蒸汽噴射器在節能改造中的應用

中國電能成套設備有限公司 孫澤洋

1 引言

隨著國家綠色能源產業政策的不斷深入，為了實現不斷增加的新能源消納，以及杜絕棄風、棄光現象，要求大容量機組必須參與深度調峰。但是，火電機組低負荷運行條件下，熱經濟性（發、供電效率）和安全性明顯下降[1]，因此提高這些火電機組低負荷運行條件下的熱經濟性和安全性是擺在我們電力工作者面前的亟需解決的首要任務。本文將蒸汽噴射器應用于火電機組低負荷運行的節能改造中，利用機組主輔設備在低負荷條件下的熱力學裕量，用以提高機組低負荷運行條件下的鍋爐給水溫度，從而提高機組熱經濟性。

2 火電機組低負荷運行的影響及節能改造可行性分析

火電機組熱經濟性隨負荷的降低而降低是動力設備所固有的熱力學特性，隨著火電機組負荷的降低，汽輪機—發電機組熱效率呈現出明顯的下降趨勢。圖1給出某電廠1000MW汽輪機—發電機組設計熱效率隨負荷變化的趨勢圖（圖1）。可以看出，同一機組的汽輪機—發電機組設計熱效率隨負荷變化趨勢有明顯的規律性，隨著負荷的減小熱效率也在減小，且從THA（汽輪機熱耗保證工況，turbine heat acceptance）負荷向75%負荷減小過程中，熱效率減小速率較小，而從75%負荷開始，熱效率出線大幅下降的情況。

圖1 某1000MW 電廠汽輪機-發電機組熱效率隨負荷變化圖

同樣，隨著火電機組負荷的降低，汽輪機熱耗率呈現明顯升高趨勢[2]。圖2給出某電廠1000MW汽輪機發電機組設計熱耗率隨負荷變化的趨勢圖。可以看出，同一機組的設計熱耗率隨負荷變化趨勢也具有明顯的規律性，隨著負荷的減小熱耗率增大。

圖2 某1000MW 電廠汽輪機機組熱耗率隨負荷變化圖

由此可見，火電機組低負荷運行時，對汽輪機-發電機組熱效率以及汽輪機熱耗率的影響是巨大的，如何降低熱耗、提高熱效率成為提高火電機組熱經濟性的重要因素。由于主輔設備通流能力隨負荷的降低會出現“裕量”，為維持低負荷下機組運行的穩定，節流調節是最簡單易行的措施，因此，泵與風機的各種調速技術應運而生[3]。然而節流損耗進一步降低了機組發、供電效率，解決系統節流損耗成為節能改造的首要任務。本文將蒸汽噴射器應用于火電機組低負荷運行的節能改造中，利用主輔設備低負荷運行條件下的熱力學潛力，籍此提高鍋爐給水溫度，繼而提高機組低負荷運行的熱經濟性。

蒸汽噴射器技術是熱工系統中的常規成熟技術，在工藝系統真空建立、熱電聯產低溫多效蒸餾海水淡化系統等方面得到應用，無實質性技術難度[4]，并有許多成功應用的經驗。如國華滄東發電有限公司、天津北疆電廠的海水淡化項目[5]，就將蒸汽噴射器技術用于熱電聯產海水淡化系統中汽輪機與海水淡化裝置的匹配節能，設備運行穩定可靠。這使得主輔設備低負荷運行條件下的這種熱力學潛力的利用提供了可能。

3 火電機組變工況節能改造方案及案例機組分析

在火電機組低負荷運行條件下，利用主蒸汽引射壓縮第一級回熱抽汽至新設置的H0號高壓加熱器，實現對給水的進一步的回熱加熱，從而提高機組熱經濟性。如圖3所示，通過在常規熱力系統下，增設蒸汽噴射器1，用主蒸汽從汽輪機第一級回熱抽汽管道18引射壓縮回熱抽汽，使之用于增設的0號高壓加熱器2，以實現對給水的進一步的“回熱”加熱。機組低負荷運行時，各級回熱抽汽壓力降低，鍋爐給水溫度也隨之降低，機組熱經濟性明顯下降。提高低負荷時的鍋爐給水溫度，對于提高機組熱經濟性具有重要意義[6]。

圖3 改進后系統流程圖

機組在額定負荷條件下，閥門3、4、5、7、8、9均關閉，閥門6開啟。機組按照原工藝流程運行。當機組處于低負荷運行時，閥門7、9、8、5、4、3順序開啟，閥門6關閉，蒸汽噴射器1和0號高壓加熱器2投入運行。從主蒸汽管道17引用一部分主蒸汽作為工作蒸汽，經閥門3從蒸汽噴射器入口a 進入蒸汽噴射器膨脹，形成負壓引射汽輪機11第一級回熱抽汽18，二者混合升壓后從蒸汽噴射器排氣口c 處排出，進入增設的0號高壓加熱器2。顯然，此時的蒸汽壓力明顯高于機組第一級1號回熱加熱器13的壓力，因而可以進一步加熱給水。給水經閥門9進入0號高壓加熱器2被加熱。給水升溫后進入鍋爐10。由于0號高壓加熱器2是表面式加熱器，其疏水以自流的方式依次進入1-3號回熱加熱器13-15放熱，最終自流入除氧器16，各種水流在除氧器16匯合，作為鍋爐給水進入給水泵12。

但是，將蒸汽噴射器應用于火電機組低負荷運行的節能改造，需要根據系統參數、容量等進行針對性設計，并針對機組負荷變化進行校核分析。另外，由于是將蒸汽噴射器用于超超臨界機組主蒸汽管道，因此需考慮高溫對材料選擇的影響[7]。為最大限度減小溫度對材料選擇的限制和降低改造費用，可使用噴水減溫的辦法降低進入噴射器系統管道的蒸汽溫度。這一措施同時還可以提高噴射器系統工作效率，其熱力學原理是引射混合的高速水蒸汽在較低的溫度下更易得到更高的排出壓力。

以某電廠1000MW超超臨界機組為例，該機組采用HG-2980/26.15-YM2型直流型鍋爐和CLN1000-25.0/600/600型凝氣式、一次中間再熱、單軸、四缸四排氣、雙背壓、八級回熱抽汽式汽輪機。案例機組50%THA、75%THA、THA 負荷下相關熱力學參數如表1所示。從表1可以清楚的看到，隨著機組負荷的降低，給水溫度也相應降低，熱耗率相應增加。

表1 案例機組不同負荷下相關熱力學參數表

額定工況下各級加熱器抽汽的體積流量如表2所示。

表2 額定工況下各級加熱器抽汽的體積流

對案例機組進行變工況節能改造，在第一級回熱加熱器之前設置第零號加熱器，采用蒸汽噴射器，通過主蒸汽引射壓縮第一級回熱抽汽實現對給水的進一步的回熱加熱。

50%THA 運行時，以動量守恒模型設計噴射器，使引射系數為μ=0.9，假設工作蒸汽膨脹過程效率ηi1→2=0.9，動量傳遞效率ηi=1，混合蒸汽減速擴壓(壓縮)過程效率ηia→4=0.9。則噴射器出口蒸汽焓值為3452.41kJ/kg，壓力為5.37MPa，用于第零號加熱器對給水進行進一步的回熱加熱，給水溫度由251.9℃升高至268.45℃，給水焓升高至1174.89 kJ/kg。

調節主蒸汽流量，改變每一個加熱器的抽汽流量，使系統形成新的熱平衡，計算功率，使功率等于500000kW。當主蒸汽增加至1336.30kg/h時，功率恰好為500000kW，此時蒸汽噴射器利用24.14kg/h 的主蒸汽引射壓縮21.73kg/h 第一級回熱抽汽，對給水進行進一步加熱，使鍋爐給水溫度達到268.45℃。經過改造后，50%THA 工況下，汽輪機熱耗為7714.52kJ/(kW·h)。

改造后，50%THA 工況下各級加熱器抽汽的體積流量如表3所示，跟表2對比可知通流流量有“富裕”。

表3 改造后50%THA 工況各級加熱器抽汽的體積流

機組在75%THA 工況下運行時，沿用50%工況下所設計的噴射器，則噴射器出口蒸汽焓值為3401.04kJ/kg，壓力為7.98MPa，用于第零號加熱器給給水繼續加熱，給水溫度由276.3℃升高至294.87℃，給水焓升高至1304.66kJ/kg。

調節主蒸汽流量，改變每一個加熱器抽汽流量，使系統形成新的熱平衡，計算功率，使功率等于750000kW。當主蒸汽增加至2080.20t/h 時，功率恰好為750000 kW，此時蒸汽噴射器利用47.02t/h的主蒸汽引射壓縮42.32t/h 第一級回熱抽汽，對給水進行進一步加熱，使鍋爐給水溫度達到294.87℃。經過改造后，75%THA 工況下，汽輪機熱耗為7525.22kJ/(kW·h)。

改造后，75%THA 工況下各級加熱器抽汽的體積流量如表4所示，跟表2對比可知通流流量有“富裕”。

表4 改造后75%THA 工況各級加熱器抽汽的體積流

綜上所述，案例機組改造后的不同負荷相關參數見表5。

表5 案例機組改造后不同負荷下相關熱力學參數表

由表4與表5對比可知，原機組50%THA 工況運行下熱耗為7746kJ/(kW·h)，而改造后熱耗為7714kJ/(kW·h)，已知該案例機組鍋爐熱效率為93.6%，標準煤的低位發熱量為29270 kJ/kg，則50%THA 工況運行下，改造后的節煤量為1.168g/ (kW·h)。原機組75%THA 工況運行下熱耗為7554kJ/(kW·h)，經過節能改造后熱耗為7525kJ/(kW·h)，則75%THA 工況運行下，改造后的節煤量為1.059g/ (kW·h)。可以發現，本文所提出的火電機組變工況節能改造方案具有很好的節能效果，并且，此方案在機組50%THA 工況運行條件下的節能效果高于75%THA 工況運行條件下的節能效果。當機組深度調峰時，機組低負荷運行的熱經濟性會進一步增加。

4 結語

火電機組變工況運行，熱經濟性（發、供電效率）和安全性隨負荷的降低而降低是動力設備的固有熱力學特性，總的來講是無法根本解決的問題。然而，火電機組主輔設備通流能力隨負荷的降低會出現“裕量”，汽輪機熱力系統在低負荷運行條件下出現的裕量，從另一個角度看就是一種熱力學潛力。本文利用這一點，引入蒸汽噴射器，提出一種變工況節能改造方案，對改造后的系統進行詳細的描述，給出系統圖，并給出具體實施方式，改造后的系統與原系統相比，取得明顯效果，得到以下結論：

（1）引入主汽射流技術、通過射流卷吸RH1的抽汽形成混合汽源、配合改造后增設的0號高加，可以有效提高機組低負荷運行時的鍋爐最終給水溫度，提高機組低負荷運行的熱經濟性。同時，給水溫度的提高，可以有效阻止空預器出口一、二次風溫以及省煤器出口煙溫的降低[8]，能夠減少投油，改善燃料燃燒條件，阻止低負荷時鍋爐機械不完全燃燒損失和氣體不完全燃燒損失升高，有利于保證脫硝系統的正常運行。

（2）鍋爐高加切除后給水溫度降低，要達到額定溫度，鍋爐受熱面要多吸收熱量，容易引起超溫，另外高加切除，少抽汽造成汽輪機排汽量增大，對末級葉片損壞大。通過改造，在提高給水溫度的同時還能抽取部分蒸汽，可在一定程度上減輕高加切除對機組安全性的沖擊。

（3）工程案例證明，大容量機組采用“蒸汽噴射器—0號高加”改造來提高機組低負荷運行鍋爐最終給水溫度的技術措施是可落地、可執行，能夠保證機組安全、經濟、穩定運行。