0號(hào)高壓加熱器應(yīng)用現(xiàn)狀及其對(duì)機(jī)組性能影響

張彥鵬 ，鄭　威 ，韓　悅 ，郭　盈 ，陳　奇

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東　濟(jì)南　250003；2.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，山東　濟(jì)南　250003）

0　引言

根據(jù)2014年9月12日國(guó)家發(fā)改委、環(huán)保部、能源局聯(lián)合制定的 《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》的要求和機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間處于低負(fù)荷運(yùn)行的現(xiàn)狀，發(fā)電企業(yè)在新建和改造火電機(jī)組時(shí)，特別重視節(jié)能新技術(shù)的應(yīng)用。為提高機(jī)組在低負(fù)荷工況下的運(yùn)行效率，回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化是值得關(guān)注的一個(gè)重要方向。而回?zé)峒訜崞骷?jí)數(shù)是影響回?zé)嵯到y(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性的主要因素之一。隨著回?zé)峒訜崞骷?jí)數(shù)的增加，給水溫度升高，機(jī)組的循環(huán)熱效率也提高[1]。增設(shè)0號(hào)高壓加熱器（簡(jiǎn)稱0號(hào)高加）是一種在低負(fù)荷下具有節(jié)能減排效益，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性以及脫硝裝置投入率的措施之一。

1　0號(hào)高壓加熱器及其應(yīng)用現(xiàn)狀

在回?zé)嵯到y(tǒng)中，1號(hào)高壓加熱器后與鍋爐省煤器前增設(shè)1個(gè)高壓加熱器用來加熱給水；高壓加熱器的蒸汽是由1級(jí)抽汽前的高壓缸某級(jí)后抽出；高壓加熱器的疏水采用逐級(jí)自流至1號(hào)高加或除氧器，滿足上述條件的高壓加熱器稱為0號(hào)高壓加熱器。0號(hào)高加技術(shù)現(xiàn)階段只應(yīng)用在部分超超臨界機(jī)組上。

1.1　0號(hào)高壓加熱器的汽源選取

0號(hào)高壓加熱器選取參數(shù)合適且不影響機(jī)組安全性的高壓汽源十分重要；根據(jù)機(jī)組結(jié)構(gòu)不同，0級(jí)抽汽的汽源按以下兩種情況選取。

1.1.1　具備補(bǔ)汽閥的機(jī)組汽源選取

超超臨界機(jī)組中補(bǔ)汽閥是指在每個(gè)主汽閥后、調(diào)節(jié)閥前引出1根新蒸汽管道，接入1個(gè)外置補(bǔ)汽調(diào)節(jié)閥，將新蒸汽節(jié)流后送入高壓缸第5級(jí)動(dòng)葉后空間。補(bǔ)汽閥在機(jī)組額定負(fù)荷以上超發(fā)和快速響應(yīng)一次調(diào)頻要求時(shí)才使用，機(jī)組低負(fù)荷時(shí)采用主汽調(diào)節(jié)閥全開的滑壓運(yùn)行方式，不使用補(bǔ)汽閥[2]。機(jī)組就是借助汽輪機(jī)現(xiàn)有的補(bǔ)汽閥，閥后導(dǎo)汽管上設(shè)置三通；在低負(fù)荷時(shí)利用高壓缸補(bǔ)汽閥接口抽汽送至0號(hào)高加。0號(hào)高加與補(bǔ)汽閥進(jìn)汽共用一個(gè)接口，通過補(bǔ)汽閥和0號(hào)高加抽汽管路的快關(guān)調(diào)節(jié)閥切換，具體見圖1。

圖1　具備補(bǔ)汽閥的機(jī)組汽源選取

具備補(bǔ)汽閥的機(jī)組中0級(jí)抽汽的汽源選取優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)汽閥在低負(fù)荷時(shí)處于停用狀態(tài)，而0號(hào)高加主要作用就是提高低負(fù)荷時(shí)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，既具有節(jié)能減排功效又合理利用了補(bǔ)汽閥，同時(shí)安全性能高，設(shè)備投資成本低，安裝簡(jiǎn)易、快捷，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單；其缺點(diǎn)是汽源采用高壓缸第5級(jí)動(dòng)葉后，需減壓降焓再接入0號(hào)高加，存在一定的節(jié)流損失，降低機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

華能威海發(fā)電廠、銅山華潤(rùn)電力有限公司、浙江浙能臺(tái)州第二發(fā)電廠、外高橋第三發(fā)電廠等均采用此方案。

1.1.2　不具備補(bǔ)汽閥的機(jī)組汽源選取

對(duì)于沒有補(bǔ)汽閥的機(jī)組，無論是新建機(jī)組還是改造機(jī)組，0級(jí)抽汽的汽源都存在如何優(yōu)選的問題，一般都是根據(jù)各負(fù)荷條件下加權(quán)平均熱耗降低幅度最大的原則進(jìn)行汽源優(yōu)選，最佳的汽源應(yīng)選取高壓缸第7級(jí)動(dòng)葉后，經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算，確定選取高壓缸第9級(jí)后為0級(jí)抽汽的汽源[3]，如圖2所示。

圖2　不具備補(bǔ)汽閥的機(jī)組汽源選取

不具備補(bǔ)汽閥的機(jī)組中0級(jí)抽汽的汽源是經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算的最佳汽源，不需要減壓降焓，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性較高；其缺點(diǎn)是需要驗(yàn)證外缸的強(qiáng)度、剛性，安全性能無法保證，設(shè)備投資成本高，加工難，尤其是在高壓缸上打孔，運(yùn)行維護(hù)難。

此方案處于理論研究階段，投資成本高，回收年限長(zhǎng)，目前還沒有發(fā)電企業(yè)采用此方案。

1.2　0號(hào)高加的安裝方式

增設(shè)的0號(hào)高加與其他高加系統(tǒng)有所不同，0號(hào)高加水側(cè)有采用通過全部給水和部分給水兩種方式，對(duì)于超超臨界機(jī)組，通過全部給水對(duì)于0號(hào)高加的制造工藝要求高、投資高、運(yùn)行安全性差，大部分發(fā)電企業(yè)采用部分給水通過0號(hào)高加的方式。對(duì)于1 000 MW機(jī)組有單列高壓加熱器和雙列高壓加熱器之分，安裝方式又有不同。

1.2.1　單列高壓加熱器安裝方式

0號(hào)高加作為最后一級(jí)給水高壓加熱器，布置在進(jìn)入省煤器前的給水管道上，而660 MW及以上超超臨界機(jī)組多數(shù)設(shè)置了3號(hào)高加的外置式蒸汽冷卻器（以下簡(jiǎn)稱蒸汽冷卻器），針對(duì)上述情況0號(hào)高加安裝方式通常有以下3種方案。

方案一。對(duì)于設(shè)置蒸汽冷卻器的機(jī)組，0號(hào)高加與蒸汽冷卻器并聯(lián)。一部分給水通過0號(hào)高加，另一部分給水通過蒸汽冷卻器，兩部分給水混合流向省煤器，具體見圖3，其中0號(hào)高加可以與1～3號(hào)高加共用一套高壓給水旁路系統(tǒng)，可節(jié)省投資；0號(hào)高加正常疏水可以采用逐級(jí)自流的疏水方式，即疏水至1號(hào)高加，但逐級(jí)自流方式系統(tǒng)稍復(fù)雜，也要考驗(yàn)1～3號(hào)高加的疏水流通能力；也可疏水至除氧器或凝汽器，但經(jīng)濟(jì)性差；事故疏水至高加事故疏水?dāng)U容器。機(jī)組正常運(yùn)行中高負(fù)荷時(shí)，切除0級(jí)抽汽，0號(hào)高加不投運(yùn)，0號(hào)高加相當(dāng)于一個(gè)給水通道，有壓降，經(jīng)濟(jì)性稍差；低負(fù)荷時(shí)，0號(hào)高加投運(yùn)，控制0級(jí)抽汽的調(diào)節(jié)閥開度，進(jìn)而控制0級(jí)抽汽量，防止超壓。

圖3　0號(hào)高加與蒸汽冷卻器并聯(lián)

方案二。對(duì)于設(shè)置蒸汽冷卻器的機(jī)組，0號(hào)高加與蒸汽冷卻器串聯(lián)。一部分給水通過蒸汽冷卻器和0號(hào)高加，另一部分給水通過新增的給水管路流向省煤器，具體見圖4。與方案一相同，為減少投資，0號(hào)高加可以與原高加共用一套高壓給水旁路系統(tǒng)；0號(hào)高加正常疏水可以采用逐級(jí)自流的方式，疏水至1號(hào)高加，也可疏水至除氧器或凝汽器。在給水管道上設(shè)置三通并聯(lián)一個(gè)給水管道，在新增管道上設(shè)置調(diào)節(jié)閥，控制通過0號(hào)高加和蒸汽冷卻器的給水流量。

圖4　0號(hào)高加與蒸汽冷卻器串聯(lián)

方案三。對(duì)于少數(shù)沒有設(shè)置蒸汽冷卻器的機(jī)組，0號(hào)高加安裝在1號(hào)高加之后，同時(shí)并聯(lián)一根給水管道，見圖5。為減少投資，0號(hào)高加可以與原高加共用一套高壓給水旁路系統(tǒng)；0號(hào)高加正常疏水可以采用逐級(jí)自流的方式，疏水至1號(hào)高加，也可疏水至除氧器或凝汽器。在給水管道上設(shè)置三通并聯(lián)一根給水管道，在新增管道上設(shè)置調(diào)節(jié)閥，間接調(diào)節(jié)通過0號(hào)高加的給水流量。

圖5　沒有蒸汽冷卻器機(jī)組0號(hào)高加安裝方式

上述3種方案的具有如下特點(diǎn)。

1）3種方案投資費(fèi)用相差不多。

2）機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于有蒸汽冷卻器的機(jī)組，從理論上講，兩股給水混合，溫差越大，不可逆損失越大，混合后的給水溫度也就越低，顯然方案一不僅能最大限度地發(fā)揮蒸汽冷卻器和0號(hào)高加功效，同時(shí)又能保證給水溫度的提高，方案一較優(yōu)；對(duì)于沒有蒸汽冷卻器的機(jī)組會(huì)選擇方案三，可以使用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)通過0號(hào)高加的給水份額，調(diào)節(jié)方便快捷，也可在負(fù)荷較低時(shí)，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，使所有給水經(jīng)過0號(hào)高加，來保證給水溫度最大限度地升高。

3）機(jī)組運(yùn)行調(diào)節(jié)。3種方案中0號(hào)高加都參與機(jī)組的調(diào)頻。不同方案相同負(fù)荷、同種方案不同負(fù)荷運(yùn)行調(diào)節(jié)能力以及效果都是不同的，要根據(jù)0號(hào)高加的運(yùn)行參數(shù)分析制定相應(yīng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)方式和方法；增加運(yùn)行人員的工作量和運(yùn)行知識(shí)的儲(chǔ)備，運(yùn)行調(diào)節(jié)系統(tǒng)更加復(fù)雜。方案三，對(duì)于沒有蒸汽冷卻器的機(jī)組運(yùn)行調(diào)節(jié)相對(duì)簡(jiǎn)單。

浙江浙能臺(tái)州第二發(fā)電廠采用技改方案一，華能威海發(fā)電廠采用方案三。

1.2.2　雙列高壓加熱器安裝方式

對(duì)于1 000 MW機(jī)組設(shè)有雙列高壓加熱器的形式，采用0號(hào)高加安裝在其中的一列高加管路上（假設(shè)A列），另一列管路上安裝給水調(diào)節(jié)閥（B列），變負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)B列給水調(diào)節(jié)閥來控制通過B列的給水流量，實(shí)現(xiàn)提高給水溫度后的經(jīng)濟(jì)性和安全性[4]。選取哪一列高加進(jìn)行增設(shè)0號(hào)高加，可以根據(jù)實(shí)際情況確定，如圖6所示。

圖6　雙列高壓加熱器安裝方式

此方案經(jīng)濟(jì)性及特點(diǎn)。

1）機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。某電廠汽輪機(jī)組在部分負(fù)荷段增設(shè)0號(hào)高加降低的熱耗率（未考慮鍋爐效率），如圖7。

圖7　增設(shè)0號(hào)高加后汽輪機(jī)熱耗率降低值

2）機(jī)組運(yùn)行調(diào)節(jié)。變負(fù)荷時(shí)通過控制B列出口調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)入0號(hào)高加給水流量，為保證B列高加換熱能力，B列高加給水出口調(diào)節(jié)閥必須設(shè)定調(diào)節(jié)下限。運(yùn)行時(shí)操作方便，調(diào)節(jié)空間大。

3）高加疏水問題。某廠運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示當(dāng)負(fù)荷在60%以上時(shí)，0號(hào)高加控制邏輯能滿足正常運(yùn)行要求，當(dāng)60%以下負(fù)荷時(shí)由于0號(hào)高加疏水量達(dá)到150 t／h及A列高加給水流量增加后，A列高加抽汽量增加，高加正常疏水調(diào)節(jié)閥全開，不能滿足正常調(diào)節(jié)需要，60%以下負(fù)荷時(shí)需要人為干預(yù)0號(hào)高抽汽調(diào)節(jié)閥壓力，0號(hào)高加在60%以下負(fù)荷時(shí)經(jīng)濟(jì)性降低。為解決這一問題將0號(hào)高加疏水進(jìn)入A列1號(hào)高加的同時(shí)，新增疏水管道疏水至B列1號(hào)高加，這樣既保證了A列高加水位調(diào)整有裕度，又能提髙B列高加的做功能力，實(shí)現(xiàn)增加0號(hào)高加后機(jī)組全負(fù)荷變工況運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，見圖6。

此方案在銅山華潤(rùn)電力有限公司得到應(yīng)用。

2　0號(hào)高壓加熱器對(duì)機(jī)組性能的影響

2.1　0號(hào)高加對(duì)機(jī)組節(jié)能效果的影響

0號(hào)高加節(jié)能效益：1）提高機(jī)組低負(fù)荷下的給水溫度，多增加一級(jí)抽汽提高了循環(huán)吸熱過程的平均溫度，進(jìn)而提高了整個(gè)熱力循環(huán)的循環(huán)效率[5]；2）抽汽進(jìn)入給水系統(tǒng)使得進(jìn)入汽輪機(jī)凝汽器的汽量減少，汽輪機(jī)的冷端損失降低，從而降低汽輪機(jī)熱耗；3）改善鍋爐在低負(fù)荷下的穩(wěn)燃性能；4）0級(jí)抽汽管道上設(shè)置的調(diào)節(jié)閥具備一定的調(diào)頻能力，和凝結(jié)水節(jié)流配合，可以降低汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的節(jié)流度，進(jìn)一步降低能耗。

通過機(jī)組在低負(fù)荷下運(yùn)行的權(quán)重比例計(jì)算，可降低供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗約 1 g／kWh[5]；另外結(jié)合低溫省煤器，可將排煙熱量進(jìn)行回收，避免余熱損失增加。

2.2　0號(hào)高加對(duì)環(huán)保的影響

0號(hào)高加提高了最終給水溫度，減少了給水在省煤器內(nèi)吸收的熱量，可提高省煤器出口煙溫。因此在低負(fù)荷下，省煤器的給水溫度提高，脫銷設(shè)備進(jìn)口煙溫相應(yīng)升高，不僅提高了SCR脫硝效率，降低了脫硝成本，而且可減緩催化劑的老化速度，有利于脫銷設(shè)備的運(yùn)行可靠性，具有很好的環(huán)保效益。

2.3　0號(hào)高加對(duì)機(jī)組運(yùn)行安全性的影響

對(duì)高壓缸通流部分的影響。補(bǔ)汽閥進(jìn)汽口位于高壓缸某級(jí)后（如高壓缸第五級(jí)），如果改為抽汽，補(bǔ)汽閥后壓力要根據(jù)0號(hào)高加的進(jìn)汽參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，壓力就會(huì)降低，造成級(jí)組葉片前后壓差增加，對(duì)葉片強(qiáng)度產(chǎn)生影響，因此高壓缸通流葉片強(qiáng)度需重新校核或設(shè)計(jì)。

對(duì)汽輪機(jī)軸向推力和軸振動(dòng)的影響。采用增設(shè)0號(hào)高加方案，相對(duì)于原設(shè)計(jì)，高壓平衡活塞前的壓力由于抽汽而降低，使平衡能力下降；這便需要重新校核或修改設(shè)計(jì)通過抬高轉(zhuǎn)子平衡活塞的高度來滿足推力要求，以保證機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性。

對(duì)汽輪機(jī)高壓外缸的影響。對(duì)于沒有補(bǔ)汽閥的機(jī)組改造，在高壓缸1級(jí)抽汽前增設(shè)0級(jí)抽汽，需要對(duì)高壓外缸的強(qiáng)度進(jìn)行重新校驗(yàn)。

3　結(jié)語

采用補(bǔ)汽閥技術(shù)的汽輪機(jī)均具備采用0號(hào)高加技術(shù)的條件；對(duì)于沒有補(bǔ)汽閥的機(jī)組，改造成本高，對(duì)原熱力系統(tǒng)影響大，安全性能較低，一般不考慮增設(shè)0號(hào)高加。在機(jī)組部分負(fù)荷時(shí)0號(hào)高加的投入不僅使給水溫度得到升高，尤其對(duì)脫硝裝置具有較好作用，一定程度上解決了低負(fù)荷工況時(shí)脫硝裝置因煙溫低而自動(dòng)退出運(yùn)行的問題，擴(kuò)大了脫硝設(shè)備投運(yùn)的負(fù)荷范圍，節(jié)能減排效果明顯。增設(shè)0號(hào)高加對(duì)機(jī)組運(yùn)行的安全性造成明顯的影響，汽輪機(jī)高壓缸通流部分的強(qiáng)度需要進(jìn)行重新校核或設(shè)計(jì)。

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