雙列運行機組增設外置式蒸汽冷卻器方案對比分析及應用

朱曉磊， 李劍寧， 張 胤，

(1. 上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240； 2. 上海上電漕涇發電有限公司， 上海 201500)

針對《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020)》中現役燃煤發電機組平均供電煤耗低于310 g/(kW·h)的要求，大型發電機組為了提高熱經濟性，普遍采用蒸汽中間再過熱技術。由于再熱蒸汽提高了中、低壓缸部分的抽汽過熱度，當與之對應的加熱器出口水溫不變時，該加熱器的換熱端差和不可逆損失加劇。按熱量法分析，抽汽過熱度提高，使抽汽焓增加，減小了相應加熱器所需的抽汽量，回熱抽汽做功比降低，從而削弱了回熱效果。若能利用這部分過熱度的高品位熱能，增加加熱器出口受熱面即裝設蒸汽冷卻器來提高該級加熱器乃至整個回熱系統的出口水溫，將會大大改善這種不利狀況。

3號抽汽的過熱度較大，針對3號抽汽設置蒸汽冷卻器成為最有效提高機組熱經濟性的措施之一[1]。蒸汽冷卻器可分為內置式和外置式，考慮到內置式蒸汽冷卻器對抽汽的過熱度利用有限，并且泄漏量占高壓加熱器(簡稱高加)系統內泄外漏量的25%以上，另外無法單獨退出運行，設備異常時影響整個高加系統的運行，外置式蒸汽冷卻器成為有效利用抽汽過熱度從而提高機組熱經濟性的主要形式。

陳杭杰[2]對某1 000 MW超超臨界機組加裝外置式蒸汽冷卻器進行了可行性分析，結果表明在額定工況下提高給水溫度2.97 K，降低發電煤耗0.34 g/(kW·h)。牛中敏等[3]對增設外置式蒸汽冷卻器進行了熱經濟性分析，結果表明提高給水溫度4.9 K，降低發電煤耗0.65 g/(kW·h)。田家平等[4]對增設外置式蒸汽冷卻器各環節進行了優化設計，建議將其布置在獨立平臺為宜，可提高給水溫度5.6 K，降低發電煤耗0.66 g/(kW·h)。闞偉民等[5]對增設外置式蒸汽冷卻器進行了變工況分析，結果表明系統具有良好的變負荷特性，更適合低負荷情況下的高經濟性運行。劉鐵映[6]對外置式蒸汽冷卻器結構設計進行了分析，指出在設計時要均衡考慮結構和熱力分布，兼顧加熱器性能和經濟性。

綜上所述，研究工作主要集中在增設外置式蒸汽冷卻器前后的熱經濟性變化和蒸汽冷卻器本體的結構設計，對于實際工程中特別是復雜熱力系統(如雙列運行的百萬機組)不同外置式蒸汽冷卻器布置方案分析較少。因此，筆者以某雙列運行的百萬機組為例，對比增設外置式蒸汽冷卻器的不同方案，以期為同類機組改造提供借鑒與參考。

1 方案對比

3號抽汽在進入3號高加前，先經過外置式蒸汽冷卻器加熱鍋爐給水，而后再流入3號高加，由此提高省煤器入口的給水溫度。由文獻[7]可知：在機組滿負荷時，抽汽壓力≥1.034 MPa；離開蒸汽冷卻段時還有42 K的富裕過熱度；蒸汽在過熱段流動阻力≤0.034 MPa；過熱段內管壁是干燥的，其端差為-1.7～0 K；同時滿足這些條件設置蒸汽冷卻器才是合理的。此外，增設外置式蒸汽冷卻器后須要保證給水在省煤器中至少有10 K的溫度欠焓以避免給水汽化；除氧器抽汽量增大須要核算抽汽管道內蒸汽流速，校驗除氧器是否過飽和等。

通過對改造前百萬機組的熱平衡圖進行分析，發現省煤器、除氧器中給水仍有較大的溫度裕量，3號高加抽汽壓力、溫度和流量均具備增設外置式蒸汽冷卻器的條件，最大排汽量并未增加，不影響凝汽器運行背壓，給水流量也無變化，無須改造給水泵。分析表明常規百萬機組均具備增設外置式蒸汽冷卻器的條件。

由于百萬機組為雙列運行，其熱力系統較為復雜，為增設外置式蒸汽冷卻器提供了多重選擇，筆者對工程中增設外置式蒸汽冷卻器不同方案進行了對比分析。

1.1 連接方式

根據蒸汽冷卻器在給水系統中的位置和連接方式不同，外置式蒸汽冷卻器的連接方式可分為串聯和并聯，見圖1。串聯方式將外置式蒸汽冷卻器放置于最末級高加(1號高加)之后，與其串聯，給水經過各級高加加熱后，再進入外置式蒸汽冷卻器加熱；并聯方式為外置式蒸汽冷卻器與最末級的兩級換熱器(1號、2號高加)并聯。進入外置式蒸汽冷卻器的給水質量流量占總給水質量流量的比為給水分流系數x。給水被3號高加加熱后分流，(1-x)份額給水進入最末兩級高加，x份額給水進入外置式蒸汽冷卻器，分別被加熱后匯合進入省煤器。

圖1 連接方式

對比兩種連接方式，串聯方式的優點是進水溫度高，傳熱平均溫差小，效益較為顯著，缺點是增加了部分給水系統的阻力，給水泵出力增大；并聯方式的優點是給水系統的阻力較串聯方式小，缺點是進蒸汽冷卻器的給水溫度較低，傳熱溫差大，而且進入下一級加熱器的主給水量減少，相應的回熱抽汽量減少，因此熱經濟性改善程度較差[8]。

圖2為連接方式及x對經濟性的影響。由圖2可知：隨著x的提高，給水溫度提高幅度下降，當x=0.144時，給水溫度低于改造前未增設外置式蒸汽冷卻器系統，此時增設外置式蒸汽冷卻器的熱經濟性反而降低；而當x降低時，雖然并聯方式的給水溫度提高有可能會超過串聯方式，但當x=0.038時，給水在外置式蒸汽冷卻器中會發生沸騰形成干燒。

圖2 連接方式經濟性對比

因此，若采用并聯方式增設外置式蒸汽冷卻器，應控制x在0.038～0.144才能提高熱經濟性，但該范圍還須要跟隨負荷不斷調整，且熱經濟性收益大多低于串聯方式。因此，在給水泵壓頭具有一定裕量的情況下，為提高外置式蒸汽冷卻器的效果，盡可能的減少汽輪機熱耗，降低煤耗，優先選用串聯連接方式。

1.2 工藝位置

采用串聯方式，針對外置式蒸汽冷卻器串接安裝位置區別，可進一步分為母管串聯和單列串聯兩種方式，具體見圖3。

圖3 工藝位置

母管串聯方式是在A、B兩列給水匯合后的母管上設置外置式蒸汽冷卻器，并加裝阻力相當的節流孔板與其并聯；給水分別從A、B兩列經各級高壓加熱器加熱后，在母管匯合?；旌暇鶆蚝蟮慕o水再次分流，其中50%的給水經外置式蒸汽冷卻器，50%的給水經節流孔板，而后匯合進入鍋爐省煤器。

單列串聯方式是在其中一列(以A列為例)1號高加之后加設外置式蒸汽冷卻器與其串聯，給水在經過蒸汽冷卻器后產生壓力損失，須要在B列上加設節流裝置來平衡此列管道的壓力以保證自外置式蒸汽冷卻器的給水能與B列順利匯流。

數據模型。通過數據模型建立網絡為基礎的數據分析挖掘模型，最終形成立體模型。保證可于各種維度產生不同的數據為行業發展提供數據支持。

對比兩種工藝位置優缺點(見表1)，其正常運行時流量、溫度等參數均無差別，當外置式蒸汽冷卻器出現故障(主要考慮如發生鋼管泄漏)須要切除運行時，其水側流動方式有差別。在母管串聯方案中，外置式蒸汽冷卻器前后新增的給水進出口閥門關閉，給水全部流經節流孔板，由于附加阻力的存在，會影響給水流量；而在單列串聯方案中，原有A列給水進出口閥門關閉，給水側整個A列切除旁路系統，會影響給水溫度。單列串聯少增加2個高壓閥，減少了故障和泄漏的可能，并且投資較低，高加控制系統改造較小，可以沿用原控制邏輯。在經濟收益相同時，單列串聯的投資回報更好，擬采用單列串聯方式。

表1 工藝位置優缺點對比

1.3 安裝高度

綜合考慮現場設備布置，當新增的外置式蒸汽冷卻器和3號高加同層時，必須考慮設置水位保護功能。為提供疏水自流所需壓頭，在該平臺上設置了3 m高的外置式蒸汽冷卻器基座，省去了疏水排放系統和水位保護系統，大大降低了系統初投資，且將外置式蒸汽冷卻器和3號高加視為一個設備，增加了系統安全性，同時降低了系統運維成本。因此，為外置式蒸汽冷卻器和3號高加設置一定的高度差是一種較經濟和安全的設計方案。

1.4 施工工藝

當采用母管串聯方式連接時，考慮過熱度利用率的不同，在現場施工工藝上仍可分為兩種工藝方案(見圖4)：工藝一為切除3號高加蒸汽冷卻段以最大程度利用過熱度的工藝，取消3號高加蒸汽冷卻段，即拆除蒸汽冷卻段的蒸汽擋板，使原蒸汽冷卻段和凝結段合并成一個大的凝結段；工藝二為3號高加不改變的過熱度情況下利用率較低的工藝，不改變3號高加，設置較小的外置式蒸汽冷卻器，保證蒸汽在原3號高加蒸汽冷卻段不發生冷凝。

圖4 施工工藝

采用工藝一，相當于把3號高加的內置式蒸冷段移至1號高加之前，使順流換熱器局部實現逆流布置，因此能有效提高傳熱性能，提高熱經濟性。以某典型百萬機組汽輪機熱耗驗收(THA)工況為設計工況，分別計算應用兩種工藝后的運行參數見表2。

表2 施工工藝運行參數對比

在工藝一中，當3號高加蒸汽冷卻段切除后，外置式蒸汽冷卻器對3號抽汽過熱度利用率較高，出口水溫可達298.35 ℃，而工藝二中3號高加蒸汽冷卻段不切除時出口水溫僅為295.1 ℃，分別與節流裝置側的給水混合后，工藝一給水溫度比工藝二給水溫度提高1.63 K，可多降低煤耗0.17 g/(kW·h)。此外，為了保證3號高加蒸汽冷卻段不產生濕冷，其蒸汽進口溫度最低應為390 ℃，以此為邊界條件設計外置式蒸汽冷卻器，給水質量流量按照總質量流量的10%～50%，得到外置式蒸汽冷卻器面積約為50 m2。面積非常小，結構不合理，無法進行設計生產。綜合考慮，采用工藝一可最大程度利用蒸汽過熱度。

1.5 節流裝置

為匹配A列外置式蒸汽冷卻器的壓力損失，須要在B列設置節流設備，如節流孔板或調節閥(見圖5)。調節閥用于調節介質的流量、壓力和液位。根據調節部位信號，自動控制閥門的開度，從而達到介質流量、壓力和液位的調節，特別適用于流量大、壓降高和泄漏少的場合。節流孔板具有結構簡單、易加工、制造成本低、安裝方便等優點，在滿足工藝要求的前提下，使用節流孔板代替調節閥來限定流量或降低壓力，將會大大地降低投資和操作維修費用，特別適用于壓降低、精度要求不高的地方。

圖5 節流裝置

當選用節流孔板，50%質量流量給水經過外置式蒸汽冷卻器；當選用調節閥，極端情況下100%質量流量給水經過蒸汽冷卻器。在THA工況下，采用兩種節流裝置時，外置式蒸汽冷卻器的運行參數見表3。

表3 采用不同節流裝置下外置式蒸汽冷卻器運行參數

綜合對比兩者的初始投資、運行成本以及節煤效果，發現煤耗差別較小而投資差別較大，因此初步選定節流孔板方案?？紤]到外置式蒸汽冷卻器的阻力與給水的壓力相比較小，考慮成本問題可選用單級孔板。

2 應用分析

2.1 機組簡介

表4 3號高加抽汽和給水參數

2.2 改造步驟

圖6為外置式蒸汽冷卻器結構設計圖。

圖6 外置式蒸汽冷卻器結構設計圖

增加的核心設備分別有外置式蒸汽冷卻器、節流孔板、給水進口及出口管道、蒸汽進口及出口管道、閥門、自動測控系統等，輔助設備包括危急疏水管路、安全閥、沖氮保護接口及化學清洗接口等，主要改造為對3號高加的蒸汽冷卻段切除。改造步驟包括：增設外置式蒸汽冷卻器，設置基座平臺；改造3號高加，切除蒸汽冷卻段；熱工控制系統改造，增設遠程及就地顯示儀表；基礎改造，強度校核及局部補強。

2.3 效果分析

當機組由THA工況負荷逐漸降低負荷時，3號高加的蒸汽進口溫度基本維持不變，飽和溫度及其出口溫度均降低，則外置式蒸汽冷卻器中蒸汽過熱度隨著負荷變小而增加，3號高加蒸汽過熱度隨著負荷變小而降低(見圖7)。

大型燃煤發電機組在變負荷時通常采用滑壓運行的方式。當負荷降低時，蒸汽壓力降低，但蒸汽溫度基本維持不變，由此導致抽汽飽和度隨著負荷降低而迅速降低，抽汽過熱度迅速升高，這表明采用常規熱力系統的機組在低負荷運行時，抽汽過熱問題比設計工況更嚴重，蒸汽進出口溫差較大，容易造成設備熱應力形變，使3號高加成為最容易發生事故的設備之一。而當安裝了外置式蒸汽冷卻器后，機組在低負荷運行時即使采用滑壓運行的方式，3號高加的過熱度也能有所降低，這表明增設外置式蒸汽冷卻器有效解決了3號高加過熱度迅速增大的問題，而對于外置式蒸汽冷卻器本身，其入口蒸汽的過熱度卻有所提高，使換熱效果更佳。綜上所述，外置式蒸汽冷卻器在低負荷時改善過熱度的效果更明顯。

圖7 安裝外置式蒸汽冷卻器后設備入口蒸汽過熱度

增設外置式蒸汽冷卻器后，3號高加和除氧器的抽汽質量流量均會發生變化(見圖8)，其變化量與外置式蒸汽冷卻器的阻力與傳熱量相關。改造項目應兼顧系統安全性，增設外置式蒸汽冷卻器后抽汽量變化均極小，表明增設外置式蒸汽冷卻器后不增加管道的沿程阻力，同時不排擠除氧器抽汽。

圖8 改造前后抽汽質量流量變化

采用外置式母管部分流量串聯蒸汽冷卻器后，機組的運行經濟性指標見表5。給水溫度提高2.96～3.42 K，改造對鍋爐性能和效率基本沒有影響。選擇性催化還原(SCR)脫硝系統入口煙溫提高1.17～1.68 K，有利于低負荷工況下SCR脫硝系統的安全運行。結合該廠全年運行時間分布特性，平均標準煤耗降低0.402 g/(kW·h)，單臺機組年節約標煤1 752 t，投資回報期5.79 a(按煤價850 元/t、初始投資820萬元計算，包含建設期)，具有較好的節能減排綜合效益。

表5 運行經濟性指標

3 結語

筆者對雙列運行的百萬機組增設外置式蒸汽冷卻器進行了工藝對比和性能分析，得到如下結論：

(1) 采用單列全流量串聯方式并采用節流孔板同時改造3號高加是較優的外置式蒸汽冷卻器增設方案。

(2) 改造后提高SCR脫硝系統入口煙溫1.17～1.68 K，降低煤耗0.402 g/(kW·h)，綜合節能減排效益明顯，方案具有較好的經濟性；顯著改善負荷降低時抽汽過熱度提高引起的3號高加熱應力形變，同時避免外置式蒸汽冷卻器沸騰干燒，方案具有較好的安全性。

(2) 可沿用原控制邏輯，系統兼具疏水自流和給水流量分配自平衡功能，方案具有較好的操作便捷性。