中國電能成套設(shè)備有限公司 孫澤洋

1 引言

隨著國家綠色能源產(chǎn)業(yè)政策的不斷深入，為了實(shí)現(xiàn)不斷增加的新能源消納，以及杜絕棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，要求大容量機(jī)組必須參與深度調(diào)峰。但是，火電機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行條件下，熱經(jīng)濟(jì)性（發(fā)、供電效率）和安全性明顯下降[1]，因此提高這些火電機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行條件下的熱經(jīng)濟(jì)性和安全性是擺在我們電力工作者面前的亟需解決的首要任務(wù)。本文將蒸汽噴射器應(yīng)用于火電機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的節(jié)能改造中，利用機(jī)組主輔設(shè)備在低負(fù)荷條件下的熱力學(xué)裕量，用以提高機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行條件下的鍋爐給水溫度，從而提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。

2 火電機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的影響及節(jié)能改造可行性分析

火電機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性隨負(fù)荷的降低而降低是動(dòng)力設(shè)備所固有的熱力學(xué)特性，隨著火電機(jī)組負(fù)荷的降低，汽輪機(jī)—發(fā)電機(jī)組熱效率呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。圖1給出某電廠1000MW汽輪機(jī)—發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)熱效率隨負(fù)荷變化的趨勢圖（圖1）?？梢钥闯?，同一機(jī)組的汽輪機(jī)—發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)熱效率隨負(fù)荷變化趨勢有明顯的規(guī)律性，隨著負(fù)荷的減小熱效率也在減小，且從THA（汽輪機(jī)熱耗保證工況，turbine heat acceptance）負(fù)荷向75%負(fù)荷減小過程中，熱效率減小速率較小，而從75%負(fù)荷開始，熱效率出線大幅下降的情況。

圖1 某1000MW 電廠汽輪機(jī)-發(fā)電機(jī)組熱效率隨負(fù)荷變化圖

同樣，隨著火電機(jī)組負(fù)荷的降低，汽輪機(jī)熱耗率呈現(xiàn)明顯升高趨勢[2]。圖2給出某電廠1000MW汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)熱耗率隨負(fù)荷變化的趨勢圖。可以看出，同一機(jī)組的設(shè)計(jì)熱耗率隨負(fù)荷變化趨勢也具有明顯的規(guī)律性，隨著負(fù)荷的減小熱耗率增大。

圖2 某1000MW 電廠汽輪機(jī)機(jī)組熱耗率隨負(fù)荷變化圖

由此可見，火電機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，對汽輪機(jī)-發(fā)電機(jī)組熱效率以及汽輪機(jī)熱耗率的影響是巨大的，如何降低熱耗、提高熱效率成為提高火電機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的重要因素。由于主輔設(shè)備通流能力隨負(fù)荷的降低會(huì)出現(xiàn)“裕量”，為維持低負(fù)荷下機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定，節(jié)流調(diào)節(jié)是最簡單易行的措施，因此，泵與風(fēng)機(jī)的各種調(diào)速技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[3]。然而節(jié)流損耗進(jìn)一步降低了機(jī)組發(fā)、供電效率，解決系統(tǒng)節(jié)流損耗成為節(jié)能改造的首要任務(wù)。本文將蒸汽噴射器應(yīng)用于火電機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的節(jié)能改造中，利用主輔設(shè)備低負(fù)荷運(yùn)行條件下的熱力學(xué)潛力，籍此提高鍋爐給水溫度，繼而提高機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性。

蒸汽噴射器技術(shù)是熱工系統(tǒng)中的常規(guī)成熟技術(shù)，在工藝系統(tǒng)真空建立、熱電聯(lián)產(chǎn)低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)等方面得到應(yīng)用，無實(shí)質(zhì)性技術(shù)難度[4]，并有許多成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。如國華滄東發(fā)電有限公司、天津北疆電廠的海水淡化項(xiàng)目[5]，就將蒸汽噴射器技術(shù)用于熱電聯(lián)產(chǎn)海水淡化系統(tǒng)中汽輪機(jī)與海水淡化裝置的匹配節(jié)能，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。這使得主輔設(shè)備低負(fù)荷運(yùn)行條件下的這種熱力學(xué)潛力的利用提供了可能。

3 火電機(jī)組變工況節(jié)能改造方案及案例機(jī)組分析

在火電機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行條件下，利用主蒸汽引射壓縮第一級回?zé)岢槠列略O(shè)置的H0號高壓加熱器，實(shí)現(xiàn)對給水的進(jìn)一步的回?zé)峒訜幔瑥亩岣邫C(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。如圖3所示，通過在常規(guī)熱力系統(tǒng)下，增設(shè)蒸汽噴射器1，用主蒸汽從汽輪機(jī)第一級回?zé)岢槠艿?8引射壓縮回?zé)岢槠怪糜谠鲈O(shè)的0號高壓加熱器2，以實(shí)現(xiàn)對給水的進(jìn)一步的“回?zé)帷奔訜?。機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，各級回?zé)岢槠麎毫档?，鍋爐給水溫度也隨之降低，機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性明顯下降。提高低負(fù)荷時(shí)的鍋爐給水溫度，對于提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性具有重要意義[6]。

圖3 改進(jìn)后系統(tǒng)流程圖

機(jī)組在額定負(fù)荷條件下，閥門3、4、5、7、8、9均關(guān)閉，閥門6開啟。機(jī)組按照原工藝流程運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組處于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，閥門7、9、8、5、4、3順序開啟，閥門6關(guān)閉，蒸汽噴射器1和0號高壓加熱器2投入運(yùn)行。從主蒸汽管道17引用一部分主蒸汽作為工作蒸汽，經(jīng)閥門3從蒸汽噴射器入口a 進(jìn)入蒸汽噴射器膨脹，形成負(fù)壓引射汽輪機(jī)11第一級回?zé)岢槠?8，二者混合升壓后從蒸汽噴射器排氣口c 處排出，進(jìn)入增設(shè)的0號高壓加熱器2。顯然，此時(shí)的蒸汽壓力明顯高于機(jī)組第一級1號回?zé)峒訜崞?3的壓力，因而可以進(jìn)一步加熱給水。給水經(jīng)閥門9進(jìn)入0號高壓加熱器2被加熱。給水升溫后進(jìn)入鍋爐10。由于0號高壓加熱器2是表面式加熱器，其疏水以自流的方式依次進(jìn)入1-3號回?zé)峒訜崞?3-15放熱，最終自流入除氧器16，各種水流在除氧器16匯合，作為鍋爐給水進(jìn)入給水泵12。

但是，將蒸汽噴射器應(yīng)用于火電機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的節(jié)能改造，需要根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)、容量等進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，并針對機(jī)組負(fù)荷變化進(jìn)行校核分析。另外，由于是將蒸汽噴射器用于超超臨界機(jī)組主蒸汽管道，因此需考慮高溫對材料選擇的影響[7]。為最大限度減小溫度對材料選擇的限制和降低改造費(fèi)用，可使用噴水減溫的辦法降低進(jìn)入噴射器系統(tǒng)管道的蒸汽溫度。這一措施同時(shí)還可以提高噴射器系統(tǒng)工作效率，其熱力學(xué)原理是引射混合的高速水蒸汽在較低的溫度下更易得到更高的排出壓力。

以某電廠1000MW超超臨界機(jī)組為例，該機(jī)組采用HG-2980/26.15-YM2型直流型鍋爐和CLN1000-25.0/600/600型凝氣式、一次中間再熱、單軸、四缸四排氣、雙背壓、八級回?zé)岢槠狡啓C(jī)。案例機(jī)組50%THA、75%THA、THA 負(fù)荷下相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)如表1所示。從表1可以清楚的看到，隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，給水溫度也相應(yīng)降低，熱耗率相應(yīng)增加。

表1 案例機(jī)組不同負(fù)荷下相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)表

額定工況下各級加熱器抽汽的體積流量如表2所示。

表2 額定工況下各級加熱器抽汽的體積流

對案例機(jī)組進(jìn)行變工況節(jié)能改造，在第一級回?zé)峒訜崞髦霸O(shè)置第零號加熱器，采用蒸汽噴射器，通過主蒸汽引射壓縮第一級回?zé)岢槠麑?shí)現(xiàn)對給水的進(jìn)一步的回?zé)峒訜帷?/p>

50%THA 運(yùn)行時(shí)，以動(dòng)量守恒模型設(shè)計(jì)噴射器，使引射系數(shù)為μ=0.9，假設(shè)工作蒸汽膨脹過程效率ηi1→2=0.9，動(dòng)量傳遞效率ηi=1，混合蒸汽減速擴(kuò)壓(壓縮)過程效率ηia→4=0.9。則噴射器出口蒸汽焓值為3452.41kJ/kg，壓力為5.37MPa，用于第零號加熱器對給水進(jìn)行進(jìn)一步的回?zé)峒訜?，給水溫度由251.9℃升高至268.45℃，給水焓升高至1174.89 kJ/kg。

調(diào)節(jié)主蒸汽流量，改變每一個(gè)加熱器的抽汽流量，使系統(tǒng)形成新的熱平衡，計(jì)算功率，使功率等于500000kW。當(dāng)主蒸汽增加至1336.30kg/h時(shí)，功率恰好為500000kW，此時(shí)蒸汽噴射器利用24.14kg/h 的主蒸汽引射壓縮21.73kg/h 第一級回?zé)岢槠?，對給水進(jìn)行進(jìn)一步加熱，使鍋爐給水溫度達(dá)到268.45℃。經(jīng)過改造后，50%THA 工況下，汽輪機(jī)熱耗為7714.52kJ/(kW·h)。

改造后，50%THA 工況下各級加熱器抽汽的體積流量如表3所示，跟表2對比可知通流流量有“富?！?。

表3 改造后50%THA 工況各級加熱器抽汽的體積流

機(jī)組在75%THA 工況下運(yùn)行時(shí)，沿用50%工況下所設(shè)計(jì)的噴射器，則噴射器出口蒸汽焓值為3401.04kJ/kg，壓力為7.98MPa，用于第零號加熱器給給水繼續(xù)加熱，給水溫度由276.3℃升高至294.87℃，給水焓升高至1304.66kJ/kg。

調(diào)節(jié)主蒸汽流量，改變每一個(gè)加熱器抽汽流量，使系統(tǒng)形成新的熱平衡，計(jì)算功率，使功率等于750000kW。當(dāng)主蒸汽增加至2080.20t/h 時(shí)，功率恰好為750000 kW，此時(shí)蒸汽噴射器利用47.02t/h的主蒸汽引射壓縮42.32t/h 第一級回?zé)岢槠?，對給水進(jìn)行進(jìn)一步加熱，使鍋爐給水溫度達(dá)到294.87℃。經(jīng)過改造后，75%THA 工況下，汽輪機(jī)熱耗為7525.22kJ/(kW·h)。

改造后，75%THA 工況下各級加熱器抽汽的體積流量如表4所示，跟表2對比可知通流流量有“富?！?。

表4 改造后75%THA 工況各級加熱器抽汽的體積流

綜上所述，案例機(jī)組改造后的不同負(fù)荷相關(guān)參數(shù)見表5。

表5 案例機(jī)組改造后不同負(fù)荷下相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)表

由表4與表5對比可知，原機(jī)組50%THA 工況運(yùn)行下熱耗為7746kJ/(kW·h)，而改造后熱耗為7714kJ/(kW·h)，已知該案例機(jī)組鍋爐熱效率為93.6%，標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量為29270 kJ/kg，則50%THA 工況運(yùn)行下，改造后的節(jié)煤量為1.168g/ (kW·h)。原機(jī)組75%THA 工況運(yùn)行下熱耗為7554kJ/(kW·h)，經(jīng)過節(jié)能改造后熱耗為7525kJ/(kW·h)，則75%THA 工況運(yùn)行下，改造后的節(jié)煤量為1.059g/ (kW·h)?？梢园l(fā)現(xiàn)，本文所提出的火電機(jī)組變工況節(jié)能改造方案具有很好的節(jié)能效果，并且，此方案在機(jī)組50%THA 工況運(yùn)行條件下的節(jié)能效果高于75%THA 工況運(yùn)行條件下的節(jié)能效果。當(dāng)機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)，機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性會(huì)進(jìn)一步增加。

4 結(jié)語

火電機(jī)組變工況運(yùn)行，熱經(jīng)濟(jì)性（發(fā)、供電效率）和安全性隨負(fù)荷的降低而降低是動(dòng)力設(shè)備的固有熱力學(xué)特性，總的來講是無法根本解決的問題。然而，火電機(jī)組主輔設(shè)備通流能力隨負(fù)荷的降低會(huì)出現(xiàn)“裕量”，汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)在低負(fù)荷運(yùn)行條件下出現(xiàn)的裕量，從另一個(gè)角度看就是一種熱力學(xué)潛力。本文利用這一點(diǎn)，引入蒸汽噴射器，提出一種變工況節(jié)能改造方案，對改造后的系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的描述，給出系統(tǒng)圖，并給出具體實(shí)施方式，改造后的系統(tǒng)與原系統(tǒng)相比，取得明顯效果，得到以下結(jié)論：

（1）引入主汽射流技術(shù)、通過射流卷吸RH1的抽汽形成混合汽源、配合改造后增設(shè)的0號高加，可以有效提高機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的鍋爐最終給水溫度，提高機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，給水溫度的提高，可以有效阻止空預(yù)器出口一、二次風(fēng)溫以及省煤器出口煙溫的降低[8]，能夠減少投油，改善燃料燃燒條件，阻止低負(fù)荷時(shí)鍋爐機(jī)械不完全燃燒損失和氣體不完全燃燒損失升高，有利于保證脫硝系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（2）鍋爐高加切除后給水溫度降低，要達(dá)到額定溫度，鍋爐受熱面要多吸收熱量，容易引起超溫，另外高加切除，少抽汽造成汽輪機(jī)排汽量增大，對末級葉片損壞大。通過改造，在提高給水溫度的同時(shí)還能抽取部分蒸汽，可在一定程度上減輕高加切除對機(jī)組安全性的沖擊。

（3）工程案例證明，大容量機(jī)組采用“蒸汽噴射器—0號高加”改造來提高機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行鍋爐最終給水溫度的技術(shù)措施是可落地、可執(zhí)行，能夠保證機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。