陳開峰， 阮圣奇， 吳 仲

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 華東分公司， 安徽 合肥 230031)

0 引言

鍋爐受熱面吹灰、結(jié)渣對(duì)鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性有著較大的影響，合理的吹灰方式和吹灰汽源能有效提高鍋爐效率，降低主、再熱蒸汽的溫度波動(dòng)，提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[1, 2]。目前大型火電機(jī)組鍋爐吹灰系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)常采用分隔屏過熱器出口蒸汽，經(jīng)減壓調(diào)節(jié)后進(jìn)入鍋爐吹灰器和空氣預(yù)熱器。由于蒸汽參數(shù)高，不但造成了嚴(yán)重的熱量浪費(fèi)，也增加了設(shè)備投資和維護(hù)成本。近年來，較多300～600 MW機(jī)組對(duì)采用主蒸汽系統(tǒng)的吹灰汽源進(jìn)行了改造，將吹灰汽源由主蒸汽系統(tǒng)改至再熱冷段管道，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性[3-5]。

熱電聯(lián)產(chǎn)熱平衡簡化計(jì)算方法能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算供熱機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，但在大型機(jī)組吹灰汽源節(jié)能計(jì)算中的應(yīng)用卻少有文獻(xiàn)介紹。同時(shí)，對(duì)于參數(shù)更高、結(jié)構(gòu)和熱力系統(tǒng)更復(fù)雜的 1 000 MW超超臨界機(jī)組，其運(yùn)行特性、循環(huán)熱效率與常規(guī)300～600 MW機(jī)組差異較大，因而吹灰汽源對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響也有較大差異。本文針對(duì)1 000 MW超超臨界大型火電機(jī)組，利用熱電聯(lián)產(chǎn)的原理，在同等發(fā)電量和滿足鍋爐吹灰汽源要求的條件下，分別對(duì)采用分隔屏過熱器出口抽汽和再熱冷段管道抽汽的吹灰系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，并分析其經(jīng)濟(jì)性。

1 機(jī)組及改造情況介紹

1.1 改造情況簡介

某1 000 MW機(jī)組鍋爐為超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐，采用單爐膛、П型布置、懸吊結(jié)構(gòu)。鍋爐出口蒸汽參數(shù)為26.25 MPa/605 ℃/603 ℃，對(duì)應(yīng)汽機(jī)參數(shù)為25 MPa/600 ℃/600 ℃。汽輪機(jī)采用超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、八級(jí)回?zé)岢槠⒛綑C(jī)組。

原配置鍋爐爐膛吹灰器和空預(yù)器吹灰器汽源抽自分隔屏過熱器的出口，經(jīng)減溫減壓送往吹灰器，吹灰器采用程序自動(dòng)控制。

改造方案：保留原來由分隔屏至后屏過熱器管道引出的吹灰管路，用于鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)空氣預(yù)熱器和本體吹灰；增設(shè)一路取自再熱冷段管道的吹灰管路，主要用于空氣預(yù)熱器和爐膛本體在高負(fù)荷時(shí)的吹灰。改造費(fèi)用總計(jì)55萬元。

系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)圖見圖1。

圖1 吹灰系統(tǒng)改造系統(tǒng)圖

1.2 改造后運(yùn)行及安全性評(píng)估

為滿足爐膛吹灰器、長伸縮式吹灰器及空氣預(yù)熱器的吹灰要求，吹灰汽源需根據(jù)機(jī)組負(fù)荷情況進(jìn)行切換。改造后，機(jī)組在500～1 000 MW負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，再熱冷段蒸汽壓力>2.5 MPa，溫度大于245 ℃，再熱冷段蒸汽可以滿足爐膛吹灰器和長伸縮式吹灰器的運(yùn)行要求，其過熱度也滿足空氣預(yù)熱器的吹灰要求。但在機(jī)組負(fù)荷小于500 MW時(shí)，再熱冷段蒸汽參數(shù)降低，此時(shí)采用原分隔屏出口過熱器出口蒸汽氣源。

機(jī)組正常運(yùn)行負(fù)荷率一般大于50%，即在500～1 000 MW負(fù)荷段運(yùn)行，分隔屏過熱器出口蒸汽壓力范圍為18～27 MPa，而再熱冷段蒸汽壓力為2.5～5.1 MPa，可見采用再熱冷段蒸汽氣源顯著地減小了吹灰系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥前后壓差，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

同時(shí)，吹灰系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥前手動(dòng)閥作為隔離用閥門，改造前正常運(yùn)行時(shí)需保持全開，檢修時(shí)關(guān)閉，由于工作壓力較高，時(shí)常發(fā)生閥芯脫落、閥桿跑偏和閥門盤根漏汽等故障，人員操作時(shí)風(fēng)險(xiǎn)較高。改造后原汽源作為備用，該閥門正常運(yùn)行時(shí)保持關(guān)閉狀態(tài)，避免高壓蒸汽沖刷，提高運(yùn)行的安全性。

因此，通過汽源改造，可降低吹灰系統(tǒng)工作參數(shù)，改善設(shè)備的運(yùn)行條件，提高設(shè)備的可靠性和安全性。

1.3 機(jī)組主要參數(shù)

機(jī)組的主要性能參數(shù)如表1所示。

由于鍋爐吹灰非連續(xù)進(jìn)行，表1中吹灰蒸汽量以天為單位的吹灰用汽量。節(jié)能量的計(jì)算也以天為單位，計(jì)算不同負(fù)荷時(shí)機(jī)組每天節(jié)能量。

表1 機(jī)組主要參數(shù)

2 熱平衡計(jì)算法的應(yīng)用

2.1 機(jī)理分析

熱電聯(lián)產(chǎn)節(jié)能的機(jī)理主要有兩方面[6]：一方面，熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電部分固有的熱力學(xué)冷源損失用做了供熱，從而節(jié)約了燃料，稱為“聯(lián)產(chǎn)節(jié)能”；另一方面電廠的大型鍋爐效率比分散小鍋爐熱效率高，從而節(jié)約了燃料，稱為“集中節(jié)能”。

對(duì)于鍋爐吹灰采用不同汽源時(shí)的節(jié)能量計(jì)算，符合“聯(lián)產(chǎn)節(jié)能”的條件，可以采用熱平衡法計(jì)算不同位置抽汽對(duì)機(jī)組煤耗的影響。對(duì)于采用分隔屏過熱器出口蒸汽汽源的吹灰系統(tǒng)，機(jī)組煤耗量由3部分組成：吹灰蒸汽熱量的煤耗量、吹灰抽汽內(nèi)部聯(lián)產(chǎn)發(fā)電煤耗量、凝汽器汽流發(fā)電的煤耗量；對(duì)于采用汽輪機(jī)做功后抽汽的吹灰系統(tǒng)，機(jī)組煤耗量由3部分組成：吹灰蒸汽熱量的煤耗量、吹灰抽汽聯(lián)產(chǎn)發(fā)電的煤耗量、凝汽汽流發(fā)電的煤耗量。兩種系統(tǒng)節(jié)能量對(duì)比，以相同的吹灰蒸汽量(不同汽源消耗的蒸汽熱量不同)和相同的機(jī)組發(fā)電量為基準(zhǔn)。

2.2 計(jì)算方法

分析不同供熱抽汽方式對(duì)汽輪機(jī)熱經(jīng)濟(jì)性的影響時(shí)，熱力計(jì)算方法較為常用的有常規(guī)熱平衡法、簡化熱平衡法和等效焓降法等[7]。本文采用簡化熱平衡法進(jìn)行計(jì)算，得到采用不同吹灰汽源時(shí)機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組總的煤耗量，包括機(jī)組供汽熱量的耗煤量與機(jī)組發(fā)電耗煤量，而機(jī)組發(fā)電量分為供汽汽流發(fā)電量和凝汽器汽流發(fā)電量，計(jì)算過程如下所示。

2.2.1 發(fā)電量計(jì)算

(1)供汽汽流發(fā)電量計(jì)算

供汽汽流發(fā)電量WT包括供汽汽流外部聯(lián)產(chǎn)發(fā)電量Wo和供汽汽流內(nèi)部聯(lián)產(chǎn)發(fā)電量Wn，即：

WT=Wo+Wn

(1)

其中供汽汽流外部聯(lián)產(chǎn)發(fā)電量即供汽汽流抽出前在汽輪機(jī)膨脹做功產(chǎn)生的發(fā)電量，按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：DT為供汽抽汽量，kg；h0為汽輪機(jī)主汽進(jìn)汽焓，kJ/kg；hT為汽輪機(jī)供汽抽汽焓，kJ/kg；ηj、ηd為汽輪發(fā)電機(jī)組的機(jī)、電效率。

供汽汽流內(nèi)部聯(lián)產(chǎn)發(fā)電量由各級(jí)抽汽加熱供汽汽流的返回水(由供汽返回凝結(jié)水和補(bǔ)水組成，對(duì)于吹灰系統(tǒng)用汽，返回水全部為補(bǔ)水)。供汽汽流的實(shí)際回?zé)嵯到y(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，而供汽汽流的回水又不是固定的進(jìn)入某一級(jí)加熱器，因此用加熱器熱平衡的方法求各級(jí)加熱器的抽汽量是很復(fù)雜也很困難的。

圖2 供汽汽流的假想回?zé)嵯到y(tǒng)

本文中，內(nèi)部聯(lián)產(chǎn)發(fā)電量采用假想回?zé)嵫h(huán)法的簡化算法進(jìn)行計(jì)算，即用一級(jí)假想的混合式加熱器代替回水所經(jīng)過的各級(jí)加熱器，如圖2所示。詳細(xì)計(jì)算過程如下：

假想加熱器抽汽飽和溫度

(3)

式中：tj為假想加熱器抽汽飽和溫度，℃；tgs為給水溫度，℃；tbs為供汽回水溫度(補(bǔ)水)，℃。

假想加熱器抽汽焓值hj。由假想抽汽飽和溫度tj，查得對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力pj，再由汽輪機(jī)過程線上與pj壓力線的交點(diǎn)可查得假想抽汽焓jh。

假想加熱器抽汽量

(4)

供汽汽流內(nèi)部聯(lián)產(chǎn)發(fā)電量

(5)

(2)凝汽汽流發(fā)電量計(jì)算

在已知總發(fā)電量的情況下，可由供汽汽流聯(lián)產(chǎn)發(fā)電量計(jì)算出凝汽汽流發(fā)電量：

WN=W-WT

(6)

式中：W為機(jī)組總發(fā)電量，kW·h。

2.2.2 耗煤量計(jì)算

(1)電廠生產(chǎn)電能的耗煤量

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電耗煤量分別由供汽汽流發(fā)電耗煤量和凝汽汽流發(fā)電耗煤量計(jì)算得出，兩者冷端損失不同，機(jī)組發(fā)電效率也不同。

發(fā)電耗煤量Bd通過式(7)計(jì)算：

(7)

其中供汽汽發(fā)電流煤耗率：

(8)

式中：QL為為煤種的低位發(fā)熱量，kJ/kg；ηgl、ηgd為鍋爐效率、管道效率。

凝汽汽流發(fā)電煤耗率：

(9)

(2)電廠供汽生產(chǎn)熱能的耗煤量Bo：

(10)

其中供汽熱量：

QT=DT(hT-hbs)/106

(11)

式中：hbs為汽輪機(jī)供汽補(bǔ)水焓，kJ/kg。

(3) 電廠總耗煤量B：

B=Bo+Bd

(12)

根據(jù)“聯(lián)產(chǎn)節(jié)能”的原理，鍋爐吹灰消耗蒸汽，當(dāng)作供熱蒸汽，通過計(jì)算聯(lián)產(chǎn)發(fā)電耗煤量和供汽損耗熱量的耗煤量，得出機(jī)組總耗煤量。分別對(duì)吹灰系統(tǒng)采用不同蒸汽汽源時(shí)機(jī)組總耗煤量的計(jì)算，比較不同方案的經(jīng)濟(jì)性。

3 節(jié)能分析與比較

以汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)、機(jī)組發(fā)電負(fù)荷以及鍋爐煤質(zhì)不變?yōu)榛鶞?zhǔn)，假定采用兩種汽源時(shí)吹灰用汽量相同，且冷段抽汽量對(duì)汽輪機(jī)凝汽汽流發(fā)電效率沒有影響的條件下，用熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱平衡方法計(jì)算兩種負(fù)荷工況下的能耗，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 改造后不同負(fù)荷工況下綜合收益比較

注：標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)按700元/t計(jì)算。

從表2中可知，在THA工況下，吹灰汽源從分隔屏過熱器出口改至再熱冷段管道，年節(jié)約標(biāo)煤量850 t，年收益59.49萬元；75%THA工況下，年節(jié)約標(biāo)煤量1 197.1 t，年收益83.80萬元。由于不同負(fù)荷時(shí)，鍋爐每日吹灰用汽量幾乎相同，機(jī)組負(fù)荷越低，在年發(fā)電量相同的情況下，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行天數(shù)越多，總吹灰用汽量越多；同時(shí)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷越低，吹灰用汽產(chǎn)生的聯(lián)產(chǎn)發(fā)電量占總發(fā)電量比例(熱化發(fā)電率)越高，而供汽汽流發(fā)電煤耗率遠(yuǎn)低于凝汽汽流發(fā)電煤耗率，因此低負(fù)荷采用冷再汽源時(shí)機(jī)組收益更加顯著。而機(jī)組實(shí)際年平均負(fù)荷率在75%左右，因此表2中75%THA工況計(jì)算收益更接近機(jī)組實(shí)際運(yùn)行收益。

每臺(tái)機(jī)組吹灰汽源改造費(fèi)用總計(jì)57萬元，按75%THA工況年收益83.8萬元核算，0.68年即可收回改造成本，因此吹灰汽源采用再熱冷段蒸汽汽源具有顯著的節(jié)能效益。

4 結(jié)論

針對(duì)1 000 MW超超臨界機(jī)組，介紹了吹灰汽源改造方案，評(píng)估了改造后機(jī)組運(yùn)行的安全性，并采用熱電聯(lián)產(chǎn)的原理分析計(jì)算了不同吹灰汽源時(shí)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，可以得出以下結(jié)論：

(1)吹灰汽源由分隔屏過熱器出口改至再熱冷段，可以提高吹灰系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命，提高機(jī)組安全性。

(2)吹灰汽源改為再熱冷段蒸汽可以取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，THA負(fù)荷工況時(shí)年收益達(dá)79.32萬元，75%THA負(fù)荷工況時(shí)年收益可達(dá)83.8萬元。以75%THA負(fù)荷工況核算，改造后運(yùn)行0.68年即可收回改造成本。

(3)進(jìn)行吹灰氣源改造時(shí)，應(yīng)保留原分隔屏過熱器吹灰汽源系統(tǒng)作為備用，采用增設(shè)再熱冷段汽源的方法。機(jī)組負(fù)荷過低，再熱冷段參數(shù)無法滿足吹灰的要求時(shí)，采用原汽源進(jìn)行吹灰。

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