200MW 直接空冷機組熱力系統節能潛力分析

張國龍 馬 輝

（神華國能 （神東電力）集團公司，北京市西城區，100033）

1 引言

神華億利能源有限公司所屬的4×200 MW 煤矸石電廠配置的NZK200-12.75／535／535型、雙缸、雙排汽、直接空冷凝汽式汽輪機組，自投運以來，由于設備制造、安裝、系統運行不合理等因素的影響，造成機組的部分運行參數與設計值相比偏高，有較大的節能空間，迫切需要采取措施，提高機組的運行經濟性。

現運用火電廠節能診斷理論，以DCS運行數據、運行規程和機組實際運行情況為依據，對神華億利電廠NZK200-12.75／535／535型機組熱力系統的節能潛力進行分析，找出熱力系統運行中存在的問題，定量計算這些問題對機組熱經濟性的影響，從而為機組的優化、經濟運行奠定基礎，為檢修、節能改造項目的方案制定提供客觀依據。

2 熱力系統節能潛力分析

神華億利電廠NZK200-12.75／535／535型機組熱力簡圖如圖1 所示。該機組由6 級非調節抽氣，加熱器形式為疏水放流式。根據熱力系統簡捷計算和等效熱降理論，對該機組原始數據進行整理，得到經濟性診斷的基礎數據，具體見表1。

圖1 NZK200-12.75／535／535型機組熱力簡圖

通過對DCS運行數據、運行規程和機組實際運行情況的分析，發現神華億利電廠熱力系統運行存在如下問題：機組高加旁路滲漏，軸封漏氣量大，個別加熱器端差偏大，過熱器減溫水量大，運行時調節不當、長時間使用再熱器減溫水，凝結水再循環流量過大，連排擴容器未投入使用，排汽壓力偏高等。下面針對以上主要因素對機組的經濟性影響進行定量分析，診斷模型如下：

裝置效率的相對變化為

標準煤耗率變化為

式中：H——1kg新蒸汽的實際作功，kJ／kg；

ΔQ——1kg 新蒸汽吸熱量的變化量，kJ／kg；

ΔH——1kg 新蒸汽作功能力的變化量，kJ／kg；

ηi——裝置效率；

bb——供電煤耗率，g／ （kW·h）

2.1 高加切除及旁路滲漏對經濟性的影響

在保護高、低壓加熱器的旁路中，由于閥門關閉不嚴或者其他原因，部分給水經旁路流走，繞過加熱器組，將影響機組的熱經濟性。4＃機組因高加水側泄被迫停用，對經濟性造成很大影響。當給水不經過加熱器時，將導致加熱器少抽氣，使1 kg新蒸汽作功能力的增加值為

而循環吸熱量也相應增加：

式中：ΔQzr-5和ΔQzr-6——5號和6號加熱器排擠1 kg新蒸汽引起再熱器吸熱量的變化量，kJ／kg。由式 （1）和式 （2）可得到由于高加停用導致裝置相對效率降低1.63%，標準煤耗增加5.755g／ （kW·h）。

運行數據表明，機組的高壓給水旁路三通閥滲漏，導致高加部分給水短路，分析可得高加的平均滲漏率為6%，導致裝置效率降低0.11%，標準煤耗增加0.378g／ （kW·h）。

表1 NZK200-12.75／535／535型機組經濟性分析基礎數據

2.2 軸封漏氣量對經濟性的影響

軸封漏汽不僅損失工質，還伴隨熱量的損失，這將降低機組的熱經濟性。為了減小不利影響，一般將漏汽回收利用。神華億利電廠機組將高壓缸后軸封二檔漏汽引入1 號加熱器 （即現場的6 號低加）。通過對實際運行數據分析可知，1 號加熱器溫升比設計值高7.3℃，可以判斷高壓缸后軸封漏汽超標：假定漏氣壓力為0.03 MPa，溫度為220℃，則軸封漏氣超標約7.07t／h，lkg泄露蒸汽作功能力損失為

而循環吸熱量也相應減少，其減少值為

式中：αf——漏汽超標份額；

hf——漏汽的焓值，kJ／kg；

σ——再熱吸熱量，kJ／kg。

由式 （1）和式 （2）可得，由于軸封漏氣量大，導致裝置相對效率降低0.42%，標準煤耗率增加1.465g／ （kW·h）。

2.3 加熱器端差對經濟性的影響

在加熱器設計中有技術經濟性選定的端差。在運行設備中，由于各種原因產生給水加熱不足稱為運行端差。運行端差過大，雖然沒有發生直接的明顯熱損失，但是增加了熱交換的不可逆性，產生了額外的冷源損失，降低了裝置的熱經濟性。表2給出各加熱器端差設計值與運行值，可以看出1號加熱器上端差、3號加熱器上端差、6號加熱器上端差超標。下面利用等效熱降理論，對表2中的數據進行熱經濟性分析。

表2 加熱器端差設計值與運行值 ℃

2.3.1 1號加熱器上端差超標

1號加熱器上端差超標，使1號加熱器出水溫度較設計值偏低7℃，折算到焓差為Δτ1=29.41 kJ／kg，端差超標導致lkg新蒸汽作功能力降低值為

由式 （1）和式 （2）可得，裝置相對效率降低0.141%，標準煤耗率升高0.532g／ （kW·h）。

2.3.2 3號加熱器上端差超標

3號加熱器上端差運行值比設計值高1.7℃，折算到焓差為Δτ3=7.30kJ／kg，1kg新蒸汽作功能力降低值為

由式 （1）和式 （2）可得，裝置相對效率下降0.032%，標準煤耗率升高0.113g／ （kW·h）。

2.3.3 6號加熱器上端差超標

6號加熱器上端差運行值比設計值高3.4℃，折算到焓差為Δτ3=15.76kJ／kg，1kg新蒸汽作功能力降低值為

循環吸熱量增加值為

由式 （1）和式 （2）可得，裝置相對效率下降0.028%，標準煤耗率升高0.1g／ （kW·h）。

表3 加熱器端差分析結果

2.4 過熱器減溫水對經濟性的影響

噴水減量是熱系統的一個重要組成部分，神華億利電廠的過熱器噴水來自給水泵出口母管，不流經高壓加熱器，減少了回熱抽汽，降低了回熱程度，造成熱經濟性降低。機組帶額定負荷時，過熱器I、Ⅱ級減溫水總量達45t／h，利用等效熱降理論可得，1kg新蒸汽作功能力增加值為

與此同時，1kg新蒸汽吸熱量的增加值為

由式 （1）、式 （2）計算得：裝置相對效率降低0.124%，標準煤耗率增加0.436g／ （kW·h）。

2.5 再熱器減溫水對經濟性的影響

再熱器氣溫的調節，原則上不采用噴水方法，再熱器設置噴水調溫僅作為輔助性細調或事故噴水。因為再熱器噴水循環是一個非再熱的中參數或者比中參數還低的循環，與高參數的主循環相比，其熱經濟性要低得多。該機組的運行數據表明，有時在再熱器煙氣調溫擋板開度偏大的同時使用再熱器噴水減溫，假定再熱器減溫水的流量為4.5t／h，再熱器噴水不經過高壓加熱器，會導致高加部分氣不流經高壓缸，1kg新蒸汽少作功的值為

循環吸熱量減少值為

由式 （1）、式 （2）計算得裝置相對效率降低0.18%，標準煤耗率增加0.636g／ （kW·h）。

分析對比2.4和2.5節計算結果可以看出，再熱器噴水減溫使機組熱經濟性減少，其是過熱器噴水減溫的十多倍。因此，應分析原因、采取措施，防止再熱氣溫升高。如果再熱汽溫升高，也不能圖一時的方便而將再熱事故噴水作為主要調溫手段使用。如果不得不使用減溫水時，則應盡量多使用過熱器減溫水，少用或不用再熱器減溫水。

2.6 凝結水再循環對經濟性的影響

在200 MW 直接空冷機組熱力系統的低壓凝結水管道上設有再循環系統。它將部分凝結水返回排汽裝置，使之再次流經軸封加熱器和1 號加熱器。在機組啟動時冷卻軸封加熱器，低負荷時調節通往除氧器的凝結水量。由于神華億利電廠機組大部分時間，負荷小于額定負荷的80%，加上閥門存在內漏情況，使再循環系統經常、長時間投入運行。不同負荷條件下對應的再循環水量見表4。再循環系統不斷將加熱后的熱水返回排汽裝置，在排汽裝置放熱無疑增加了冷源損失，降低了熱經濟性。機組50% ～100%的負荷平均有0.28份額主凝結水經過再循環返回排汽裝置，其作功能力損失為

由式（1）、式 （2）計算得：裝置相對效率降低0.247%，發電標準煤耗率升高0.873g／ （kW·h）。

由表4可知，再循環份額隨著負荷的降低增加較快，使發電標準煤耗率隨負荷降低有較高的增長。通過分析運行數據還可知，再循環水溫度遠高于排汽裝置壓力所對應的飽和溫度，部分再循環水不可避免地被氣化，在空冷島被再次冷卻凝結，使機組帶負荷的能力降低 （夏天尤為突出）。同時，也增加了凝結水泵和空冷風機的耗電量，所以有必要對其進行改造。

2.7 連排擴容器未投入使用，對經濟性的影響

鍋爐的排污不僅帶來工質的損失，而且還伴有熱量的損失。排污水數量大、壓力高，是一種高能級的熱水，一般都予以充分利用，以減少工質和熱量損失，提高電廠運行的經濟性。神華億利電廠4＃機組連排擴容器由于閥門泄露而一直沒有投入使用，導致定排次數多，排污量大，對機組經濟性造成了很大的影響。將鍋爐定排看作未被擴容利用的連排，來計算其對神華億利電廠經濟性的影響，排污使作功能力的損失值為

同時，循環吸熱量增加值為

由式 （1）式和 （2）可得，由于連排擴容器未投入使用，導致裝置相對效率降低0.673%，標準煤耗率增加2.374g／ （kW·h）。

如果將連排擴容器投入使用，回收利用這部分損失的工質和熱量。假定回收率為50%，回收蒸汽壓力為1.2MPa （大于除氧器壓力），溫度為200℃，則擴容蒸汽為帶工質的熱量進入系統。其回收功為

由式 （1）、式 （2）計算得：裝置相對效率提高0.272%，標準煤耗率降低0.959g／ （kW·h）。由此可見，排污擴容氣的利用對提高電廠經濟性具有重要意義。

2.8 排汽壓力高對經濟性的影響

該機組的設計背壓是14kPa，但是運行中由于各種原因，導致運行背壓高于設計值近2.5kPa；夏天高負荷時情況更嚴重，有時排汽壓力高達25 kPa，對機組的經濟性造成了很大影響。

圖2 排汽壓力作功分析系統圖

汽機排汽壓力變化對機組作功的影響，可從兩方面考慮，一是排汽焓變化，引起機組有效燴降作功量的變化，二是凝結水溫度的改變，引起最末一個低壓加熱器抽氣量的變化，從而影響了作功量。如圖2所示，應用等效熱降的基本原理，定量分析上述兩部分作功變化規律。當機組排汽壓力升高時，機組排汽燴變化Δh=h'c-hc=6.37kJ／kg。因為這部分焓降是αnkg蒸汽在汽輪機內的有效作功燴降，它直接導致新蒸汽作功減少值為ΔH01=αn（h'n-hn）=4.55kJ／kg。

另一部分是凝結水溫升引起的新蒸汽作功變化，它類似于凝結水過冷度的分析方法，由于1號加熱器的抽氣壓力不變，加熱器的出口水溫不變，1號加熱器的焓升變化值為Δτn=t′n-tn=14.22 kJ／kg，將使1 號加熱器的熱耗量減少αnnΔτn=12.50kJ／kg，應減少抽汽量以保證t1不變。按等效熱降原理，相當于純熱量αnnΔτn進出1號加熱器系統，引起新蒸汽等效熱降增加，新蒸汽體功減少值為：

式中：αnn——通過1號加熱器的凝結水流量份額；

η′1——排汽壓力變化后的1號加熱器的抽汽效率。

神華億利電廠1號加熱器是 疏水放流式，由于1號加熱器的抽氣壓力不變，其加熱器的疏水溫度和疏水焓不變，故

η'1計算公式及計算結果為

因此，排汽壓力降低引起的新蒸汽等效熱降變化為

由式 （1）、式 （2）計算得：裝置相對效率降低0.321%，標準煤耗率升高1.131g／ （kW·h）。

3 結論

以神華億利電廠200 MW 機組實際運行數據、運行規程和機組實際運行情況為依據，針對機組運行中存在的不能經濟運行問題，進行了定量分析計算。計算結果表明，該機組在不切除高加、不使用再熱器減溫水的情況下， 節能潛力達6.26g／ （kW·h）。通過采取在機組檢修中維修三通閥、保證安全前提下適當調整高壓缸軸封間隙、減小加熱器的運行端差、加強過熱器減溫水與再熱器減溫水的維護與管理、改造連排擴容器疏水調節閥、對凝結水泵加裝變頻器等有針對性的措施，徹底解決了上述問題。采取上述措施后，機組性能試驗結果表明，標準煤耗率下降5g／ （kW·h），顯著提高了機組運行的經濟性。

［1］ 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

［2］ 嚴俊杰，邢秦安，林萬超等.火電廠熱力系統經濟性診斷理論及應用 ［M］.西安：西安交通大學出版社，2000

［3］ 嚴俊杰，黃錦濤等.發電廠熱力設備及系統 ［M］.西安：西安交通大學出版社，2003

［4］ 李秀云，嚴俊杰，林萬超.用等效熱降法確定排汽壓力變化對機組經濟性的影響 ［J］ .熱能動力工程，1999 （5）

［5］ 李天軍，夏傳弟，苗錦華等.4×200MW 機組熱機運行規程（試行版）.神華億利能源有限責任公司，2007