加熱器端差對機組熱經濟性的影響

（華能國際電力股份有限公司長興電廠，浙江 長興 313100）

0 引言

某660 MW 機組汽輪機為超超臨界、一次中間再熱、四缸四排氣、單軸凝汽式汽輪機，機組型號為N660-28/600/620。汽輪機熱力系統由連接鍋爐和汽輪機的主、再熱蒸汽管道，抽汽回熱系統，主凝結水系統，除氧器和給水泵的連接系統，補水系統等組成。抽汽回熱系統中的加熱器通過將已在汽輪機中做過功的汽輪機中間級的蒸汽抽出，在加熱器中放出熱量并凝結成水，將過熱熱量或汽化潛熱傳給被加熱的凝結水或給水，因此回熱抽汽在做功過程中沒有冷源損失[1]。加熱器按傳熱方式可分為表面式加熱器和混合式加熱器[2]，表面式加熱器的端差、壓損、散熱損失、切除加熱器和給水旁路等因素對機組熱經濟性具有影響[3-4]，其中端差的影響最大，加熱器端差大于設計值是普遍存在的問題[5]。

本文以660 MW 機組為研究對象，定量計算不同工況下不同加熱器的端差對機組熱經濟性影響，并通過試驗研究得出減小端差的手段，提升機組經濟性。

1 概述

該660 MW 超超臨界汽輪機回熱抽汽系統有8 級抽汽，分別為3 級高壓加熱器（1 號高加、2 號高加、3 號高加）、4 級低壓加熱器（5 號低加、6號低加、7 號低加、8 號低加）和1 級除氧器（4 號加熱器），在1 號高加給水出口加裝蒸汽冷卻器。為減小端差，提高表面式加熱器的經濟性，1—3 號高壓加熱器采用帶疏水冷卻段型式，使本級抽汽量減少的同時，降低流入下級疏水溫度，降低本級疏水對下級抽汽的排擠[6]。4 號加熱器為混合式加熱器。機組熱力系統如圖1 所示。

2 計算模型與方法

所謂等效焓降是指將1 kg 回熱抽汽式汽輪機的新蒸汽進入汽輪機后做功的焓降等效于（1-）kg 純凝汽式汽輪機新蒸汽進入汽輪機后做功的焓降。其中，αr為抽汽份額，yr為抽汽做功不足系數，r 為任意抽汽級編號，z 為抽汽級數。

2.1 計算模型說明

（1）對于本文計算過程中，對于Δ 不規定正負情況，最終計算結果為正即為增大，為負即為減小。

（2）汽輪機第1、第2 級抽汽分別進入1 號、2 號高加；第3 級抽汽由于過熱度最大，先進入蒸汽冷卻器，然后再進入3 號高加。在計算中，將蒸汽冷卻器定義為0 號加熱器進行計算。

（3）6 號低加疏水出口采用低加疏水泵，將疏水送入5 號低加給水入口，即利用6 號低加疏水，提高6 號低加出水焓，因而將6 號低加等效為混合式加熱器進行計算。

（4）對于計算公式中腳標，若j 代表本級加熱器，j-1 則代表上級加熱器。加熱器腳標為0—8，分別對應0 號加熱器、1 號高加、2 號高加、3 號高加、4 號加熱器、5 號低加、6 號低加、7 號低加、8 號低加。

2.2 等效焓降法[7]

對于有端差Δτj的加熱器（如圖2[5]所示），由于熱量Δτj在NO.j 加熱器和NO.j-1 加熱器之間損失離開系統，將使NO.j-1 加熱器抽汽熱量增加Δτj，疏水熱量也增加Δτj。抽汽熱量增加Δτj使新蒸汽的做功損失Δτjηj-1。疏水熱量增加Δτj將使NO.j 加熱器抽汽熱量減少Δτj，使新蒸汽的做功增加Δτjηj。因此，端差Δτj使新蒸汽焓降變化值：

圖1 660 MW 機組熱力系統

圖2 NO.j 加熱器端差

式中： ΔHj為等效焓降變化值；Δτj為端差；ηj為抽汽效率。

對于幾種特殊情況的說明：

（1）第一個加熱器出現端差，新蒸汽等效焓降變化值為：

在本文研究對象中，對應0 號加熱器。

（2）若NO.j-1 加熱器有疏水冷卻器時，則端差Δτj引起的新蒸汽等效焓降變化值為：

式中： β 為NO.j-1 加熱器的疏水份額。由于1 號高加和2 號高加有疏水冷卻器，2 號高加、3 號高加計算適用該情況。

（3）若流經NO.j 加熱器的水份額不是1，而是αH，則端差Δτj引起的新蒸汽等效焓降變化值為：

式中： αH 為加熱器給水份額。

在本文中，即為5 號低加、6 號低加、7 號低加和8 號低加。

（4）若NO.j-1 加熱器為混合式加熱器，則端差Δτj引起的新蒸汽等效焓降變化值為：

式中： qj-1為蒸汽在加熱器中的放熱量。

由于4 號加熱器和6 號低加為混合式加熱器，5 號低加和7 號低加的計算適用該情況。

2.3 低低溫省煤器—一次中間再熱器機組ΔQj[8]

對于本文研究對象，由于機組使用一次中間再熱提高機組熱效率[9]，因此在計算中應當考慮再熱器對抽汽排擠的影響。再熱熱段到凝汽器之間的任何排擠抽汽，都不再經過再熱器，不涉及再熱問題，因而其抽汽等效焓降計算與非再熱機組相同。

式中： ΔQj-zr為再熱器吸熱量變化；γc為疏水在加熱器中的放熱量。

同時，本文研究對象中，6 號低加與7 號低加之間有低低溫省煤器，利用煙氣余熱加熱7 號低加出口給水進入6 號低加。由于加熱器端差Δτj引起的抽汽量變化，最終通過凝汽器后，進入低低溫省煤器吸熱量變化為：

式中： ΔQj-dd為低低溫省煤器吸熱量變化；θ 為低低溫省煤器吸熱量。

因此：

式中： ΔQj為循環吸熱量變化。

2.4 抽汽等效焓降Hj[10]

根據等效焓降法，計算抽汽等效焓降的通式為：

式中： r 為NO.j 加熱器后更低壓力抽汽口腳標；Ar為若NO.j 加熱器為匯集式加熱器，為τj；若NO.j 加熱器為表面式加熱器，則從NO.j 加熱器以下直到（包括）匯集式加熱器，為γj；τj為給水在加熱器中的焓升。

3 經濟性分析與優化措施

3.1 熱力系統原始數據

為進行加熱器端差對機組熱經濟性影響的研究分析，通過對THA 工況（汽輪機熱耗率保證工況），75%THA 工況（75%熱耗率保證工況）以及50%THA 工況（50%熱耗率保證工況）熱力特性數據進行分析，3 種工況參數如表1 所示。

根據等效焓降計算方法，再熱熱段以后（即蒸汽經過再熱器加熱后）的抽汽等效焓降Hj由于再熱熱段以后排擠抽汽不影響再熱器蒸汽份額αzr，也就不影響吸熱量。因而，按照式（9）進行計算。再熱冷段及以上（即蒸汽未經過再熱器加熱）的抽汽等效焓降Hj，根據等效焓降定義，導出蒸汽返回汽輪機的實際做功為：

THA 工況、75%THA 工況及50%THA 工況下的機組熱力系統原始數據（如表2、表3 及表4所示）。

表1 THA/75%THA/50%THA 工況參數

表2 THA 工況原始數據

表3 75%THA 工況原始數據

表4 50%THA 工況原始數據

3.2 端差的經濟性分析

3.2.1 端差對等效焓降的影響

為計算端差對焓降的影響，假設各加熱器端差為10 kJ/kg 進行計算，獲得不同負荷下，各加熱器端差對焓降的影響，如圖3 所示。

圖3 各加熱器端差對等效焓降的影響

流經0 號高加的蒸汽參數下降使0 號高加抽汽效率增加，導致3 號高加抽汽參數降低，3 號高加抽汽效率的減小程度增大，導致3 號高加的等效焓降大于2 號高加等效焓降。由于混合式加熱器的存在，使其后的加熱器的等效焓降呈反向增大趨勢。在THA 工況下，10 kJ/kg 的端差使1號高加等效焓降減小，是由于蒸汽冷卻器（0 號高壓加熱器）給水溫度和壓力高，而抽汽為中壓缸抽汽，蒸汽品質較高壓缸下降，導致抽汽效率遠低于1 號高加抽汽，兩者的抽汽效率差為負值。

3.2.2 端差對汽耗率和標準煤耗率的影響

汽耗率是指每產生1 kWh 的功所耗費的蒸汽量，標準煤耗率是指將不同發熱量的各種煤統一折算成發熱量為29 308 kJ/kg 的標準煤后算得的每產生1 kWh 功所耗費的煤量。

對于汽耗率和標準煤耗率的影響（如圖4、圖5 所示），不同負荷下的影響規律相同。相同的端差對各加熱器的汽耗率和標準煤耗率產生不同程度的影響，其中對0 號加熱器的影響最大。

端差的影響隨抽汽級數呈一般性遞減趨勢，但5 號低加、7 號低加的汽耗率增加量和標準煤耗增加量呈增大狀態。分析原因是由于5 號低加和7 號低加前的加熱器均為混合式加熱器，若上級加熱器為匯集型加熱器，則由于在該級加熱沒有疏水導致端差變化對相對效率影響加劇。匯集型加熱器雖然換熱效率高，但對下級加熱器具有較大影響。

圖4 各加熱器端差對汽耗率的影響

圖5 各加熱器端差對標準煤耗率的影響

對比相同端差對同一加熱器在不同負荷下的影響，結果顯示，隨著負荷增加，機組熱經濟性增加，端差對熱經濟性的影響減小。但0 號加熱器呈現相反趨勢，原因在于0 號加熱器的抽汽參數高，且抽汽經過加熱器后仍為過熱蒸汽狀態，因而端差對0 號加熱器的相對效率的影響與其他加熱器不同。

3.2.3 實際運行端差經濟性分析的影響

在實際運行中，加熱器端差一般不是固定值，通過實際運行工況端差來確定加熱器端差對機組熱經濟性的影響，并進行標準煤耗的能耗敏度分析[7，11]，如圖6 所示。由于機組對0 號加熱器、7 號低加和8 號低加端差不進行監視，所以分析只針對1 號高加、2 號高加、3 號高加以及5號低加。結果顯示，隨著負荷增加，高壓加熱器的單位端差對標準煤耗的影響減小，低壓加熱器的標準煤耗能耗敏度無明顯變化。分析實際運行端差對發電成本的影響，如圖7 所示。結果顯示，在實際運行中，1 號高加端差引起的發電成本增加值最大，在高負荷下這一結果更為明顯。

圖6 能耗敏度分析

圖7 各加熱器端差對發電成本的影響

通過分析SIS（廠級監控信息系統）中的機組運行歷史數據發現，在50%THA 工況，即330 MW負荷時，高壓加熱器端差為0，只有5 號低加存在端差，隨著負荷增加，端差增大。在實際運行中，負荷越高給水流量越大，給水在加熱器內的換熱時間減小，造成更大的端差。端差引起的發電成本隨著負荷的增大而增大，如圖8 所示。

圖8 不同負荷下端差對發電成本的影響

3.3 優化試驗分析

加熱器水位控制不當、加熱器內部存在不能凝結氣體、加熱器內部存在泄漏、結構或堵管等原因[12-13]可能導致加熱器端差增大。分析結果顯示，高壓加熱器端差隨負荷增大而增大，且發電成本增加，因此針對660 MW 時高加水位對高壓加熱器端差影響進行試驗。試驗前，高加液位自動控制設置值為50 mm，試驗過程中，在負荷保持660 MW 穩定的情況下，改變高加液位自動控制設置值為-100 mm，增加抽汽與給水的換熱面積。液位對端差影響的試驗結果如圖9 所示。

圖9 高加水位控制對端差的影響

通過計算，對比調節前后因端差引起的發電成本增加值，如圖10 所示，將1 號高加、2 號高加、3 號高加液位自動控制值調整為-100 mm后，每年能為單臺機組節省發電成本近20 萬元。

圖10 液位調節前后因端差引起的發電成本增加值

4 結論

計算分析獲得各類型加熱器端差對機組熱經濟性的影響特性，并通過實驗獲得控制發電成本手段，得出以下結論：

（1）端差對汽耗率、標準煤耗率的影響對抽汽級數呈一般性遞減趨勢，但匯集型加熱器對下級加熱器產生較大影響。端差對等效焓降、汽耗率、標準煤耗率的影響隨負荷增加呈遞減趨勢，負荷越高，端差的影響越小，0 號加熱器呈相反趨勢。

（2）在高負荷下，端差可能存在有利于個別加熱器熱經濟性的情況，但綜合所有加熱器的總熱經濟性影響，端差仍不利于機組熱經濟性，使發電成本增加。

（3）機組實際運行中，在自動控制調解下，隨著負荷升高，高壓加熱器的端差增大，而低壓加熱器端差基本穩定。因此高負荷時應及時適當降低加熱器汽側水位，增大表面式加熱器內部換熱面積，減小端差，一年可節約發電成本約20 萬元。