利用火電廠管道熱效率反平衡方法分析汽輪機旁路內漏

吳 昊, 石奇光, 李 磊, 陳經豪, 顏雪琴, 趙政慶

(1.上海電力學院能源與環境工程學院,上海200090;2.上海吳涇發電有限責任公司,上海200336)

我國電力工業自改制以來,已完成“廠網分開”的改革第一步,發電企業作為獨立的法人按照市場規則商業化運營,競價上網,自負盈虧.目前發電企業面對金融危機、煤價上漲和利用小時下降等問題,更需要提高運行熱經濟性,完善熱力系統,挖掘節能潛力,降低發電成本[1].以一座1 200 MW電廠(2×600 MW機組)為例,每天需要消耗近萬噸煤,若該廠供電標準煤耗率降低1 g/(kW?h),按機組年均運行時間5 000 h計,全年可節約標準煤6×103t,若按同比標煤價格500元計算,僅燃料費用一項,每年可節約300萬元以上,同時還可減少大量的溫室氣體(CO2)及污染物(SOx、NOx、Hg、粉塵等)排放.

在發電企業節能節電的工作中,熱平衡分析是一項考核能源利用水平的基礎性工作.而熱平衡分析正是原電力行業標準DL/T606.3—1996火力發電廠能量平衡導則第3部分:熱平衡(以下簡稱原導則)中的重要內容[2].上海電力學院根據國家發改委和中國電力企業聯合會標準化中心的立項要求,承擔并完成了對原導則的修訂工作,使其能夠隨著熱力發電廠理論研究的不斷深入,更趨完善.新導則DL/T606.3—2006火力發電廠能量平衡導則第3部分:熱平衡由國家發改委于2007年5月1日起正式發布實施[3].

本文基于新導則中的新增內容——火力發電廠管道熱效率反平衡計算原理,采用考慮管道熱效率的等效熱降算法,以引進型300 MW機組汽輪機旁路系統工質內漏對火電廠熱力系統的影響為例,對汽輪機旁路系統內漏進行定性分析及定量計算,并對電廠節能工作提出了積極的建議[4].

1 考慮管道熱效率的等效熱降算法

考慮管道熱效率的等效熱降算法是基于火電廠管道熱效率的反平衡計算原理,經過嚴密理論推演而形成的一套計算理論體系,彌補了傳統等效熱降法的不足[5].經驗證表明:采用考慮管道熱效率的等效熱降算法對熱力系統進行節能診斷分析時,火電廠熱平衡體系的邊界及主要熱力系統的劃分更清晰,且計算結果準確,與傳統熱量法的計算結果一致[6].

1.1 管道熱效率

式中:ηgd為管道熱效率,%;Δ Qgd為單元機組管道熱損失,kJ/kg;Qgl為鍋爐熱負荷(輸出熱量 Qsc),kJ/kg.

式中 :Δ Qg1為新蒸汽管道散熱損失 ,kJ/kg;Δ Qg2為帶熱量工質泄漏熱損失,kJ/kg;Δ Qg3為再熱蒸汽管道散熱損失,kJ/kg;Δ Qg4為給水管道熱損失,kJ/kg;ΔQg5為廠用輔助系統熱損失,kJ/kg;ΔQg6為鍋爐連續排污熱損失,kJ/kg.管道反平衡計算各熱損失項算法詳見新導則[2].

1.2 汽輪機循環絕對內效率

式中:ηi為汽輪機循環絕對內效率,%;H0為新蒸汽的等效熱降值,kJ/kg;Q0為汽輪機的循環吸熱量,kJ/kg.

H0的計算方法與原等效熱降算法相同,詳見參考文獻[7-8].從式(1)～式(3)可以看出,當考慮管道熱效率的反平衡計算之后,ηgd不再是定值,Q0也將隨著ΔQgd的變化發生變化,故計算ηi的變化時,需考慮H0和Q0的變化才能得出正確的解.

1.3 全廠熱效率

式中:ηcp為發電廠全廠熱效率,%;ηgl為鍋爐熱效率 ,%;ηjx為汽輪機機械效率,%;ηdj為發電機效率,%;ηe為汽輪發電機組絕對電效率,%.

在分析計算中 ,若忽略不計 ηgl、ηjx及ηdj的變化,重點考慮 ηgd、ηi與 ηcp之間的變化關系,由參考文獻[5],全廠熱效率的變化值δ ηcp計算如下:

當發電廠熱力系統工況發生變化時,鍋爐熱力系統與汽輪發電機組熱力系統之間的能量傳輸效率發生變化,即管道熱力系統的 ηgd是變化的,而ηgd的變化將直接導致Q0的變化,進而引起ηi的變化.

事實上,將ηgd在任意工況下以恒定值代替是不正確的.因此,新導則明確定量分析發電廠熱經濟性變化時,不能僅依靠ηi的變化來判斷機組的熱經濟性變化,而是需要綜合考慮ηgd、ηi兩個效率的變化,以全廠熱效率的變化δ ηcp作為最終的衡量指標.

2 汽輪機旁路工質內漏的熱經濟性分析

2.1 旁路閥內漏的原因

汽輪機旁路系統的作用是在特定情況下將鍋爐產生的蒸汽不經過汽輪機而直接引到下一級蒸汽管道或凝汽器,以保證機組啟停、事故處理和適應特殊運行方式的需要.

當機組正常運行時,旁路閥應處于關閉狀態,但電廠在實際運行中普遍存在汽輪機旁路閥門不同程度的泄漏,歸結原因主要有以下幾點[9]:

(1)管道中的雜質留存在閥門密封面上,造成密封面損傷;

(2)工作環境惡劣,閥門前后壓差大,閥芯、閥座受高壓工質沖刷,極易磨損,造成密封失效;

(3)執行機構多為電動或氣動,零位設定不準確,沒有達到閥門的全關位;

(4)執行機構推力不足,管道內無壓力時,易達到全關位,有壓力時,關不到位;

(5)閥門控制元件受環境溫度、壓力和濕度影響造成定位失準;

(6)閥門本身制造質量差,密封面平面度欠佳.

2.2 旁路內漏的定量影響分析

以引進型N300-16.7/538/538機組三級旁路串聯系統工質內漏為例,運用考慮管道熱效率的等效熱降法對其進行熱經濟性分析,機組等效熱降參數見表1.

表1 N300-16.7/538/538型機組等效熱降及相關參數Tab.1 Equivalent enthalpy drop value and correlation parameters of N300-16.7/538/538 unit

如圖1所示,當發生Ⅰ級旁路內漏時,即高壓旁路工質內漏,新蒸汽將繞過高壓缸,與較低品位的高壓缸排汽混合進入再熱器,使得低壓循環做功增加,高壓缸的做功量減少,機組的熱經濟性降低;當發生Ⅱ級旁路內漏時,即低壓旁路工質內漏,再熱蒸汽繞過中、低壓缸,直接進入凝汽器,造成大量的冷源損失;當發生Ⅲ級旁路泄漏時,即大旁路工質內漏,新蒸汽攜帶大量高品質熱量,繞過整個汽輪機本體,直接進入凝汽器,造成大量的冷源損失.

圖1 N300-16.7/538/538機組熱力系統(額定工況)Fig.1 T hermal sy stem of N300-16.7/538/538 unit(rated operating conditions)

內漏的高品質蒸汽若進入冷凝器,將使得大量可用能直接被循環冷卻水帶走,不僅造成大量直接熱損,還會降低凝汽器真空度、提高冷卻水循環倍率以及增加廠用電耗,從而嚴重影響機組熱經濟性.

采用考慮管道熱效率的等效熱降法計算,結果示于表2.

表2 汽輪機旁路工質內漏對機組效率及熱經濟性的影響Tab.2 Effect of inner leakage in turbine bypass on the efficiency and thermal economic of the unit

由汽輪機旁路內漏所引起的發電廠管道熱效率、汽輪機絕對內效率、全廠熱效率以及發電煤耗率的變化趨勢分別示于圖2～圖5.

圖2 旁路內漏時管道熱效率的變化趨勢圖Fig.2 Inner leakage quantity vs.piping thermal efficiency

圖3 旁路內漏時汽輪機絕對內效率的變化趨勢圖Fig.3 Inner leakage quantity vs.turbine's absolute internal efficiency

圖4 旁路內漏時全廠熱效率的變化趨勢圖Fig.4 Inner leakage quantity vs.plant thermal efficiency

圖5 旁路內漏對發電煤耗的影響Fig.5 Inner leakage quantity vs.coal consumption

由圖2～圖4可知,若Ⅰ級旁路發生內漏,單考慮管道熱力系統,同等數量的帶熱量工質通過管道熱力系統由鍋爐傳輸給汽輪發電機組時,同比減少了再熱冷段與再熱新蒸汽段的散熱損失,因此管道熱效率會有所上升;單考慮汽輪發電機組熱力系統,由于部分新蒸汽繞過高壓缸,經過再熱后進入中、低壓缸,造成了高壓缸做功不足,低壓循環做功增加,凝汽流做功比例提高,因此機組絕對內效率呈下降趨勢;綜合考慮管道熱效率、機組絕對內效率后發現,全廠熱效率呈下降趨勢,機組熱經濟性下降.由圖5可知,當Ⅰ級旁路發生內漏時,泄漏量每增加1 t/h,發電煤耗將增加0.03 g/(kW?h).

若Ⅱ級旁路、Ⅲ級旁路發生內漏,高品質蒸汽泄漏進入凝汽器,造成能量損失,單考慮管道熱力系統,其傳輸給汽輪發電機組熱力系統的熱量小于鍋爐輸出的熱量,導致管道熱效率下降;單考慮汽輪發電機組熱力系統,當Ⅱ級旁路、Ⅲ級旁路發生內漏時,考慮補充水進入凝汽器,抽汽流做功增加,凝汽流做功同比減少,因此機組絕對內效率上升;綜合考慮管道熱效率、機組絕對內效率,全廠熱效率下降.計算表明,當Ⅱ級旁路發生內漏時,泄漏量每增加1 t/h,將使發電煤耗增加0.30 g/(kW?h);當Ⅲ級旁路發生內漏時,每增加1 t/h泄漏量,將使發電煤耗增加0.33 g/(kW?h).

3 結 論

(1)旁路系統閥門內漏對機組的經濟性影響較大,因此應保證旁路系統閥門的嚴密性,加強日常維護和保養工作,對基建期間的機組,應慎重對待其旁路系統閥門的選型工作.

(2)發電企業應加強節能精細化管理,加強對管道熱力系統的認識,如機組旁路內漏問題,應充分考慮其變化對管道熱效率及機組絕對內效率的影響,以全廠熱效率的變化作為衡量經濟性的最終指標.

[1]張國寶.電力行業的“危”中之“機”[J].中國電力企業管理,2008(12):8-10.

[2]中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T606.3-2006火力發電廠能量平衡導則第3部分:熱平衡[S].北京:中國電力出版社,2007.

[3]石奇光,潘衛國,王文歡,等.火電廠熱平衡新導則特點及主要指標分析[J].中國電力,2008,41(8):66-69.

[4]石奇光,高乃平,仝寧,等.輔助蒸汽系統對火電廠管道熱效率的影響[J].動力工程,2004,24(1):138-142.

[5]石奇光,薛玉蘭,馬慶,等.考慮發電廠管道熱效率的等效熱降法[J].動力工程,1999,19(1):41-44.

[6]吳昊,石奇光,丁家峰,等.300MW機組除氧器內漏的熱經濟性分析[J].上海電力學院學報,2009,25(4):337-341.

[7]林萬超.火電廠熱系統節能理論[M].西安:西安交通大學出版社,1994.

[8]鄭體寬.熱力發電廠[M].2版.北京:中國電力出版社,2008.

[9]趙宗彬,孫鵬.淺析汽輪機低壓旁路內漏治理[J].電站輔機,2009,30(3):16-18.