1 000 MW 超超臨界機組回熱系統熱經濟性分析

李穎杰

（大唐山西發電有限公司太原第二熱電廠， 山西 太原 030000）

0 引言

能源與環境是人類賴以生存和發展的重要基礎。大規模生產和使用煤炭、石油等化石能源，在推動社會經濟發展的同時，也造成了嚴重的環境污染。例如，酸雨、全球氣候變暖和臭氧層破壞等等。中國作為世界上最大的煤炭生產國和消費國，對于煤炭等化石能源的使用主要通過直接燃燒的方式進行利用。據統計，2022 年1—2 月份，全國火力發電量達到9 863.7 億kW·h，占全國發電量的75.06%，火力發電的主格局在短時間內難以改變。因此，對于火力發電而言，想要緩解能源與環境的矛盾，就必須積極響應國家的節能減排政策，進一步提升機組的發電效率，實現“雙碳”目標。

回熱技術是超超臨界燃煤發電機組實現高效節能、可持續發展的有效途徑之一。與常規發電機組相比，機組整體能耗得到了有效降低，循環熱效率有了很大程度的提高[1]。回熱系統中影響其熱經濟性的因素較多，如回熱系統的給水溫度、加熱器的上下端差、疏水流動方式、抽汽次數及份額以及抽汽管道壓損等，使得機組實際運行過程中熱經濟性的改善程度普遍低于理論分析結果[2-3]。因此，國內外學者對此進行了大量研究，余興剛等[4]通過建立汽輪機定功率變工況計算模型，對620 MW 機組在75%THA 和50%THA 工況下的回熱系統運行狀況對機組熱經濟性影響進行了定量分析，為機組節能診斷和檢修工作提供了理論依據。孫德創等[5]利用Ebsilon 軟件搭建模型，對百萬二次再熱機組回熱系統抽汽級數進行優化研究，確定了高壓側加熱器最優配置級數。稅楊浩等[6]對超超臨界1 000 MW 汽輪機組的回熱系統進行改進設計，并采用遺傳算法優化了回熱系統中各級抽汽參數，降低了機組熱耗率。郭永斌等[7]針對1 000 MW二次再熱汽輪機組，將雙機回熱系統與常規回熱系統進行比較分析，結果顯示，雙機回熱系統將成為大容量高參數燃煤機組經濟效率提升的必然趨勢。柴小明等[8]基于火積耗散理論，對4 種設計工況條件下的各級抽汽份額進行優化計算，結果顯示，低工況下運行熱經濟性提高程度顯著。

上述研究中，回熱抽汽次數對回熱系統熱經濟性影響的分析甚少。因此，本文以1 000 MW 超超臨界機組回熱系統為研究對象，利用熱平衡方法，對其抽汽級數分別為8 段抽汽和9 段抽汽時的回熱系統熱經濟性進行定量計算和理論分析。

1 相關計算

1.1 加熱器熱平衡方程

由各加熱器的熱平衡方程分別計算各級抽汽系數：

式中：αfw為給水流量系數；hw，j和hw，j+1分別為j級和j+1 級加熱器給水出口的比焓，kJ/kg；ηh為加熱器換熱效率；hj和hs，j分別為j級加熱器抽汽和疏水的比焓，kJ/kg。

1.2 各熱經濟性指標計算

1）機組熱耗量Q0：

式中：D0為新蒸汽量，kg/s；h0為主蒸汽焓值，kJ/kg；hfw為鍋爐給水焓，kJ/kg；Drh為再熱器中蒸汽流量，kg/s；qrh為蒸汽在再熱器中的吸熱量，kJ/kg。

2）汽輪機熱耗率q0：

式中：Pe為發電機輸出功率。

3）機組絕對電效率ηa，el：

4）機組熱耗率qcp：

5）全廠熱效率：

式中：ηb為電廠管道熱效率；ηp為管道效率。

6）全廠發電標準煤耗率：

2 回熱系統改進前

2.1 傳統回熱系統基本參數

以N1000-25/600/600 型號機組的回熱系統為研究對象，傳統回熱系統采用8 段抽汽回熱，即“三高四低一除氧”回熱模式，如圖1 所示。其主蒸汽參數p0為25 MPa，主蒸汽溫度溫度t為600 ℃，再熱蒸汽溫度t為600 ℃，汽輪機排汽焓為3 475.1 kJ/kg，鍋爐效率ηb為0.93，管道效率ηp為0.99，汽輪機機械效率ηm為0.99，發電機效率ηg為0.99。當回熱系統采用8段抽汽時，其相關參數如表1 所示。

圖1 N1000-25/600/600 機組改進前原則性熱力系統

2.2 抽汽級數改進前熱經濟性

1）機組熱耗量：

2）汽輪機熱耗量：

4）全廠熱效率：ηcp=ηbηpηe=0.99×0.92×0.49=0.44。

3 回熱系統改進后

3.1 抽汽級數改進后基本參數

基于常規“三高四低一除氧”回熱系統，在低壓缸上添加增加抽汽口，采用9 級回熱。改進后的原則性系統圖如圖2 所示。

圖2 N1000-25/600/600 機組改進后原則性熱力系統

根據相關參數，在增加9 級抽汽后，利用熱平衡計算方法得到各段抽汽詳細參數，如表2 所示。

表2 N1000-25/600/600 超超臨界機組最大連續工況下9 級抽汽各原始參數

3.2 改進前后熱經濟性

1）機組熱耗量：

4）全廠熱效率：ηcp=ηbηpηe=0.99×0.92×0.50=0.46。

4 回熱系統改進前后結果分析

回熱系統改進后，各級加熱器水側溫升比較如表3 所示。

表3 改進后各級加熱器水側溫升

由表3 可知，當N1000-25/600/600 機組為8 段抽汽回熱系統時，8 號低壓加熱器凝結水溫升高達51.1 ℃，除氧器和其他3 級低壓加熱器的凝結水溫升分別為26.7 ℃、22.5 ℃、24.6 ℃和22.5 ℃，差別在2倍左右，各加熱器中工質溫升數值偏離等溫升最佳分配原則較明顯。當N1000-25/600/600 機組改為9 段抽汽回熱系統時，雖然3 臺高壓加熱器中給水溫升仍然較大，但是除氧器和各低壓加熱器中凝結水溫升逐漸接近，相比8 段抽汽更加符合等溫升最佳分配原則，熱量損失大幅減少。與此同時，由于增加了1 段抽汽，使得汽輪機乏汽量進一步減小，冷源損失有所降低，超超臨界機組回熱系統熱經濟性進一步得到提高。

超超臨界機組8 段抽汽與改進后9 段抽汽總體經濟性比較如表4 所示。

表4 超超臨界機組常規8 級抽汽與改進9 級抽汽總體經濟性比較

由表4 可知，當回熱系統抽汽級數增加到9 級，在機組額定負荷運行條件下，汽輪機熱耗降低了164.9 kJ/（kW·h），全廠熱耗率降低了285.12 kJ/（kW·h），全廠熱效率提高了0.02。若按標煤價格860 元/t、每臺機組的年利用小時數為5 000 h、20 年折現系數按10.8計算，則1 臺機組20 年的總收益可增加2 610.60 萬元。可見，采用9 級回熱，熱經濟性得到很大提高，可在超超臨界蒸汽參數下最大限度改善熱耗率，提高超超臨界機組回熱系統的熱經濟性。

5 結語

本文基于熱平衡法對N1000-25/600/600 超超臨界機組回熱抽汽級數進行優化分析，通過低壓部分增添1 段抽汽，將抽汽級數由原來的8 段改進為9 段，并針對改進前后對回熱系統的熱經濟性進行計算分析。結果顯示，相比于8 段抽汽，9 段抽汽時可使全廠熱耗率降低285.12 kJ/（kW·h），全場發電標準煤耗減少0.009 76 kg/（kW·h），1 臺機組20 年的總收益可增加2 610.60 萬元，顯著提升了超超臨界機組回熱系統的熱經濟性。