蔡小燕， 張燕平， 李 鈺， 黃樹紅， 高 偉

（華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢430074）

20世紀(jì)90年代末期，歐洲、日本、美國相繼提出先進(jìn)超超臨界燃煤電站研究計(jì)劃，擬將蒸汽參數(shù)提高到700 ℃／35MPa或更高［1］.2011年6月24日，中國正式啟動700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)研發(fā)計(jì)劃.對于700℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，除了常規(guī)的熱力系統(tǒng)（簡稱“常規(guī)系統(tǒng)”）布局，丹麥Elsam電力公司提出了一種新型的熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——MC（Master Cycle）系統(tǒng)［2］.定量評價(jià)分析新型 MC系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性，了解其能耗分布特征，對700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義.

Sven Kjaer等對MC系統(tǒng)進(jìn)行了汽輪機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化及熱經(jīng)濟(jì)性評價(jià)，結(jié)果表明MC系統(tǒng)能夠改善抽汽過熱情況，基于兩級再熱的MC系統(tǒng)的熱效率可以達(dá)到53%［2－4］.Pierre Ploumen等在主蒸汽溫度分別為600℃和700℃的情況下對單級再熱的常規(guī)系統(tǒng)和基于兩級再熱的MC系統(tǒng)全廠熱效率及CO2排放量進(jìn)行對比計(jì)算，結(jié)果表明：2種情況下MC系統(tǒng)均可提高全廠熱效率，降低CO2排放量，且主蒸汽溫度為700℃時(shí)MC系統(tǒng)效率的提高更明顯［5］.目前關(guān)于MC系統(tǒng)的文獻(xiàn)很少，僅有的文獻(xiàn)也并未詳細(xì)介紹MC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局及參數(shù)情況，同時(shí)基于熱力學(xué)第二定律來研究MC系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性及其內(nèi)部能耗分布特征尚未見文獻(xiàn)報(bào)道.

根據(jù)MC系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于MC的1 000MW、700℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并確定了相關(guān)熱力參數(shù)，同時(shí)設(shè)計(jì)了基于常規(guī)熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的對比系統(tǒng).對2個(gè)熱力系統(tǒng)進(jìn)行單元劃分，采用分析方法建立平衡方程并計(jì)算各單元的指標(biāo)，對比分析2個(gè)熱力系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性及能耗分布特征.

1 熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 700℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組MC系統(tǒng)

MC系統(tǒng)在傳統(tǒng)2次再熱汽水循環(huán)的基礎(chǔ)上取消中壓缸抽汽，用新增的獨(dú)立汽輪機(jī)T－Turbine的抽汽代替中壓缸的抽汽去加熱給水.T－Turbine安裝在再熱冷段逆止閥門的下游，進(jìn)汽來自高壓缸排汽［2－3，6］.根據(jù)這一思路，基于 MC的1 000MW 機(jī)組的熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，圖中的黑點(diǎn)表示選擇的狀態(tài)點(diǎn).系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）汽輪機(jī)為單軸6缸6排汽，回?zé)嵯到y(tǒng)包括3個(gè)高壓加熱器（H1～H3）、1個(gè)除氧器（H4）、6個(gè)低壓加熱器（H4～H10）.

（2）高壓缸排汽分為a、b、c 3個(gè)部分：a進(jìn)入第1級再熱器，b進(jìn)入加熱器 H2，c進(jìn)入 T－turbine.T－turbine設(shè)有3級抽汽系統(tǒng)，排汽進(jìn)入加熱器H6.中壓缸未設(shè)置抽汽系統(tǒng)，排汽直接引入低壓缸.低壓缸有4級抽汽系統(tǒng)來加熱給水，排汽進(jìn)入凝汽器.

（3）T－Turbine后連接發(fā)電機(jī)和給水泵，正常運(yùn)行時(shí)T－Turbine驅(qū)動給水泵，發(fā)電機(jī)為發(fā)電運(yùn)行模式；機(jī)組啟停時(shí)，T－turbine停止運(yùn)行，通過切換SSS離合器，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)為電機(jī)運(yùn)行模式驅(qū)動給水泵.

圖1 MC系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the MC system

1.2 700℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組常規(guī)系統(tǒng)

參照圖1的MC系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了700℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的常規(guī)熱力系統(tǒng)（見圖2），圖中黑點(diǎn)表示選擇的狀態(tài)點(diǎn).與MC系統(tǒng)相似，常規(guī)系統(tǒng)也設(shè)置了2級再熱系統(tǒng)，汽輪機(jī)的高壓缸設(shè)有一級抽汽系統(tǒng).高壓缸排汽分為2個(gè)部分，分別進(jìn)入第1級再熱器和加熱器H2.汽輪機(jī)的中壓缸IP1和IP2各有2級抽汽系統(tǒng)，低壓缸設(shè)有4級抽汽系統(tǒng).小汽輪機(jī)驅(qū)動給水泵，其進(jìn)汽由第4級抽汽系統(tǒng)供給，其排汽進(jìn)入主凝汽器.

圖2 常規(guī)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of a conventional system

2 熱力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

為了便于對比分析，2個(gè)熱力系統(tǒng)的主要參數(shù)應(yīng)盡可能取相同數(shù)值，發(fā)電功率均為1 000MW.目前700℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組還處于研究階段，并無詳細(xì)的參數(shù)資料.經(jīng)過分析相關(guān)文獻(xiàn)以及現(xiàn)有機(jī)組的參數(shù)情況，確定了圖1和圖2所示的2個(gè)熱力系統(tǒng)的參數(shù).

2.1 主蒸汽參數(shù)及各汽缸進(jìn)出口參數(shù)

目前，在700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)研究中，世界主要發(fā)達(dá)國家設(shè)計(jì)的主蒸汽壓力通常為35～38.5MPa［1］.因此，選取鍋爐過熱器的出口參數(shù)為35MPa／700℃.同時(shí)根據(jù)汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，參照文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［7］及現(xiàn)有機(jī)組的參數(shù)情況，確定了2個(gè)熱力系統(tǒng)的主蒸汽及各汽缸進(jìn)出口參數(shù)，如表1所示.

表1 主蒸汽及各汽缸進(jìn)出口參數(shù)Tab.1 Main steam parameters and inlet／outlet parameters of various cylinders

2.2 其他參數(shù)

其他參數(shù)的選取如下：

（1）抽汽參數(shù)

根據(jù)表1中的相關(guān)參數(shù)，在假設(shè)各級組焓降相等及各級組效率與所在汽缸的缸效率相等的原則下確定常規(guī)系統(tǒng)各級抽汽參數(shù).MC系統(tǒng)中各級抽汽壓力與常規(guī)系統(tǒng)相同，其中T－turbine的排汽壓力與常規(guī)系統(tǒng)的第6級抽汽壓力相同，并根據(jù)相對內(nèi)效率確定排汽焓.根據(jù)抽汽壓力和相對內(nèi)效率，確定T－turbine的各級抽汽焓，進(jìn)而得到2個(gè)系統(tǒng)的各級抽汽參數(shù)，見表2.

（2）凝汽器參數(shù)

假設(shè)循環(huán)水的進(jìn)口水溫為20℃，循環(huán)水壓為0.315MPa.取凝汽器壓力為排汽壓力，凝結(jié)水的飽和水溫為32.88℃，假設(shè)凝汽器傳熱端差為5K，由此可確定循環(huán)水的出口溫度為27.88℃.假設(shè)經(jīng)過凝結(jié)水泵后，凝結(jié)水溫度為34℃.

（3）加熱器水側(cè)壓力與端差

根據(jù)文獻(xiàn)［7］，高壓加熱器水側(cè)給水壓力取為40.3MPa.根據(jù)第4級抽汽的壓力，確定除氧器的工作壓力.低壓加熱器水側(cè)壓力取為5.5MPa.

表2 抽汽參數(shù)Tab.2 Parameters of extraction steam

加熱器端差參照現(xiàn)有機(jī)組進(jìn)行選取，見表3.

（4）主要流量計(jì)算

根據(jù)上述熱力系統(tǒng)參數(shù)，取抽汽管道壓損為5%，鍋爐熱效率為0.94，機(jī)械效率為0.98，發(fā)電效率為0.989，然后計(jì)算2個(gè)熱力系統(tǒng)的主要汽水流量，計(jì)算結(jié)果見表4.

表3 加熱器端差Tab.3 Terminal temperature difference of heater

表4 2個(gè)熱力系統(tǒng)的主要汽水流量Tab.4 Main steam－water flow of two thermal systems t／h

假設(shè)環(huán)境參數(shù)為20℃／0.101 325MPa，根據(jù)熱力系統(tǒng)中各狀態(tài)點(diǎn)（即圖1和圖2中的黑點(diǎn)）的壓力和溫度，查出相應(yīng)的焓和熵，然后再根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算各狀態(tài)點(diǎn)的值.

式中：ef為單位質(zhì)量燃料的，稱為燃料比，kJ／kg；qnet為燃料的低位發(fā)熱量，kJ／kg；w（C）、w（H）、w（O）、w（N）分別為燃料中碳、氫、氧、氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；m 為燃料的質(zhì)量流量，kg／s；Ef為燃料，kW.本文計(jì)算的是平頂山煙煤的燃料值.

4 系統(tǒng)單元劃分及分析指標(biāo)計(jì)算

4.1 系統(tǒng)單元劃分及指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

單元劃分的基本原則遵循以下3個(gè)方面：

（1）高壓缸 HP、中壓缸IP1、中壓缸IP2、低壓缸LP各為1個(gè)單元，T－turbine或小汽輪機(jī)為1個(gè)單元.汽輪機(jī)進(jìn)汽的進(jìn)口點(diǎn)及排汽、抽汽的出口點(diǎn)為劃分單元的邊界點(diǎn)，詳見圖1和圖2中的黑點(diǎn).

（2）回?zé)嵯到y(tǒng)中每個(gè)加熱器、除氧器分別劃分為1個(gè)單元；凝結(jié)水泵、給水泵等分別與其相近的加熱器劃分為1個(gè)單元（各加熱器單元如圖1和圖2中虛線框所示）.

（3）凝汽器為1個(gè)單元，邊界點(diǎn)為低壓缸排汽口（常規(guī)系統(tǒng)中包括小汽輪機(jī)排汽口）、凝汽器凝結(jié)水出口和循環(huán)水進(jìn)出口.

將機(jī)組熱力系統(tǒng)劃分為鍋爐單元、汽輪機(jī)單元、發(fā)電機(jī)單元、凝汽器單元和管道單元.汽輪機(jī)單元又分為各級汽缸單元和各級加熱器單元.根據(jù)單元劃分情況，對700℃機(jī)組的MC系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)中各單元的損和效率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，如表5所示.

4.2 結(jié)果分析

分以下幾方面對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析.

根據(jù)表5，對1 000MW機(jī)組的MC系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)的鍋爐、汽輪機(jī)、凝汽器等的指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見表6.由表6可知，鍋爐是電廠損最大的設(shè)備，這是因?yàn)殄仩t煙氣和水的傳熱溫差大，傳熱過程的不可逆性很大.采用MC系統(tǒng)的機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性較高，全廠效率比常規(guī)系統(tǒng)的效率高0.86%.

對汽輪機(jī)單元中的高壓缸HP、中壓缸IP1、中壓缸IP2、低壓缸LP及T－turbine或小汽輪機(jī)分別進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算，結(jié)果見表7.由表7可知，2個(gè)系統(tǒng)中各汽缸的效率均大于缸效率.同時(shí)LP的損和損系數(shù)最大，其他汽缸的損和損系數(shù)相對較小.

明顯高于常規(guī)系統(tǒng)，比常規(guī)系統(tǒng)高3.52%.雖然T－turbine的相對內(nèi)效率與小汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率相同，但由于進(jìn)汽參數(shù)和排汽參數(shù)的差異，其效率比小汽輪機(jī)的效率高6.83%.

表5 700℃超超臨界燃煤機(jī)組各單元指標(biāo)計(jì)算Tab.5 Calculation of exergy indices for each unit of a 700 ℃ ultra supercritical coal－fired power generating set

表5 700℃超超臨界燃煤機(jī)組各單元指標(biāo)計(jì)算Tab.5 Calculation of exergy indices for each unit of a 700 ℃ ultra supercritical coal－fired power generating set

注：E為，kW；e為 比，kJ／kg；W 為汽輪機(jī)出力或泵耗功，kW；D 為蒸汽流量，kg／s.

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表6 700℃超超臨界燃煤機(jī)組全廠指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Tab.6 Calculation results of exergy indices for the whole ultra supercritical coal－fired plant

表6 700℃超超臨界燃煤機(jī)組全廠指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Tab.6 Calculation results of exergy indices for the whole ultra supercritical coal－fired plant

MC 系統(tǒng)常規(guī)系統(tǒng)項(xiàng)目損／MW 損系數(shù)／%效率／%損／MW 損系數(shù)／%效率／%系統(tǒng)輸入發(fā)電機(jī) 31.76 1.47 96.92 31.76 1.45 96.92凝汽器 26.07 1.21 1.02 28.02 1.27 0.99管道 17.90 0.83 99.20 19.69 0.90 99.04系統(tǒng)收益燃料2 150.53 100 2 191.33 6.02鍋爐 953.50 44.22 55.66 969.04 44.10 55.78汽輪機(jī)系統(tǒng) 109.39 5.07 90.41 130.60 5.94 88.76系統(tǒng)100循環(huán)水帶入5.87損有效循環(huán)功 1 000 46.37 1 000 45.51循環(huán)水帶出17.79 0.82 18.25 0.83

表7 700℃超超臨界燃煤機(jī)組各汽缸單元指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Tab.7 Calculation results of exergy indices for cylinder units of the 700℃ ultra supercritical coal－fired power generating set

表7 700℃超超臨界燃煤機(jī)組各汽缸單元指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Tab.7 Calculation results of exergy indices for cylinder units of the 700℃ ultra supercritical coal－fired power generating set

MC 系統(tǒng)常規(guī)系統(tǒng)單元名稱損／MW 損系數(shù)／%效率／% 缸效率／%損／MW 損系數(shù)／%效率／% 缸效率／%8.83 0.41 96.09 90 8.53 0.39 96.09 90中壓缸IP1單元 8.06 0.37 96.54 92 19.62 0.89 93.02 92中壓缸IP2單元 8.05 0.37 96.65 92 8.14 0.37 96.68 92低壓缸LP單元 43.79 2.03 88.78 88 41.79 1.90 88.80 88 T－turbine單元／小汽輪機(jī)單元高壓缸HP單元6.82 0.32 87.82 80 7.17 0.33 80.99 80

表8 700℃超超臨界燃煤機(jī)組各級加熱器單元指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Tab.8 Calculation results of exergy indices for all－level heaters of the 700 ℃ ultra supercritical coal－fired power generating set

表8 700℃超超臨界燃煤機(jī)組各級加熱器單元指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Tab.8 Calculation results of exergy indices for all－level heaters of the 700 ℃ ultra supercritical coal－fired power generating set

MC 系統(tǒng)常規(guī)系統(tǒng)單元名稱損／MW 損系數(shù)／%效率／%損／MW 損系數(shù)／%效率／%3.60 0.17 93.55 3.48 0.16 93.55 2級加熱器 4.77 0.22 93.33 4.61 0.21 93.33 3級加熱器 2.64 0.12 96.07 4.19 0.19 93.69 4級加熱器 7.10 0.33 91.75 10.19 0.46 88.22 5級加熱器 1.13 0.05 93.65 3.78 0.17 81.38 6級加熱器 3.55 0.16 89.46 7.76 0.35 79.41 7級加熱器 4.91 0.23 69.56 4.58 0.21 68.83 8級加熱器 1.70 0.08 85.26 1.94 0.09 83.51 9級加熱器 1.74 0.08 79.94 1.93 0.09 78.22 10級加熱器1級加熱器2.71 0.13 66.51 2.92 0.13 64.95

以上分析結(jié)果表明，在700℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的2個(gè)熱力系統(tǒng)中，鍋爐損都占很大的比例，超過44%，而汽輪機(jī)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、管道的損和損系數(shù)相對很小，效率卻較高.凝汽器的損系數(shù)雖然很小，但效率在所有設(shè)備當(dāng)中最低.

MC系統(tǒng)的機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性比常規(guī)系統(tǒng)的機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性高，主要體現(xiàn)在汽輪機(jī)系統(tǒng)上.汽輪機(jī)系統(tǒng)中低壓缸LP、T－turbine／小汽輪機(jī)的效率較低.低壓缸LP的損和損系數(shù)最大，其他汽缸的損和損系數(shù)相對較小.各級加熱器的損及損系數(shù)都較小，而末三級加熱器的效率相對較低.對比指標(biāo)可知，T－turbine的引入降低了第3～6級的抽汽品質(zhì)，提高了MC系統(tǒng)中壓缸及第3～6級加熱器的熱經(jīng)濟(jì)性，從而提高了整體熱經(jīng)濟(jì)性.

5 結(jié) 論

（1）相對于700℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的常規(guī)系統(tǒng)布局，MC系統(tǒng)取消了中壓缸的抽汽，用T－turbine的抽汽代替中壓缸的抽汽加熱給水，結(jié)構(gòu)變化很小，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化、設(shè)備制造、性能評價(jià)等方面具有很好的繼承性.

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