基于分區域等效焓降法的低壓加熱器疏水泵熱經濟性分析

蔣曉隆

(1. 上海外高橋第三發電有限責任公司， 上海 200137；2. 申能吳忠熱電有限責任公司， 寧夏吳忠 751100)

與低壓給水加熱器疏水放流式相比，使用疏水泵將加熱器的疏水打入主凝結水，能夠有效提高汽輪機系統的熱經濟性。通常采用等效焓降法從以下2個方面對疏水泵的熱經濟性進行分析[1]：(1)疏水打入主凝結水提高其焓，減少了相鄰的高能級加熱器的抽汽量，增加汽輪機做功；(2)疏水不在本級加熱器吸熱，減少了本級加熱器抽汽量，增加汽輪機做功。這種方法被廣泛應用于機組疏水泵改造的經濟性分析[2-4]。

上述分析方法假設加熱器設置疏水泵前后疏水焓保持不變，且均為過冷水，因此主要適用于對現有機組進行疏水泵改造的情形。但對于新建機組，為了充分發揮疏水泵的經濟性，設置疏水泵時通常會取消加熱器的疏水冷卻段，使疏水從過冷狀態變為飽和水狀態，疏水焓也會相應地發生變化，此時，以往的分析方法存在一定局限性。

此外，設置疏水泵改變了加熱器系統的流量分布，使得凝結水泵功率、疏水泵功率也發生變化，進而影響汽輪機凈發電量，但以往的分析方法沒有統一考慮這些影響。

針對以往疏水泵熱經濟性分析方法存在的不足，提出一種基于分區域等效焓降法的低壓加熱器疏水泵熱經濟性分析方法，將設置疏水泵影響到的系統分為本級區域、上游區域、下游區域，分析各區域的疏水流量、換熱量、泵功率變化，然后基于等效焓降法計算其對汽輪機凈發電量的影響。以某1 000 MW二次再熱機組為例，驗證了所提出方法的可靠性。同時，研究了不同能級的加熱器設置疏水泵的節能效果及其變化規律，分析了增設第2臺疏水泵與設置1臺疏水泵在節能效果上的差異，對新建機組疏水泵優化配置具有參考意義。

1 疏水泵分區域等效焓降法

圖1為設置疏水泵影響的區域，其中：虛線表示第j級加熱器為放流式時，其疏水的流動路徑；實線表示第j級加熱器由疏水放流式改為疏水泵式時，其疏水的流動路徑。以圖1為例，說明所提出的基于分區域等效焓降法的低壓加熱器疏水泵熱經濟性分析方法。該方法所有的分析和計算均按照定主蒸汽流量的方式進行。

圖1 設置疏水泵影響的區域

本級區域是設置疏水泵的加熱器，上游區域包括高能級的第j+1級加熱器和疏水泵，下游區域包括低能級的第1至第j-1級加熱器、凝汽器、凝結水泵。

當第j級加熱器為疏水放流式時，疏水首先經過下游區域各級加熱器逐級放熱后至凝汽器，然后作為凝結水通過凝結水泵升壓和下游區域加熱器升溫后，進入第j+1級加熱器。

當第j級加熱器由疏水放流式改為疏水泵式時，疏水經過疏水泵加壓后與本級加熱器出口凝結水混合，再進入上游的第j+1級加熱器。

當第j級加熱器由疏水放流式改為疏水泵式時，疏水流動會影響換熱量、泵功率的變化。利用等效焓降法中的抽汽效率(反映任意抽汽能級處加熱器換熱量變化引起的汽輪機做功變化)的概念，可以將系統中各區域熱量的變化關聯為汽輪機軸功率(即發電量)的變化。最終可得到各區域的換熱量及泵功率變化對汽輪機凈發電量的影響，具體分析如下。

1.1 本級區域

本級區域疏水流動及相關參數見圖2。

βj—第j級加熱器(即本級加熱器)疏水份額，為第j級加熱器疏水質量流量與主蒸汽質量流量的比；hd,j—第j級加熱器為放流式時對應的疏水焓；hsat,j—第j級加熱器蒸汽側飽和水焓；τj—第j級加熱器凝結水焓升。

在本級區域，主要考慮設置疏水泵后本級疏水換熱量的變化，具體影響有：(1)設置疏水泵同步取消加熱器疏水冷卻段，疏水由過冷水變為飽和水，導致疏水在本級加熱器放熱量減少，抽汽量增大，汽輪機做功減少；(2)本級加熱器疏水直接通過疏水泵進入上游區域，不再以凝結水的形式在本級加熱器吸熱，導致抽汽量減少，汽輪機做功增加。該部分因素導致的汽輪機凈發電量的變化量ΔP1的計算公式為：

ΔP1=βj(hd,j-hsat,j+τj)ηjηG

(1)

式中：ηj為第j級加熱器抽汽效率；ηG為發電機效率(含機械效率)。

1.2 上游區域

上游區域疏水流動及相關參數見圖3。

τDP—疏水泵焓升。

(1) 上游疏水換熱量變化。

第j級加熱器改為疏水泵式，疏水以飽和水而不是以凝結水的形式進入上游區域，因此以凝結水形式進入上游區域的流量減少，導致進入上游區域的熱量發生變化。該部分因素導致的汽輪機凈發電量的變化量ΔP2的計算公式為：

ΔP2=βj(hsat,j-hj)ηj+1ηG

(2)

式中：hj為第j級加熱器混合前的凝結水焓；ηj+1為第j+1級加熱器抽汽效率。

(2) 上游疏水泵功率變化。

第j級加熱器改為疏水泵式，一方面泵升壓過程使進入上游區域的疏水焓增加，汽輪機發電量相應增加；另一方面，疏水泵消耗了電功率，輔機耗電量也增加。該部分因素導致的汽輪機凈發電量的變化量ΔP3的計算公式為：

ΔP3=βj(τDPηj+1ηG-τDP)

(3)

由于抽汽效率和發電機效率均小于1，從疏水泵功率的角度考慮，設置疏水泵會導致汽輪機凈發電量下降。

1.3 下游不含疏水泵式加熱器的下游區域

當本級加熱器設置疏水泵，且本級加熱器下游不含疏水泵式加熱器時，下游區域疏水流動及相關參數見圖4。

τCDP—凝結水泵焓升。

(1) 下游疏水換熱量變化。

加熱器為疏水放流式時，其疏水逐級自流在第j-1級至第1級加熱器中放熱，然后這部分疏水在凝汽器中放熱，再以凝結水的形式經過凝結水泵升壓后，在第1級至第j-1級加熱器中吸熱。

設置疏水泵后，由于疏水不再放流至下游加熱器，這部分疏水在下游加熱器的放熱和吸熱過程都不再發生，導致下游各級加熱器抽汽量發生變化，汽輪機做功相應發生變化。疏水不在下游加熱器放熱時，下游加熱器的抽汽量增大，汽輪機做功減少；疏水不在下游加熱器吸熱時，下游加熱器的抽汽量減少，汽輪機做功增加。該部分因素導致的汽輪機凈發電量的變化量ΔP4的計算公式為：

(4)

式中：τi為第i級加熱器凝結水焓升；γi為第i級加熱器疏水放熱量；ηi為第i級加熱器抽汽效率。

對于第i級加熱器，其疏水放熱量為第i+1級加熱器的疏水焓減去第i級加熱器的疏水焓。

(2) 下游凝結水泵功率變化。

加熱器為放流式時，疏水經過凝結水泵升壓，進入第1級加熱器的熱量增加，可增加汽輪機發電量；同時，驅動凝結水泵會增加輔機耗電量。凝結水泵功率變化導致的汽輪機凈發電量的變化量ΔP5的計算公式為：

ΔP5=βj(-τCDPη1ηG+τCDP)

(5)

式中：η1為第1級加熱器抽汽效率。

由于抽汽效率和發電機效率均小于1，從凝結水泵功率的角度考慮，設置疏水泵可以增大汽輪機凈發電量。

1.4 下游含疏水泵式加熱器的下游區域

當本級加熱器設置疏水泵，且本級加熱器下游含疏水泵式加熱器時，下游區域疏水流動及相關參數見圖5。

圖5 下游含疏水泵式加熱器的下游區域疏水流動及相關參數

(1) 下游疏水換熱量變化。

假設下游第m級加熱器為疏水泵式，第j級加熱器為疏水放流式時，疏水自流至第m級加熱器即與凝結水混合。下游加熱器放熱量變化導致汽輪機凈發電量的變化量ΔP6的計算公式為：

(6)

疏水在第m級加熱器放熱量為第m+1級加熱器的疏水焓減去第m級加熱器進口凝結水焓，與放流式加熱器存在差異。

(2) 下游疏水泵功率變化。

假設下游第m級加熱器為疏水泵式，第j級加熱器為疏水放流式時，其疏水不經過凝結水泵，而是經過第m級加熱器的疏水泵。下游疏水泵功率變化導致的汽輪機凈發電量的變化量ΔP7的計算公式為：

ΔP7=-βj(τDP,mηmηG+τDP,m)

(7)

式中：τDP,m為第m級加熱器疏水泵焓升；ηm為第m級加熱器抽汽效率。

根據上述分析，影響疏水泵熱經濟性的因素主要有本級疏水換熱量變化、上游疏水換熱量變化、上游疏水泵功率變化、下游疏水換熱量變化、下游凝結水泵功率變化、下游疏水泵功率變化，這些因素共同決定了設置疏水泵總的節能效果。

2 案例研究系統

二次再熱機組通常具有較多的回熱級數，加熱器的疏水泵配置問題更為復雜。為了更好地反映所提出方法的實用性，按照圖6的某1 000 MW二次再熱機組汽輪機系統流程為例，開展案例研究，其中：從凝結水泵出口對加熱器進行編號，一加至六加、八加至十加為各級加熱器的簡稱；一加至六加對應抽汽為一抽至六抽，八加至十加對應抽汽為八抽至十抽，除氧器對應抽汽為七抽。該系統包含1個超高壓缸、1個高壓缸、1個中壓缸、1個低壓缸。回熱系統包含6臺低壓加熱器(一加至六加)、1臺除氧器和3臺高壓加熱器(八加至十加)。

系統參數設置參考文獻[5]。主蒸汽質量流量為668.9 kg/s，主蒸汽的壓力和溫度分別為30 MPa、600 ℃，一次、二次再熱蒸汽的溫度均為610 ℃，凝汽器壓力為5.75 kPa。超高壓缸、高壓

圖6 某1 000 MW二次再熱機組系統流程

缸、中壓缸、低壓缸各級組等熵效率分別為0.89、0.91、0.91、0.89，發電機效率(含機械效率)為0.99，泵等熵效率為0.8，泵機械效率為0.998。一次、二次再熱蒸汽的壓力分別為9 MPa、2.7 MPa，給水至主蒸汽壓降率為18%，一次再熱蒸汽壓降率為10%，二次再熱蒸汽壓降率為10%。回熱系統采用等焓升分配，為滿足一次、二次再熱蒸汽壓力要求，十加、九加、八加的焓升均為109.6 kJ/kg，六加至一加及除氧器的焓升均為121.4 kJ/kg。抽汽管道壓降率為2.5%。高壓加熱器及低壓加熱器默認均為疏水放流式，高壓加熱器上端差為-1.7 K，低壓給水加熱器上端差為2.8 K，高壓加熱器及低壓加熱器下端差均為5.6 K。

3 方法準確性驗證

以將五加改為疏水泵式為例，驗證所提出方法的準確性。

采用熱平衡法，分析五加從疏水放流式改為疏水泵式時，汽輪機凈發電量的變化。汽輪機凈發電量為汽輪機發電量減去泵耗電量得到的發電量，結果見表1(計算過程中保持主蒸汽流量不變)。

表1 基于熱平衡法的熱經濟性分析

由表1可得：五加由疏水放流式改為疏水泵式后，汽輪機發電量增加387 kW，給水泵耗電量保持不變，凝結水泵耗電量減少171 kW、疏水泵耗電量增加127 kW，汽輪機凈發電量增加432 kW。采用熱平衡法，能夠得到疏水泵總體節能效果，但無法對其節能量進行更詳細的分解。

采用所提出的分區域等效焓降法，分析五加從疏水放流式改為疏水泵式時，本級區域、上游區域、下游區域內的換熱量及泵功率變化導致汽輪機凈發電量的變化，結果見表2。

表2 基于分區域等效焓降法的熱經濟性分析

由表2可得：采用所提出的方法分析，五加由疏水放流式改為疏水泵式后，汽輪機凈發電量增加425 kW，與表1中熱平衡法的計算結果(432 kW)相比，相對誤差僅為1.6%，所提出的方法具有較高的準確性。

4 疏水泵的節能效果

采用分區域等效焓降法，對疏水泵節能效果進行分解，研究其變化規律。

4.1 設置1臺疏水泵

將一加至五加單獨改為疏水泵式，汽輪機凈發電量的變化見圖7。

圖7 不同位置加熱器采用疏水泵式的節能效果

由圖7可得：將不同位置的加熱器改為疏水泵式，增加的汽輪機凈發電量不同，即節能效果不同；當設置疏水泵的加熱器能級從高到低變化時，節能效果先增大后減小；將三加改疏水泵式時，節能效果最好，汽輪機凈發電量增加529 kW。

對不同位置加熱器采用疏水泵的節能效果按影響因素進行分解，分析各因素的變化規律，結果見圖8。

圖8 各因素對節能效果的影響

由圖8可得：當設置疏水泵的加熱器能級從高到低變化時，本級疏水換熱和上游疏水換熱對汽輪機凈發電量的影響先增大后減小。主要是因為：(1)加熱器能級越低，疏水流量越大，對應疏水換熱量越大；(2)加熱器能級越低，抽汽效率越低，換熱量變化對汽輪機發電量的影響越小。當設置疏水泵的加熱器能級從高到低變化時，疏水泵功率和凝結水泵功率對汽輪機凈發電量的影響幅度逐漸增大，主要是因為加熱器能級越低，疏水流量越大，泵功率越大。此外，加熱器能級越低，下游加熱器換熱量對汽輪機凈發電量的影響越小，主要是因為低能級加熱器的下游加熱器更少，并且抽汽效率更低。

4.2 設置第2臺疏水泵

分析系統設置第2臺疏水泵的熱經濟性。方案一為系統中設置1臺疏水泵(設置在五加位置)；方案二為在已經設置1臺疏水泵(設置在三加位置)的基礎上，增加設置第2臺疏水泵(設置在五加位置)。方案一和方案二的節能效果對比見表3。

表3 設置第2臺疏水泵的熱經濟性分析

由表3可得：當三加已經為疏水泵式時，再將五加改為疏水泵式時汽輪機凈發電量只能增加155 kW，與單獨將五加改為疏水泵式時汽輪

機凈發電量的增加量(425 kW)相比，汽輪機凈發電量增加量減少270 kW，節能效果顯著下降，主要原因是下游疏水換熱量變化對汽輪機凈發電量的影響不同。當五加下游的三加已經為疏水泵式時，五加疏水在三加匯入凝結水，放熱量較大。此時，若再將五加改為疏水泵式，五加疏水不再進入三加匯集放熱，進而導致汽輪機凈發電量大幅減少。

5 結語

(1) 提出一種基于分區域等效焓降法的低壓加熱器疏水泵熱經濟性分析方法，將疏水泵影響的系統分為本級區域、上游區域、下游區域，通過分析各區域疏水流量、換熱量及泵功率的變化，得到其對汽輪機凈發電量的影響。

(2) 針對某1 000 MW二次再熱機組，采用所提出的方法計算加熱器由疏水放流式改疏水泵式對汽輪機凈發電量的影響。該方法與熱平衡法對比，計算結果相對誤差僅為1.6%，其準確性較高。

(3) 設置疏水泵的加熱器能級越低，疏水量越大，越有利于提高節能效果；但能級越低，抽汽效率越低，會降低節能效果。綜合考慮，存在最佳位置，使設置1臺加疏水泵獲得的節能效果最佳。

(4) 與設置1臺疏水泵的節能效果相比，系統中設置第2臺疏水泵的節能效果顯著下降，主要是因為上游疏水在第1臺疏水泵式加熱器中放熱量較大，而設置第2臺疏水泵減少了這部分放熱量，導致汽輪機凈發電量顯著下降。