雷天鵬，賈金嬋，柴國旭

(1.華電齊齊哈爾發(fā)電有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 200090； 2.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030)

0 引言

高壓加熱器(以下簡稱高加)系統(tǒng)是火力發(fā)電機(jī)組中給水回?zé)嵯到y(tǒng)的重要組成部分。該系統(tǒng)的加熱器處于高溫、高壓的工作狀態(tài)，易出現(xiàn)加熱器泄漏損壞及安全保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致退出運(yùn)行等工況，造成汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況偏離設(shè)計(jì)工況，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。高加切除方式不同對汽輪機(jī)熱經(jīng)濟(jì)性的影響程度不同[1-2]，因此切實(shí)需要加強(qiáng)對高加系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的監(jiān)督。本文基于汽輪機(jī)變工況理論，對高加切除運(yùn)行后機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性變化情況進(jìn)行計(jì)算，分析循環(huán)效率、熱耗率、汽耗率等指標(biāo)的變化情況。

1 高加系統(tǒng)切除對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響

高加系統(tǒng)切除運(yùn)行之后，改變了回?zé)嵯到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，保留運(yùn)行的除氧器和各低壓加熱器的焓升、端差、抽汽管道流速及壓損等性能參數(shù)基本保持不變，回?zé)嵯到y(tǒng)熱負(fù)荷變化甚微，給水焓升劇烈下降，造成給水溫度降低較多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)值；下游低壓缸通流流量增加，做功量增加，冷源損失增加。以上兩方面原因造成機(jī)組經(jīng)濟(jì)性明顯下降。當(dāng)高加維修時(shí)間過長、發(fā)生事故的頻率較為頻繁時(shí)，高加系統(tǒng)切除運(yùn)行產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)性影響更為明顯[3]。

1.1 高加切除對鍋爐吸熱量的影響

高加從切除到再次投入的過程中，單位工質(zhì)在鍋爐內(nèi)的吸熱量隨著給水溫度的升高而降低。因此，投高加后汽輪機(jī)熱耗量的減少量為

ΔQ=Q′-Q=qV′(h0′-hfw′)+

qVr′(hrh′-hhp′)-qV(h0-hfw)-

qVr(hrh-hhp) ，

式中：Q′，Q為不投與投高加時(shí)鍋爐的吸熱量，kJ/h；hfw′，hfw為不投與投高加時(shí)進(jìn)入鍋爐的給水比焓，kJ/kg；h0′，h0為不投與投高加時(shí)主蒸汽比焓，kJ/kg；hhp′，hhp為不投與投高加時(shí)高壓缸排汽比焓，kJ/kg；hrh′，hrh為不投與投高加時(shí)再熱蒸汽比焓，kJ/kg；qV′，qV為不投與投高加時(shí)主蒸熱蒸汽流量，kg/h；qVr′，qVr為不投與投高加時(shí)再熱蒸汽流量，kg/h。

鍋爐吸熱量的相對變化量為

鍋爐熱耗量的相對變化量為

δQb=(Q′/ηb′-Q/ηb)/(Q/ηb)×100% ，

式中：ηb′，ηb為不投與投高加時(shí)鍋爐的熱效率。

1.2 計(jì)算模型

機(jī)組的循環(huán)熱效率η[4]為

η=3 600P/Q，

式中：P為汽輪機(jī)輸出功率，kW；Q為鍋爐吸熱量，kJ/h。

高加切除后的循環(huán)熱效率η′為

其中：功率增量ΔP=P′-P,P′為高加切除后汽輪機(jī)的輸出功率。

高加切除后循環(huán)熱效率的相對變化量δη為

δη=(η′-η)/η。

因此，在高加系統(tǒng)切除前、后相應(yīng)輔助系統(tǒng)變化量較小的情況下，根據(jù)汽輪機(jī)功率與鍋爐吸熱量變化情況，能夠確定高加系統(tǒng)切除后對機(jī)組循環(huán)熱效率的影響程度。

汽輪機(jī)熱耗率相對變化量為

式中：q′，q為不投與投高加時(shí)汽輪機(jī)熱耗率，kJ/(kW·h)。

汽輪機(jī)汽耗率相對變化量為

δd=(d′-d)/d=(qV′/P′-qV/P)/(qV/P) ，

式中：d′，d為不投與投高加時(shí)汽輪機(jī)汽耗率，kg/(kW·h)；發(fā)電機(jī)定功率情況下，P′與P相同。

1.3 煤耗變化量

高加系統(tǒng)切除之后，由于循環(huán)熱效率及汽輪機(jī)通流效率的變化，發(fā)電煤耗也會(huì)發(fā)生變化，變化量為

式中：bf′，bf為不投與投高加時(shí)的發(fā)電煤耗，kg/(kW·h)；ηg1為鍋爐效率，%；ηgd為管道效率，%。

高加切除后鍋爐煤耗的相對變化量δb為

δb=Δbf/bf。

1.4 煤耗增加造成的經(jīng)濟(jì)損失

根據(jù)煤價(jià)、煤耗的增加量及高加系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，高加停運(yùn)后造成的煤耗損失C為

C=cΔbPdt，

式中：c為煤的價(jià)格，元/t；Δb為煤耗的增加量，kg/(kW·h)；Pd為高加停用后機(jī)組的負(fù)荷，kW；t為高加停運(yùn)時(shí)間，h。

高加系統(tǒng)停運(yùn)使得機(jī)組熱效率下降，造成的經(jīng)濟(jì)損失與煤炭的價(jià)格、煤耗增量、汽輪機(jī)功率及停用時(shí)間有關(guān)。

2 變工況計(jì)算原理

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，高加系統(tǒng)在突發(fā)情況下事故切除，熱力系統(tǒng)所處工況發(fā)生變化，工況匹配的主蒸汽流量、再熱參數(shù)、各級抽汽參數(shù)均相應(yīng)變化。各級高壓加熱器退出工作對系統(tǒng)影響較大，考慮汽水參數(shù)的變化，可利用變工況迭代模型進(jìn)行計(jì)算?；驹頌椋阂云啓C(jī)的抽汽口為分界點(diǎn)，將所有的級分為幾個(gè)級組，根據(jù)汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)和各級抽汽參數(shù)的變動(dòng)量計(jì)算各級組通流量，依據(jù)弗留格爾公式和對級效率跟隨流量變化的擬合函數(shù)進(jìn)一步確定各級抽汽參數(shù)。

弗留格爾公式[5]主要應(yīng)用于通過級組通流量決定級組前、后的蒸汽壓力

qm1/qm1,0≈p1/p1,0。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對級效率ηs跟隨流量qm的變化情況進(jìn)行函數(shù)擬合ηs=f(qm)，能夠反映級組效率的變化情況，對抽汽比焓的計(jì)算更為準(zhǔn)確。

式中：h1,0為級組入口的蒸汽比焓，kJ/kg；h2,0為級組出口的蒸汽比焓，kJ/kg；h21,0為級組理想膨脹后的出口蒸汽比焓，kJ/kg。

3 典型機(jī)組分析

本文以國產(chǎn)N330-16.67/538/538機(jī)組為計(jì)算模型，其原則性熱力系統(tǒng)如圖1所示。計(jì)算過程中，機(jī)組的鍋爐熱效率ηb、汽輪機(jī)機(jī)械效率ηm及發(fā)電機(jī)效率ηg為定值。針對主蒸汽定流量、發(fā)電機(jī)定功率2種情況，基于熱力系統(tǒng)變工況理論，通過蒸汽流量的變化修正各級參數(shù)，對機(jī)組相關(guān)指標(biāo)變化情況進(jìn)行分析。

3.1 主蒸汽定流量分析

以40%機(jī)組熱耗保證(THA)、50%THA、75%THA及85%THA工況為例，在保持汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)穩(wěn)定不變的情況下，高加系統(tǒng)切除之后，回?zé)岢槠繙p少，鍋爐吸熱量的相對變化量隨負(fù)荷增加較為明顯(如圖2所示)。流量發(fā)生變化時(shí)，汽輪機(jī)通流部分效率變化較為有限，汽輪機(jī)熱耗率相對變化量為2%～5%(如圖3所示)，對機(jī)組發(fā)電煤耗的影響程度為6～12 g/(kW·h)。計(jì)算表明，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格高于570 元/t時(shí)，增負(fù)荷帶來的收入低于增加的采購費(fèi)煤炭用；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格低于570 元/t，負(fù)荷低于75%THA時(shí)，基本保持平衡，因此，在當(dāng)前較高煤價(jià)的情況下，切除高加系統(tǒng)保持高負(fù)荷運(yùn)行并不經(jīng)濟(jì)，需要引起發(fā)電廠的關(guān)注。

由于高加系統(tǒng)切除之后，給水溫度偏低，造成熱力系統(tǒng)循環(huán)熱效率下降較為明顯(如圖4所示)，鍋爐熱耗量相對變化量增加較為明顯(如圖5所示)。因此，高加系統(tǒng)切除之后，對鍋爐的運(yùn)行調(diào)整帶來一定的難度。

3.2 發(fā)電機(jī)定功率分析

以40%THA，50%THA，75%THA及85%THA工況為例，高加系統(tǒng)切除之后，發(fā)電機(jī)功率應(yīng)保持穩(wěn)定不變，由于回?zé)岢槠繙p少，負(fù)荷會(huì)瞬時(shí)增加，需要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，主要方法為減少汽輪機(jī)主蒸汽流量。由圖6可以看出，汽輪機(jī)汽耗率相對變化量呈現(xiàn)遞減趨勢，應(yīng)根據(jù)汽耗率的變化情況減小鍋爐給水流量。在鍋爐給水溫度降低后，熱力系統(tǒng)循環(huán)熱效率相對降低3.5%～4.0%(如圖7所示)。與此同時(shí)，鍋爐熱耗量相對變化量呈現(xiàn)遞增趨勢，但變化趨勢較為平緩(如圖8所示)。在發(fā)電機(jī)定功率情況下，切除高加系統(tǒng)對機(jī)組發(fā)電煤耗影響較為明顯，發(fā)電煤耗相對上升10.5%～11.5%(如圖9所示)，標(biāo)準(zhǔn)煤耗約上升11 g/(kW·h)。

圖1 原則性熱力系統(tǒng)

圖2 鍋爐吸熱量相對變化量與負(fù)荷的關(guān)系

圖3 汽輪機(jī)熱耗率相對變化量與負(fù)荷的關(guān)系

圖4 熱力系統(tǒng)循環(huán)熱效率相對變化量與負(fù)荷的關(guān)系(主蒸汽定流量分析)

圖5 鍋爐熱耗量相對變化量與負(fù)荷的關(guān)系(主蒸汽定流量分析)

圖6 汽輪機(jī)汽耗率相對變化量與負(fù)荷的關(guān)系

圖7 熱力系統(tǒng)循環(huán)熱效率相對變化量與負(fù)荷的關(guān)系(發(fā)電機(jī)定功率分析)

圖8 鍋爐熱耗量相對變化量與負(fù)荷的關(guān)系(發(fā)電機(jī)定功率分析)

圖9 機(jī)組發(fā)電煤耗相對變化量與負(fù)荷的關(guān)系

3.3 THA工況高加系統(tǒng)停用造成的經(jīng)濟(jì)損失情況

以THA工況為例，當(dāng)發(fā)生高加系統(tǒng)切除事故時(shí)，汽輪機(jī)輸出功率增長較大，負(fù)荷瞬時(shí)超過350MW，需要減負(fù)荷至330MW或以下，考慮機(jī)組的安全性，減負(fù)荷至300MW。與高加系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)300MW工況相比，煤耗的增加量為12.65g/(kW·h)。以標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格640元/t、高加系統(tǒng)停運(yùn)搶修時(shí)間24h為條件，煤耗損失為5.83萬元，經(jīng)濟(jì)損失較為嚴(yán)重，長時(shí)間運(yùn)行時(shí)經(jīng)濟(jì)損失更為嚴(yán)重。

4 結(jié)束語

本文以汽輪機(jī)變工況理論為基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)組切除高加系統(tǒng)后熱力系統(tǒng)各指標(biāo)的變化趨勢，表明了高加切除對機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響程度。高加系統(tǒng)切除運(yùn)行后，熱力系統(tǒng)循環(huán)熱效率降低，汽輪機(jī)熱耗率增加，汽輪機(jī)發(fā)電煤耗明顯增加。當(dāng)高加系統(tǒng)停用，造成的經(jīng)濟(jì)損失較為明顯。隨著停用時(shí)間的延長，經(jīng)濟(jì)損失更為嚴(yán)重，需要引起發(fā)電廠的重視。

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