超超臨界機組電廠熱力系統優化措施

文_王麗花 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司

1 概述

某電廠工程廠址位于廣東某地，在一期建成投產的1、2號機組東南側的3、4號機組預留用地上進行建設。本期將建設2臺1000MW超超臨界燃煤發電機組。本工程推薦汽輪機采用超超臨界、二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機，十二級回熱抽汽，汽機進汽參數為32Mpa/605℃/622℃/621℃。

2 熱力系統概況及優化措施

2.1 主蒸汽、再熱蒸汽及旁路系統

2.1.1 本系統優化措施

據統計數據顯示，蒸汽初壓每提高1MPa，汽機熱耗可降低約0.13%～0.16%。因此在不影響現有關鍵材料選擇和主機廠制造能力的前提下，盡量提高主汽參數將有利于進一步提高機組效率。主汽壓力的選取應考慮鍋爐過熱器出口集箱的加工制造、過熱器出口安全閥的選取，主汽管道的應力計算準則，以及兼顧給水泵、高加和閥門的選型與制造，在現有情況下，汽機VWO進汽壓力最大約可到32.11MPa（a）。目前經咨詢主機廠，推薦的主汽壓力最高為32MPa。相比雷州和河源項目，THA工況進汽壓力提高了約2MPa，可減低汽機熱耗率約21kJ/kWh。

主蒸汽溫度每提高10℃，汽機熱耗率可降低0.25%～0.30%。如主汽溫度提高5℃，則可影響0.12%～0.15%的汽機熱耗率。因此，在目前的主汽壓力水平和相關制約因素影響下，可以進一步提高主汽溫度，且不引起主機價格的顯著變化。推薦本工程主汽溫度采用605℃。再熱蒸汽溫度每提高10℃，機組的熱耗率就可下降0.15%～0.20%，而二次再熱機組的一次、二次再熱汽溫若均提高10℃，則機組整體熱耗率可降低20kJ/kWh。

綜上所述，本階段綜合考慮選取汽輪機進汽參數32MPa/605/622/621℃，相比31MPa/600℃/620℃/620℃的常規方案，熱耗降低約19kJ/kWh。鍋爐造價上基本不變，汽機需增加約30萬元，四大管道需增加 547萬元（不含稅），按標煤價857元/t測算，靜態回收年限2.05a。

2.1.2 背壓優化

由汽輪機熱力系統與冷端各參數的相關性可知，提高蒸汽初參數和降低汽輪機蒸汽冷端參數（排汽壓力和排汽溫度）是提高機組熱效率的主要途徑。當汽輪機初參數一定時，降低汽輪機蒸汽冷端參數（排汽壓力和排汽溫度），可以增加汽輪機蒸汽理想焓降，減少冷源損失，提高循環的熱效率。汽輪機冷端參數的設計不僅與低壓缸形式的設計與選擇有關，還與凝汽器、供水系統（循環水泵配置、循環水管溝及建（構）筑物、冷卻設備）的設計與選擇有著不可分割的密切關系。通過冷端優化論證，確定凝汽器運行背壓為5.11kPa，能極大提高機組運行經濟性、合理減小循環水系統投資及循環水泵電耗，綜合成本低。相比該項目可研5.25kPa背壓，降低了0.14kPa，可降低熱耗5.6kJ/kWh。

選擇合適的管道材料、管路根數，優化汽機房布置，采用合并除氧間的布置方案，汽機房跨度由常規配置除氧間布置方案的跨度縮短了4.5～7m，減少高溫高壓管道初投資的同時，降低管系阻力，提高機組熱經濟性。優化管道規格，合理布置管道，盡可能選用低阻力系統的管件(如彎管、Y型三通等)，結合優化主廠房布置，減少管道敷設長度，從而降低管道壓降，將主蒸汽系統壓降由常規的5%減低到4%，可降低熱耗8kJ/kWh；一次再熱系統壓降由6%降低至5.3%，二次再熱系統壓降由常規10%降低至8.2%，可降低熱耗12.5kJ/kWh。

設置高壓疏水擴容器，高能量的疏水首先在高壓疏水擴容器內減溫、擴容消能后再排入凝汽器。將主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道疏水閥的啟閉由用機組設定負荷控制改用蒸汽溫差控制，可以大大縮短主蒸汽、再熱蒸汽管道疏水進入高壓疏水擴容器的時間。

2.2 給水系統

優化運行給水泵配置型式,推薦采用100%容量汽動給水泵組，與抽背式給水泵汽輪機匹配。由于本期工程為擴建機組，因抽背式小機啟動蒸汽所需參數較高，機組啟動時輔助蒸汽汽源接自老廠冷段。因此不設電動啟動給水泵，既節省投資，又滿足啟動要求。

根據最新設計發展趨勢，結合本工程特點，推薦采用單列集箱式高加，集箱式高加取消厚管板，采用壁厚較薄的集箱式結構，在管板鉆孔、熱應力、升降溫控制、可靠性方面具有較大的優勢，在較高的設計壓力下且可采用單列配置，系統簡單，運行檢修維護方便。采用立式高加的布置方案，前4臺高壓加熱器集中布置，立式高加布置于機頭于抽背式小機之間，抽汽管道長度較常規臥式高加的抽汽管道長度大幅減少，降低抽汽管道阻力。

2.3 抽汽系統優化

本工程由于采用抽背式給水泵汽輪機的雙機回熱系統，在10級回熱的基礎上再增加兩級回熱系統，整個機組的回熱系統為12級回熱系統，可以進一步提升機組的效率，經過計算，相比10級常規無雙機回熱方案，可降低熱耗值47kJ/kWh，動態回收期3.5a。

相比常規回熱系統方案，本工程雙機回熱耦合發電技術的特點：小汽輪汽源為超高壓缸排汽，這部分蒸汽將不再進入再熱系統，顯著地減少了進入一、二次再熱系統的蒸汽流量，一次再熱流量降低約23%，二次再熱流量降低約10%，一次、二次再熱系統容量和鍋爐再熱系統受熱面可大幅減??；為保證大汽輪機出力不變，過熱蒸汽流量增加約9%。高壓給水系統容量、主蒸汽系統容量和鍋爐過熱系統受熱面需加大；主汽輪機超高、高壓缸無回熱系統抽汽口，有利于確保缸體制造精度、保證整體缸效；主汽輪機低壓缸進汽量和排汽量增大約12%。常規回熱系統計入給水泵汽輪機凝汽量后，與雙機回熱系統的總凝汽量持平；2～5號高壓加熱器的回熱抽汽來自小汽輪機，2～5段抽汽的過熱度降低180～200℃，不設置蒸汽冷卻器，可大幅降低高壓抽汽管道、高壓加熱器、和蒸汽冷卻器造價；小汽輪機設置5級抽汽1級排汽，設置1級混合式加熱除氧器，加熱蒸汽來自于小汽輪機第五級抽汽；由于小汽輪機抽汽需提供足夠的抽汽量，以滿足提升給水溫度的需求，所需的蒸汽經抽背式小汽輪機做功后，軸系的輸出功率在各負荷工況下超出了給水泵提升給水壓力的需求，因此抽背式給水泵汽輪機軸系將出現軸系功率不平衡，需要設置小發電機用于不平衡功率的消納；采用本系統后，高壓抽汽系統有用功損失減少，結合抽背式給水泵汽輪機通流設計優化，小汽輪機閥門全開時，汽缸效率可提升為90%。經汽機廠核算，THA工況下機組可降低熱耗率約47kJ/kWh。

2.4 凝結水系統

系統采用2×100%容量的立式定速凝結水泵配置電機變頻設備，1臺軸封冷卻器，5臺低壓加熱器，1臺內置式除氧器。7、8、9、10號低壓加熱器為臥式、雙流程、表面式加熱器；9、10號雙列低壓加熱器置于凝汽器喉部與凝汽器成為一體。凝結水泵1臺運行，1臺備用，當任何1臺泵發生故障時，備用泵自動啟動投入運行。凝泵進口管道上設置電動隔離閥、濾網及波形膨脹節，出口管道上設置逆止閥和電動隔離閥。軸封冷卻器設置部分流量旁路， 11、12號低加設置大旁路系統。

凝結水系統采用中壓凝結水精處理系統，不設凝結水升壓泵。凝汽器熱井中的凝結水由凝結水泵升壓后，經中壓凝結水精處理裝置、汽封冷卻器、六臺低壓加熱器后進入除氧器。本工程推薦采用兩臺全容量的國產凝結水泵，一拖二變頻。

優選除氧器型式。除氧器現分為傳統型式與內置式除氧器。內置式除氧器與傳統除氧器主要性能對比見表1。由表1可知，內置式除氧器相對于常規除氧器有結構緊湊、系統簡單、熱效率高、排汽損失小、減少占用空間和主廠房體積以及基建費用的特點。因此，推薦采用內置式除氧器。除氧器給水箱的貯水量按《大中型火力發電廠設計規范》(GB50660-2011)取值，按5min的鍋爐最大連續蒸發量時的給水消耗量考慮。

表1 內置式除氧器與傳統除氧器主要性能對比

由于內置式除氧器在儲水段下部布置較多的蒸汽排管加熱儲水，使之沸騰進行深度除氧，完全能夠滿足除氧器啟動要求。因此，取消除氧器循環泵，簡化系統，節省初投資和運行維修費用。凝汽器補水采用化水車間直接補水，取消凝結水補水箱及補充水泵。正常運行時化學儲水箱補水可自流入凝汽器，節省廠用電。

2.5 輔助蒸汽系統

每臺機組輔助蒸汽系統設置了1臺5m3的輔汽疏水擴容器以回收輔汽系統的疏水。輔助蒸汽系統的疏水全部接入疏水擴容器。疏水擴容器排水分二路，當水質合格時排入凝汽器以回收工質，不合格時接入鍋爐放水母管排放至機組排水槽。本工程考慮設置鄰機加熱系統，通過臨機蒸汽加熱給水，滿足不點火進行鍋爐冷、熱態清洗水溫要求，從而降低機組運行費用。

2.6 加熱器疏水及放氣系統

本系統優化措施：①事故疏水閥考慮設置快開氣動關斷閥，減小正常運行時高加疏水內漏，提高機組經濟性?？紤]到疏水調節閥的可靠性很高，在保證系統安全可靠的前提下，建議取消1、2、3、4、5號高加正常疏水調閥后隔離門、7、8、9、10號低加正常疏水調閥后隔離門，減少了中低壓閥門重量。②除氧器連續運行排汽由傳統的大氣排放，改為回收至凝汽器，回收介質。

2.7 抽真空系統

本系統優化措施：①將雙背壓凝汽器高、低壓側分別抽真空。對于雙背壓，水環真空泵和羅茨-真空泵分別對應高、低壓側進行抽吸，對維持高、低壓側各自的背壓有較好的效果，增加機組的熱經濟性。②設置2臺輔助羅茨-真空泵+2×50%水環式真空泵。相比常規3×50%水環真空泵，機組運行時僅運行兩臺羅茨-真空泵，降低電負荷210kW。且羅茨-真空泵出力不受冷卻水溫的影響，確保在夏季工況，真空泵能夠維持出力，使得凝汽器在夏季工況達到設計背壓。

2.8 輔機循環冷卻水系統

本系統優化措施： ①精確計算輔機冷卻水量及系統阻力，合理選擇閉式冷卻水泵容量及揚程，提高泵實際運行效率，使其盡量靠近高效區運行。②采用變頻閉式冷卻水泵。③為保證真空泵運行效率，采用溫度較低的海水進行冷卻。冷卻水接至水水換熱器的入口濾水器后的管道，電動濾水器自動反沖洗，實時排除冷卻水中的雜質，從而保證真空泵的冷卻水質。

2.9 其它

設備、管道的有壓放水排至輔汽疏水擴容器，無壓放水接至汽機房A列外工業廢水管道經處理后回收利用；各種沖洗水排水及主廠房內含油廢水送至水工專業集中處理，以回收利用。

3 結語

本文所述熱力系統的優化措施是在總結以往工程成熟的設計運行經驗，并結合最新設計的高效1000MW超超臨界機組項目(陸豐甲湖灣、大唐雷州、廣東河源等)設計情況的基礎上提煉出來的。

下一階段還可以結合工程的實際情況以及業主的具體要求做更加深入細致的優化工作，達到減少能耗、高效環保、節省投資、降低成本，提高能源綜合利用效率的目的。在保證機組的可靠性、安全性的前提下，實現運行經濟、維護方便以及以人為本，可持續性共同和諧發展。