超超臨界機組低溫省煤器考核試驗與節能分析

李 勇, 叢星亮, 陳 鑫, 張 駿, 楊 駿, 陳 劍, 吳鴻韜, 謝 紅

(國網安徽省電力公司電力科學研究院， 合肥 230061)

超超臨界機組低溫省煤器考核試驗與節能分析

李 勇, 叢星亮, 陳 鑫, 張 駿, 楊 駿, 陳 劍, 吳鴻韜, 謝 紅

(國網安徽省電力公司電力科學研究院， 合肥 230061)

基于某超超臨界660 MW燃煤火電機組低溫省煤器系統，采用試驗和熱力計算進行節能效果評價，試驗依據高精度的ASME PTC性能考核試驗標準，理論計算采用等效焓降理論，結果表明熱力計算與試驗測量得到的節能量基本一致。等效焓降法結合性能試驗，可以快速高效地研究機組各種熱力狀態下低溫省煤器的熱力特性，為機組經濟運行和節能優化提供指導建議。

超超臨界機組； 低溫省煤器； 等效焓降； 余熱利用

Abstract： Performance test and thermal analysis were conducted to evaluate the efficiency of a low-temperature economizer in typical 660 MW ultra supercritical coal-fired unit according to ASME PTC performance test code and using equivalent enthalpy drop theory, respectively. Combined the performance test with thermal calculation based on equivalent enthalpy drop theory, the thermal performance of the low-temperature economizer can be quickly and efficiently studied under various thermal conditions, which therefore may serve as a reference for economic operation, energy-saving and optimization of the unit.

Keywords： ultra supercritical unit; low-temperature economizer; equivalent enthalpy drop; waste heat recovery

根據中電聯統計數據，截至2015年6月底，全國6 000 kW及以上電廠裝機容量13.6億kW，同比增長8.7%，其中，火電占比69.1%，達到9.4億kW，雖然增速放緩，但仍是我國電力生產的主要方式。根據國家節能減排的戰略要求，提升發電效率、減少環境污染、降低煤耗水平是火電發展的主要方向[1]。近年來，隨著超超臨界機組大規模投產，高參數大容量的設計理念與先進技術工藝使得機組的發電效率大大提高，能耗水平大大降低，超超臨界機組已然成為我國火力發電的主力機組。新技術迎來新的挑戰，對于超超臨界機組，進一步降低煤耗的難度越來越大。因此，如何在當前機組水平普遍較好的情況下進一步提高機組效率水平、降低能耗，對于電力工業乃至全國的節能減排戰略而言意義重大[2]。

在火力發電能量轉化過程中，燃煤發熱量有很大一部分通過鍋爐排煙散失到周圍環境中，排煙損失是鍋爐熱損失中最大一項，而排煙溫度是影響這部分損失的主要因素，排煙溫度每提高10 K，排煙損失增加約0.6%～1%[3]。目前火電機組鍋爐排煙溫度在120～140 ℃，回收利用這部分煙氣余熱，降低排煙溫度，減少排煙損失，對于提高電廠經濟性有重要意義。低溫省煤器就是利用這部分熱量來加熱凝結水，從而減少抽汽量，增加做功和發電量。目前，安徽2015年新投產的4臺超超臨界機組都設置了低溫省煤器系統。超超臨界機組在熱力參數上與常規超臨界、亞臨界機組存在不同，需要在常規算法的基礎上進行一定的改進。筆者選取某新建660 MW超超臨界燃煤火電機組作為研究對象，對該機組的低溫省煤器系統采用等效焓降方法進行經濟性分析，并與機組的性能考核試驗結果進行對比驗證。

1 機組概況

機組鍋爐選用SG-2009/28-M6004型超超臨界參數、變壓運行、單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風、螺旋管圈直流鍋爐；汽輪機選用N660-27/600/600型一次中間再熱、四缸四排汽、單軸雙背壓凝汽式汽輪機。汽輪機采用模塊化設計，由四部分組成，包括一個反向單流高壓模塊、一個分流中壓模塊和二個分流低壓模塊。回熱系統采用“三高、四低、一除氧”的布置形式加熱凝結水(給水)。熱力系統簡圖見圖1，表1為回熱系統熱力參數。

圖1 熱力系統簡圖

加熱器抽汽壓力/MPa抽汽焓/(kJ·kg-1)抽汽量/(kg·s-1)出水溫度/℃疏水溫度/℃JG17.40403128.930.383291.4272.9JG25.27803051.148.004267.3226.9JG32.45303441.926.331221.3196.2CY1.12103218.414.412190.6JD50.51803020.817.891150.4128.9JD61)1.35102859.817.110123.3125.8JD70.03432566.89.71369.472.7JD80.01772463.311.58153.856.3注:1)6號低加疏水通過疏水泵輸送到5號低加入口

低溫省煤器布置在引風機出口和脫硫塔入口間的鍋爐尾部煙道中，這種布置方式有兩個好處：一是低溫省煤器在除塵器后，煙氣經過除塵后固體顆粒減少，可以降低對低溫省煤器受熱面的沖蝕磨損，減少裝置維護成本，延長設備使用壽命；另外，低溫省煤器出口緊鄰脫硫塔，脫硫塔在設計時就考慮到了酸露點腐蝕，這樣低溫省煤器出口煙溫可以降到裝置鋼材(ND鋼)的腐蝕下限，達到85 ℃左右，不僅增加了可利用余熱，還可以降低脫硫塔入口煙溫，減少耗水量。低溫省煤器水側部分由7號低加出口引入經過煙氣換熱器加熱后接入6號低加入口，這樣布置綜合考慮了省煤器的冷端腐蝕和煙、水的換熱端差，最大限度地回收利用煙氣余熱，而且裝置結構也比較簡單，便于調節和維護。低溫省煤器布置示意圖見圖2。

圖2 低溫省煤器布置簡圖

2 考核試驗

2.1 試驗方法

機組投產后立即進行了性能考核試驗，汽輪機和鍋爐同時進行。汽輪機試驗按照ASME PTC6—2004標準對包括熱耗率、出力、廠用電率、煤耗等性能參數進行測試。試驗測點按照ASME PTC6規程要求進行布置，其中：凝結水流量采用推薦的校驗精度達到0.25%的低β值喉部取壓長頸噴嘴測量，流量壓差由兩組獨立取壓孔雙重取壓；發電機功率采用0.01精度等級的YOKOGAWA WT3000型功率表測量；壓力和流量壓差采用0.075精度等級的ROSEMOUNT 3051型無線壓力變送器測量，并進行儀表校驗值、水柱高和大氣壓修正；溫度低于300 ℃的測點采用Pt100型鉑電阻測量，高于300 ℃采用工業Ⅰ級E型熱電偶測量，熱電偶冷端在數據采集系統自動補償；數據采集系統為FLUCK數據采集系統，可以自動記錄測量參數并進行數據處理；儲水容器水位使用機組DCS液位變送器測量數據。鍋爐試驗按照ASME PTC4—2008 標準進行，主要測量鍋爐效率、空氣預熱器漏風率等。

2.2 試驗結果分析

ASME PTC6標準試驗精度比較高，熱耗率的試驗結果不確定度為0.25%。汽輪機性能考核試驗要進行第一類系統修正和第二類參數修正，消除試驗工況與額定工況偏差的影響。這樣得到的試驗結果是在額定熱力循環下的汽輪機性能。筆者等效焓降分析采用額定參數進行計算，與試驗條件相符。

按照工業慣例，分析低溫省煤器熱經濟性時，一般把鍋爐尾部煙道吸收的排煙熱量視為余熱利用，作用于汽輪機的凝結水系統。而鍋爐排煙損失仍以空氣預熱器出口煙溫計算，不涉及其后的低溫省煤器，因此鍋爐效率不受低溫省煤器影響。

為了對比分析低溫省煤器系統的熱力特性，筆者進行了低溫省煤器停運(T1)和投運(T2)兩個額定工況的試驗。由于鍋爐熱效率不受低溫省煤器影響，筆者只在T2工況下汽輪機試驗的同時進行了鍋爐試驗，兩個工況的主要試驗結果見表2。

表2 T1和T2工況主要試驗結果

表2中的低溫省煤器投運工況：低溫省煤器煙氣側入口煙溫和出口煙溫分別為132.8 ℃和83 ℃，排煙溫度下降49.8 K，出口煙溫已經非常接近ND鋼腐蝕下限，排煙余熱得到最大限度利用。水側進、出口凝結水溫度分別為74.7 ℃和97.7 ℃，進水流量為1 223.33 t/h，煙氣余熱使6號低加入口水溫提高23 K，進水溫度升高減少加熱器進汽量。從表2中可以發現，低溫省煤器投運后，6級抽汽流量從66 t/h降到24 t/h左右。

低溫省煤器系統吸收煙氣余熱加熱凝結水，排擠回熱抽汽，這部分被排擠的抽汽返回汽輪機繼續膨脹做功，在燃料消耗量不變的情況下，增加了機組出力，提高了裝置經濟性。同樣發電負荷下，低溫省煤器會使機組主蒸汽流量減少，汽耗降低，熱耗也隨之下降。從表2中可以看出：低溫省煤器系統使機組熱耗下降了74 kJ/(kW·h)，代入T2工況的鍋爐效率及統計廠用電率，可以算出供電煤耗減少2.8 g/(kW·h)，機組裝置效率大約提高1.01%。需要指出的是，試驗是在夏天進行，空氣預熱器出口煙溫比較高，余熱利用量較大，機組經濟性提高明顯。機組正常運行時，低溫省煤器節能量與環境溫度有關，年平均統計節能量要小于試驗值。

3 熱經濟性理論計算

對低溫省煤器系統進行性能計算時，首先需要計算鍋爐排煙在低溫省煤器中的放熱量，然后將這部分煙氣余熱按照純熱量形式加入凝結水系統，用等效焓降方法進行經濟性分析。

3.1 可利用煙氣余熱計算

(1) 煙氣焓。

Iy=Igy+IH2O+Ifh=

(Vgy×cpgy+VH2O×cpH2O)+Ifh

(1)

式中：Igy、IH2O、Ifh分別為煙氣中干煙氣、水蒸氣和飛灰的焓值；Vgy、VH2O分別為干煙氣容積和水蒸氣容積；cpgy、cpH2O分別為干煙氣平均比定壓熱容和水蒸氣比定壓熱容，可查表。

其中，

式中：αfh為飛灰份額；ch為飛灰比熱容，可查表；ty為排煙溫度。

式中：α為過量空氣系數。

理論煙氣容積：

其中，

理論空氣量：

V0= 0.088 9w(Car)+0.375w(Sar)+

0.265w(Har)-0.033 3w(Oar)

水蒸氣容積：

理論水蒸氣容積：

(2) 實際煙氣焓降。

ΔIy=Iy1-Iy2

(2)

式中：Iy1和Iy2為低溫省煤器進口、出口煙氣焓值。

(3) 實際利用的煙氣余熱。

Q=B·ΔIy·?

(3)

式中：B為燃煤量；?為省煤器效率，取99%。

試驗工況(T2)下測得的低溫省煤器煙氣側入口煙溫和出口煙溫分別為132.8 ℃和83 ℃，過量空氣系數為1.142，試驗煤質分析見表3，代入式(1)～(3)可求出試驗工況下實際利用的排煙余熱為121 803 MJ/h。

表3 煤質分析

3.2 等效焓降分析

等效焓降法是基于熱力學的熱功轉換原理，考慮到設備質量、熱力系統結構和參數的特點，經過嚴密的理論推演，用簡捷的局部運算代替整個系統的繁雜計算，以研究熱功轉換和能量利用程度的一種方法[3]。等效焓降理論以主蒸汽流量不變為前提條件，根據已知的熱力參數就熱量和抽汽量的局部變化進行分析，從而求得經濟性的變化結果。

根據等效焓降理論，j級抽汽的等效焓降Hj是指單位質量抽汽從j級加熱器返回汽輪機的真實做功能力；抽汽效率則表示任意熱量進入j級加熱器時，該熱量在汽輪機轉換為功的份額或程度。這些參數以一次性供給，不必經常計算。根據熱平衡方程可推導出等效焓降和抽汽效率具體計算公式：

(4)

式中：hj為j級抽汽焓；hn為排汽焓；Ar視加熱器型式取值，若j為匯集式加熱器，則取值τr，若j為疏水放流式加熱器，則從j以下到(包括)匯集式加熱器取值γr，匯集加熱器之后取值τr；qr、τr和γr分別為加熱器單位質量抽汽放熱量、單位質量給水吸熱量和單位質量疏水放熱量；Hr為該級加熱器的等效焓降。

該公式也可運用于新蒸汽，把鍋爐視為匯集式加熱器即可。新蒸汽等效焓降計算公式如下：

(5)

式中：h0為新蒸汽焓；z為加熱器級數。

各級抽汽等效焓降推導出后，與加入熱量的比值為抽汽效率：

(6)

筆者所研究的超超臨界機組，選用了外置式疏水冷卻器等裝置，熱力系統比較復雜，為了方便等效焓降計算，對部分加熱器進行等效轉化，轉化前后加熱器的熱力平衡是等價的。機組7號低加和8號低加疏水進入外置式疏水冷卻器冷卻后進入凝汽器(見圖3(a))。為了便于計算，可以把8號低加和疏水冷卻器合并成一個換熱整體(見圖3(b))，其中7號低加疏水溫度不變，換熱整體疏水溫度為疏水冷卻器疏水溫度，換熱整體進水溫度為軸加出水溫度，這樣就可以按照常規的逐級自流疏水方式進行計算。

圖3 外置式疏水冷卻器等效轉化示意圖

由于機組剛投產不久，機組性能下降較小，熱力特性接近初始狀態，可根據額定熱力參數計算汽輪機各級抽汽的等效焓降和抽汽效率，結果見表4。

表4 各級抽汽等效焓降和抽汽效率

低溫省煤器系統將回收的煙氣余熱Q用以加熱凝結水使6號低加入水溫度提高，從而排擠部分抽汽返回汽輪機繼續做功。所以機組新蒸汽等效焓降增量為：

(7)

式中：D0為主蒸汽流量；φ6為6級抽汽的抽汽效率。

裝置效率相對增加：

(8)

式中：H為新蒸汽等效焓降。

則熱耗和煤耗降低：

ΔQHR=QHR·δη

(9)

ΔB=B·δη

(10)

把表4中計算出的抽汽等效焓降和抽汽效率代入式(7)～(10)可求出低溫省煤器系統對機組經濟性的影響(見表5)。

表5 低溫省煤器經濟性等效焓降計算

通過等效焓降計算可推導出，在試驗工況煙溫降下，低溫省煤器系統使機組裝置效率提高1.04%，機組熱耗降低77 kJ/(kW·h)。代入試驗工況的廠用電率和鍋爐效率，可以進一步計算出供電煤耗減少2.87 g/(kW·h)。各項經濟性指標與試驗結果非常接近，計算精度滿足工程要求。這說明，對于研究低溫省煤器系統，等效焓降理論是一種行之有效、簡單實用，又具有很高精度的方法。

對于低溫省煤器這種引起熱力系統局部變化的設備，如果采用試驗方法研究，需要對整個熱力系統進行測試，試驗工況越多，試驗成本越高，試驗周期越長。而采用等效焓降方法，可以只進行簡單的局部計算代替整體計算，工作量較小，但需要知道機組現階段的熱力狀態，新機組運行時間不長，可以用制造廠提供的額定參數，老機組運行時間較長，性能變化比較大，熱力狀態參數必須通過熱力試驗確定。因此，研究低溫省煤器系統比較好的手段是理論計算與試驗相結合，通過試驗獲得機組現階段的運行狀況和熱力參數，然后應用于理論計算，利用理論計算代替部分試驗對熱力系統局部變化進行方便快捷的經濟性分析，指導機組安全節能運行。

4 結語

通過對超超臨界機組低溫省煤器系統的經濟性分析和試驗研究，可以得出以下結論：

(1) 低溫省煤器作為一種回收煙氣余熱的裝置，可以大幅降低排煙溫度，提高機組運行經濟性，對于大容量、高參數的超超臨界機組，效果明顯。

(2) 運用等效焓降理論對低溫省煤器系統進行經濟性分析，簡單快捷、易于實現，并有很高的精度。

(3) 理論計算與試驗方法相結合是分析低溫省煤器系統行之有效的方法，通過試驗獲得機組真實狀況用于理論計算，代替部分試驗進行研究，節省成本，提高效率。

[1] 徐順喜,吳志祥. 1 000 MW機組低溫省煤器項目的技術經濟性分析[J]. 上海電力學院學報, 2014, 30(1): 94-100.

[2] 徐鋼,許誠,楊勇平,等. 電站鍋爐余熱深度利用及尾部受熱面綜合優化[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(14): 1-8.

[3] 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: 22-30.

PerformanceTestandEconomicalAnalysisofaLow-temperatureEconomizerinanUltraSupercriticalCoal-firedUnit

Li Yong, Cong Xingliang, Chen Xin, Zhang Jun, Yang Jun, Chen Jian, Wu Hongtao, Xie Hong

(State Grid Anhui Electric Power Research Institute, Hefei 230601, China)

2016-12-27；

2017-01-19

李 勇(1987—)，男，工程師，主要從事熱力系統研究工作。

E-mail: liy086@qq.com

TK223.33

A

1671-086X(2017)05-0321-05