10.

〔3〕汪孟東.火電廠熱力系統(tǒng)分析 〔M〕.北京:水利電力出版社,1990.

〔4〕沈士一.汽輪機(jī)原理 〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社,1998: 130-143.

〔5〕鄭體寬.熱力發(fā)電廠 〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社,2001: 24-33.

TK264.9

B

1008-0198(2014)01-0051-03

徐曙(1973),男,湖南省湘陰縣人,大學(xué)本科,汽輪機(jī)專業(yè)節(jié)能高級(jí)工程師。

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.01.016

2013-06-26 改回日期:2013-11-13