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        超臨界350 MW機組采用背壓式給水泵小汽輪機 工業(yè)供熱研究

        2018-10-26 02:21:18金益波楊紅霞蔡小燕
        動力工程學報 2018年10期
        關鍵詞:汽輪機

        余 炎, 金益波, 楊紅霞, 蔡小燕

        (1.上海電氣電站設備有限公司 上海汽輪機廠;2.上海汽輪機廠有限公司,上海 200240)

        隨著我國能源政策的不斷調整,國內煤電機組逐漸向高參數、大容量過渡,以降低發(fā)電行業(yè)的總體能耗。但30萬等級機組由于運行靈活、熱電比高和建設快等優(yōu)點,仍具有一定的發(fā)展前景。為降低供電煤耗,目前均采用超臨界進汽參數,常規(guī)容量為350 MW。根據2015—2016年中國電力行業(yè)公開招標的項目分析,超臨界350 MW機組主要市場需求為中小城市采暖供熱、高耗電企業(yè)的自備電廠、部分化工行業(yè)的工業(yè)抽汽用戶。

        我國首臺自主設計的超臨界350 MW機組于2008年12月投運,目前在役的超臨界350 MW機組已超過100多臺,包括空冷/濕冷、純凝/單抽/雙抽等各種機型。經過近10年的發(fā)展,對超臨界350 MW機組設計制造和運行維護等方面都積累了大量的經驗,如何進一步提高機組的經濟性、安全性和靈活性是汽輪機制造廠的研究方向。針對供汽壓力在1.2~1.5 MPa(本文的壓力值均為絕對壓力)范圍的工業(yè)抽汽機組,提出背壓式給水泵小汽輪機供熱方案,利用小汽輪機排汽對外供熱,以提高機組整體熱利用率和循環(huán)效率。

        1 超臨界350 MW汽輪機的供熱設計現狀

        對于純凝及采暖供熱的單抽機組,三大主機廠的汽輪機結構形式大致相同,均采用高中壓合缸,低壓缸雙分流的兩缸兩排汽配置,與亞臨界300 MW機組相同,結構緊湊、成熟可靠。對于采暖抽汽的單抽機組,可在中低壓聯通管處設置調閥,在中壓排汽缸進行調整抽汽,滿足0.4~1.0 MPa供汽壓力需求,最大抽汽質量流量可達550~580 t/h。圖1為典型超臨界350 MW汽輪機高中壓缸的縱剖面圖。

        對于抽汽壓力為1.2~1.5 MPa、抽汽質量流量大于100 t/h的工業(yè)抽汽,需要在中壓缸設置專門的壓力調整裝置。參照以往高壓50 MW和100 MW機組的設計經驗,可采用旋轉隔板來實現壓力調節(jié)。為了布置旋轉隔板,中壓部分需要在軸向額外增加0.5~1.0 m,高中壓轉子總長增加,軸系設計很難滿足要求,因此該類機組大多采用高中壓分缸的設計,機型配置為三缸兩排汽。圖2為典型超臨界350 MW工業(yè)單抽/雙抽汽輪機高中壓缸的縱剖面圖。

        圖1 典型超臨界350 MW純凝/采暖供熱汽輪機高中壓缸縱剖面圖Fig.1 Longitudinal section diagram of HP&IP cylinder in typical condensing/heat supply steam turbine of 350 MW supercritical unit

        300 MW等級機組的旋轉隔板尺寸較大,軸向力大幅增加,同時工作溫度高,純凝及額定抽汽工況的蒸汽溫度為400~420 ℃,在低負荷抽汽工況,蒸汽溫度會達到450 ℃以上,很多電廠在運行一段時間后出現旋轉隔板卡澀,需開缸修復。另外設置旋轉隔板還影響中壓缸效率,與合缸機組相比,中壓缸的實測效率降低1%~2%,純凝工況的熱耗升高20~35 kJ/(kW·h)。針對該情況,尚無有效的改進措施,目前設計時采用合缸機組在三抽進行非調整抽汽,當電負荷降低,三抽壓力不能滿足要求時,切換至高壓缸排汽或再熱聯箱抽汽,熱損失較大。

        2 背壓式給水泵小汽輪機供熱研究方案

        對于常規(guī)凝汽式小汽輪機(下文簡稱凝汽式小機),汽源一般來自主機四抽,進汽參數約為1.0 MPa/350 ℃,排汽至主機凝汽器或自帶凝汽器。

        圖3為上海汽輪機廠超臨界350 MW機組采用背壓式給水泵小汽輪機(下文簡稱背壓式小機)供熱方案的熱平衡圖。背壓式小機進汽來自主機再熱蒸汽,進汽參數為4.6 MPa/566 ℃,排汽參數為1.2 MPa/380 ℃,可滿足常規(guī)工業(yè)抽汽的參數要求。在額定工況下,小汽輪機用汽質量流量約110 t/h,由于小汽輪機用汽質量流量由給水泵負荷決定,無法調整,不足部分可從主機三抽補充;如果用汽質量流量超過用戶需求,多余部分可排至3號高壓加熱器。

        在純凝工況下,小汽輪機排汽可以引至5號低壓加熱器,其熱力系統(tǒng)見圖4。由于小汽輪機排汽壓力降低,焓降增大,汽輪機用汽質量流量減少,排汽熱量與5號低壓加熱器基本平衡,多余部分可溢流至下一級低壓加熱器。

        圖3 背壓式小機供熱方案熱平衡圖——供熱工況Fig.3 Heat balance diagram of backpressure BFPT industrial heat supply scheme — heat supply condition

        圖4 背壓式小機供熱方案熱平衡圖——純凝工況Fig.4 Heat balance diagram of backpressure BFPT industrial heat supply scheme — condensing condition

        3 經濟性比較

        針對常規(guī)三抽非調整抽汽供熱和背壓式小機排汽供熱方案,筆者對不同負荷下供熱工況和純凝工況的經濟性進行了比較,相關計算邊界說明如下:

        (1)主機閥門全開(VWO)最大進汽質量流量均按1 165 t/h計算。

        (2)兩方案在350 MW抽汽工況時高中壓缸進出口參數、內效率均相同,低壓排汽采用相同長葉片。

        (3)常規(guī)方案凝汽式小機效率取82%;背壓式小機效率較高,根據初步設計,抽汽工況效率取86%,純凝工況由于背壓降低,偏離設計點,效率取82%。

        (4)與凝汽式小機相比,背壓式小機焓降小,當主機負荷降低時,再熱壓力降低,小汽輪機進汽能力和做功能力下降幅度較大,為了匹配給水泵出力與小汽輪機出力,汽輪機部分負荷采用三閥全開滑壓運行。

        (5)兩方案的給水泵壓頭、給水泵效率均按給定相同曲線計算,曲線來自實際工程項目。

        (6)抽汽參數取工程上較常見的1.2 MPa/350 ℃/120 t/h,由于兩方案的蒸汽溫度不同,為精確比較,按對外供熱參數相同計算,對高溫蒸汽進行噴水減溫,減溫水取20 ℃。

        3.1 抽汽工況經濟性分析

        表1給出了兩方案抽汽工況的詳細數據,其中熱耗按扣除供汽熱量計算。在出力350 MW工況下,采用背壓式小機排汽供熱的汽輪機熱耗比非調整抽汽低85.6 kJ/(kW·h),在經濟性上有很大的優(yōu)勢。熱耗降低的原因有:背壓式小機內效率比凝汽式小機高4%,影響熱耗約11 kJ/(kW·h);非調整抽汽壓力較高,為2.02 MPa,與背壓式小機排汽焓相比,焓值較高,相差112.4 kJ/kg,按兩方案三抽質量流量差107.7 t/h計算,折合功率約3.3 MW,影響熱耗約78 kJ/(kW·h)。

        表1 兩方案抽汽工況主要參數Tab.1 Main parameters of two different schemes in heat supply condition

        隨著負荷降低,背壓式小機的用汽質量流量逐漸減少,而非調整抽汽方案的三抽壓力逐漸降低,兩方案的熱耗差值隨之減小。另外,非調整抽汽方案在210 MW負荷下,三抽壓力已經低于1.2 MPa,抽汽切換至主機高壓缸排汽,抽汽溫度低于350 ℃,供熱能力不足。

        3.2 純凝工況經濟性分析

        表2給出了兩方案純凝工況的熱耗數據,在315 MW以上負荷,由于小汽輪機排汽質量流量超過5號低壓加熱器需要的回熱抽汽質量流量,多余部分溢流至6號低壓加熱器,因此汽輪機熱耗比常規(guī)方案高;在315 MW以下負荷,小機排汽質量流量可全部用于5號低壓加熱器,回熱系統(tǒng)接近設計工況,且排汽用于加熱凝結水,提高了蒸汽的利用率,經濟性比常規(guī)方案高。

        表2兩方案純凝工況熱耗

        Tab.2Heatratesoftwodifferentschemesincondensingcondition

        負荷背壓式小機方案非調整抽汽方案熱耗/(kJ·kW-1·h-1)溢流量/(t·h-1)熱耗/(kJ·kW-1·h-1)熱耗差/(kJ·kW-1·h-1)VWO7 666.614.47 626.640.0350 MW7 674.113.67 647.027.1315 MW7 690.62.1 7 696.0-5.4280 MW7 750.207 774.1-23.8245 MW7 854.107 876.9-22.9210 MW7 986.708 009.3-22.7175 MW8 161.008 183.7-22.8

        4 背壓式小機方案可行性

        在20世紀60年代前后,美國很多電廠都采用背壓-抽汽式給水泵小汽輪機,當高轉速凝汽式小機獲得成熟經驗后,背壓-抽汽式給水泵小汽輪機逐漸被取代[1]。近10年來,為降低廠用電率,國內很多電廠采用了汽動引風機方案,其中部分汽輪機采用背壓式,排汽至除氧器或低壓加熱器,與本方案類似[2]。隨著多臺背壓式引風機小汽輪機的投運,電廠在系統(tǒng)設計和運行控制方面均積累了一定的經驗[3]。

        4.1 主要設備投資

        與常規(guī)非調整抽汽機組相比,本方案不需要增加額外的主設備,還可以取消小汽輪機凝汽器,簡化系統(tǒng),特別適用于空冷機組[4]。背壓式小機進汽為再熱蒸汽,在啟動和低負荷工況,汽源由旁路控制,參數穩(wěn)定,因此可取消高壓汽源;小汽輪機排汽需設置切換系統(tǒng),以滿足不同工況運行需求。

        4.2 背壓式小機設計

        與凝汽式小機相比,背壓式小機的進/排汽壓力均大幅提高,雖然蒸汽質量流量增加,但進/排汽的體積流量反而減小,進汽體積流量約為凝汽式小機的70%。因此,背壓式小機的葉片高度降低,且進出口參數變化相對較小,設計難度降低,通流效率也有較大的提升,設計工況的效率可達86%。當主機采用三閥全開(即75%進汽度)滑壓運行時,背壓式小機的進口體積流量變化不大,如圖5所示。如果把210 MW抽汽工況作為小機通流能力設計點,在該負荷以上小機均能保持較高的運行效率;當負荷低于210 MW時,小機的焓降繼續(xù)減小,同時給水泵效率明顯降低,將導致小機用汽質量流量增加,在實際運行時,可切除小機排汽供熱,降低排汽壓力,以提高小機的做功能力。

        圖5 背壓式小機主要參數變化Fig.5 Main parameters variation of backpressure BFPT

        4.3 機組運行靈活性

        本方案的背壓式小機無需提供主機的回熱抽汽,運行特性與凝汽式小機基本相同,機組啟動和停機時,小機排汽可至5號低壓加熱器或除氧器,無需增加額外的設備。目前,采用汽動引風機的電廠已經取得了豐富的運行經驗,而給水泵小汽輪機的工況點相對簡單,可以滿足電廠的靈活性要求[5]。

        另外,常規(guī)背壓機是以熱定電,發(fā)電量受到供熱量的制約,不能滿足熱電聯供要求;而現方案的背壓機可通過小汽輪機排汽溢流和主機抽汽補充,實現了與調整抽汽機組相同的熱電聯供功能。

        5 結 論

        針對超臨界350 MW等級機組,筆者提出了采用背壓式給水泵小機排汽對外供熱的方案,并與常規(guī)三抽非調整抽汽方案進行了對比。根據上海汽輪機廠合缸機型的熱力計算結果,在主機出力350 MW、工業(yè)供汽1.2 MPa/350 ℃/120 t/h工況下,本方案可以降低熱耗85.6 kJ/(kW·h),折合煤耗約3 g/(kW·h),經濟效益顯著。該方案不需要增加額外的主設備,無運行控制難點, 具備工程項目可行性,可用于新建機組和現有300 MW、600 MW機組供熱改造,為實現汽輪機工業(yè)供汽提出了新的方向。

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