搜索
超超临界机组增设外置式蒸汽冷却器变工况分析阚伟民1、宋景慧1、周璐瑶2、赵世飞2、徐钢2(1.广东电网公司电力科学研究院，广州，510080；2.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京，102206.)摘要：本文基于常规超超临界机组热力系统，提出了对再热后的第一级抽汽设置外置式蒸汽冷却器的设计方案，并对系统进行了热力学分析，计算了系统的热经济性指标。在此基础上，本文对常规超超临界机组热力系统和增设外置式蒸汽冷却器的系统在不同负荷下进行热力学分析，计算得到系统的热经济性指标。研究结果表明：采用外置式蒸汽冷却器的机组，在设计工况下热经济性比常规热力系统机组的热经济性有所提高；而且在低负荷工况下运行时，外置式蒸汽冷却器机组相比于常规系统的节能效果更加明显，因此更适合于变工况条件下运行。关键词：外置式蒸汽冷却器超超临界机组热经济性变工况Analysisofthevariableworkingconditionofinstallingexternalsteamcoolerforultra-supercriticalunitKANWei-min1,SONGJing-hui1,ZHOULuyao2,ZHAOShi-fei2,XUGang2(Guangdongelectricpowerresearchinstitute,Guangzhou,510080)(Schoolofpower,energyandmechanicalengineeringinNorthChinaElectricPowerUniversity)Abstract:Basedontheconventionalultra-supercriticalpowergenerationunit,thispaperproposesadesignschemeofinstallingexternalsteamcoolerofthefirstextractionsteamafterreheat.Thermodynamicandeconomicanalysisbetweentheconventionalultra-supercriticalunitandthenewmastercyclesystemunderdifferentworkingconditionsisconductedafterwards.Theresultsshowthatinstallingexternalsteamcoolerhasabetterthermodynamicperformancewithgreatenergy-savingeffectsthantheconventionalone.Besides,underthelow-loadworkingcondition,theenergy-savingeffectsaremoreobvious.Thus,installingexternalsteamcoolerforultra-supercriticalunitisverysuitableforthelow-loadworkingcondition.Keywords:ultra-supercriticalunit,externalsteamcooler,thermodynamicandeconomicanalysis,variableworkingcondition收稿日期：基金项目：广东电网公司电力科学研究院科研项目“机组启停和变负荷节能技术研究”（kh3826）；国家自然科学基金联合基金项目(U1261210)；作者简介：阚伟民，（1970-），广东电网公司电力科学研究院，高级工程师，主要从事火电发电厂热能动力技术研究工作。邮箱：广州市东风东路水均岗8号广东电网公司电力科学研究院，510080。1引言随着全球温室效应的日益加剧以及煤炭等化石燃料的日渐紧缺，如何进一步提高燃煤电站效率，减少二氧化碳排放成为全社会越来越关注且亟待解决的问题。在今后很长一段时间，发电化石燃料的主要构成仍是煤炭，高效清洁的燃煤发电仍是世界电力供应的主要方式[1]。随着新材料技术的不断发展，进一步提高蒸汽初参数成为改善机组热效率的重要发展方向之一[2]。随之而来也出现了一些问题。由于现代大型燃煤电厂多采用设置内置式蒸汽冷却器的再热机组，随着主蒸汽温度和压力的进一步提高,再热后汽轮机中压缸抽汽的过热度也进一步升高，考虑到内置式蒸汽冷却器对过热蒸汽利用有限，会造成再热之后的第一级抽汽过热度高达200℃以上。过高的过热度使换热引起的㶲损失增加，导致机组热经济性受到了很大的影响[3]。有鉴于此，本文基于常规超超临界机组热力系统，提出了设置外置式蒸汽冷却器的方案，并利用EBSILION软件对系统进行了热力学分析，计算了系统的热经济性指标。在此基础上，对常规超超临界机组热力系统和增设外置式蒸汽冷却器的超超临界机组热力系统进行不同负荷条件下的变工况运行热力学分析，结果表明增设外置式蒸汽冷却器的机组的热经济性在设计工况和变工况下均比常规热力系统机组的热经济性有所提高。2外置式蒸汽冷却器热力系统图1常规超超临界机组热力系统图Figure1GeneralUltraSupercriticalUnitThermalSystemschematic对于超超临界机组而言，采用再热可提高机组热经济性，但是再热后的也导致了汽轮机中压缸抽汽的过热度很高，将抽汽过热度很高的中压缸抽汽，用于预热温度相对较HPIPLP×21#2#5#4#6#7#8#3#低的凝结水或给水，会带来巨大的㶲损失，从而导致整个机组的热经济性降低，这个问题即是超超临界再热机组中比较突出的“过热问题”[4]。随着机组容量不断增长、参数不断提高，再热后汽轮机中压缸抽汽的过热度也进一步升高，导致整个机组热经济性受到很大的影响[5]。为了解决这一问题，本文提出了增设外置式蒸汽冷却器的方案。增设外置式蒸汽冷却器是为了利用回热抽汽的过热度，在抽汽进入回热加热器之前释放一部分热量[6]，这样一方面既降低了抽汽过热度，使回热加热器㶲损减小；另一方面又可提高进一步提高给水温度，提高机组的热经济性。根据与主水流的位置关系，外置式蒸汽冷却器的布置有串联和并联两种[7]，均可降低抽汽与给水之间的过热度，减少不可逆损失。相比较而言，串联式外置式蒸汽冷却器有更高的经济型[8,9]。采用外置串联式蒸汽冷却器系统的特点是抽汽过热度可跨越几个抽汽能级,使其被用于较高的能级。此外，由于增设外置式蒸汽冷却器与内置式相比，会使系统结构变得复杂，投资和维护工作量也会相应增加[10]，因此本文的回热系统采用一台外置式蒸汽冷却器,装设在过热度最大的再热之后第一级抽汽处。增设蒸汽冷却器后的机组热力系统图，3#高压加热器的外置式蒸汽冷却器位于1#高压加热器的出口处，3#高压加热器的抽汽先进入外置式蒸汽冷却器释放一部分热量加热温度较高的给水，过热度降低后的蒸汽进入3#高压加热器加热温度较低的给水，这样就使得3#加热器抽汽过热度显著降低。同时提高了给水焓升的幅度，有利于减少锅炉内的换热温差，降低不可逆损失，提高锅炉的㶲效率。HPIPLP×21#2#5#4#6#7#8#3#图2外置式蒸汽冷却器系统示意图Figure2Ultra-supercriticalunitinstallingexternalsteamcooler3外置式蒸汽冷却器系统热力学分析本文选取某典型1000MW一次再热超超临界机组作为案例机组，利用EBSILION软件进行模拟计算，得到设计工况下常规系统与外置式蒸汽冷却器系统的热经济性指标。其锅炉为超超临界参数变压直流锅炉，汽轮机为N1000-26.25/600/600型超超临界、一次中间再热凝汽式汽轮机，具有8级非调整回热抽汽[11]。如图1所示，常规系统回热系统有8级回热抽汽，即3级高压加热器，1级除氧器，4级低压加热器。其中3#回热加热器的抽汽来自于再热后的第一级抽汽，具有较高的过热度。该段过热度较高的抽汽用来预热温度相对较低的锅炉给水，会带来较大的不可逆损失，从而使机组的热经济性降低。表1THA工况下各级抽汽参数比较Table1.ThelevelsofextractionparametersinTHAworkingcondition常规系统外置式蒸汽冷却器系统抽汽级数抽汽压力（bar）抽汽温度（℃）过热度(℃)抽汽压力(bar)抽汽温度(℃)过热度(℃)1#74.84402.4106.474.84402.4106.42#55.55352.784.055.55352.784.03#22.93473.8249.8022.93300.080.604#11.07378.1184.3011.07378.1184.305#5.58294.1156.005.58294.1156.006#2.413192.467.72.413192.467.77#0.6486.10.00.6486.10.08#0.2563.60.00.2563.60.0表1给出了设计工况下常规系统和外置式蒸汽冷却器系统的主要抽汽参数，从表中可以看出，在常规系统中，3#回热加热器，即再热后的第一级抽汽回热加热器，抽汽过热度很高，达到249.8℃；而在外置式蒸汽冷却器系统中，由于3#高压加热器的抽汽先被用来加热温度较高的锅炉进口给水，蒸汽温度降低后在用来加热本级给水，抽汽过热度仅为76.0℃，抽汽过热度大幅降低。图3和图4更为形象的描述在传热过程中，3#回热加热器中蒸汽与给水温差的变化。另外，外置式蒸汽冷却器系统也提高了锅炉给水温度，提高了平均吸热温度，机组的热经济性也得到了改善。图3常规系统3#加热器T-Q图Figure3T-Qfor3#heaterofgeneralsystem图4外置式蒸汽冷却器系统3#加热器T-Q图Figure4T-Qfor3#heaterofsysteminstallingexternalsteamcooler表2给出了外置式蒸汽冷却器系统与常规系统的热经济性指标比较结果。设计工况下，增设外置式蒸汽冷却器比常规系统提高了0.11个百分点，发电煤耗降低了0.67g/kwh，节能效果显著。表2THA工况下热经济性比较Figure2ThethermodynamicandeconomicanalysisInTHAworkingcondition热经济性指标常规系统外置式蒸汽冷却器系统差值发电效率（%）44.6344.74+0.11发电煤（g/kWh）275.60274.93-0.674外置式蒸汽冷却器变工况热力学分析本文还对超超临界增设外置式蒸汽冷却器的系统和常规系统的变工况性能进行了分析。图5给出了常规系统和外置蒸汽式冷却器系统在不同负荷时3#回热加热器的过热度的比较结果。从图中可以看出，随着符合的降低，常规系统的抽汽过热度有所增加，而外置式蒸汽冷却器系统的抽汽过热度却有所降低，这意味着随着符合的降低，增设外置式蒸汽冷却器改善3#抽汽过热度的效果更显著。图5变工况3#回热加热器抽汽过热度Figure5Extractionsuperheatof3#heaterindifferentloads这是因为：当代大型燃煤发电机组在变负荷时通常采用滑压运行的方式。此时，当负荷降低时，蒸汽压力降低，但是蒸汽温度一般保持不变，由此导致常规系统中随着负荷的降低，抽汽过热度的迅速升高，这意味着采用常规热力系统的燃煤发电机组在低负荷运行时，抽汽过热问题比设计工况时更严重[12,13]。而从图5中不难发现，当增设外置式蒸汽冷却器时，燃煤发电机组在低负荷运行时即使采用滑压运行的方式，3#回热加450400350300250200100温度（）换热率（MW）10203050704060450400350300250200150温度（）102030405060708090换热率（MW）热器的过热度也能有所降低，这表明增设外置式蒸汽冷却器有效地解决了3#回热加热器过热度迅速增大的问题，亦即：外置式蒸汽冷却器系统在低负荷时改善过热度的效果更明显。图6变工况最终给水温度Figure6Thefi