基于零號(hào)高加的寬負(fù)荷高效回?zé)峒夹g(shù)研究

喬加飛 郝 衛(wèi) 劉穎華 那爾蘇

（神華國華 （北京）電力研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100025）

寬負(fù)荷節(jié)能技術(shù)的核心是在保證機(jī)組高負(fù)荷性能的前提下，提高機(jī)組低負(fù)荷工況下的性能，故解決機(jī)組低負(fù)荷工況下熱耗過高的問題成為該技術(shù)成功應(yīng)用的難點(diǎn)。低負(fù)荷所造成的給水溫度降低亦會(huì)對(duì)脫硝效率產(chǎn)生明顯的影響。作為世界上應(yīng)用最為廣泛的選擇性催化還原法 （SCR）脫硝技術(shù)，其催化劑活性與煙氣溫度有著直接的關(guān)系，研究表明，只有煙氣溫度在320℃以上才能保證SCR 裝置的脫硝效率較高。而當(dāng)煙氣溫度低于該溫度時(shí)，SCR裝置脫硝效率明顯下降。雖然有人提出可以將部分高溫?zé)煔馀c省煤器出口煙氣進(jìn)行混合，以提高脫硝裝置的進(jìn)口煙氣溫度。但混合帶來的損失導(dǎo)致了供電煤耗上升，脫硝效率的提高是以犧牲熱力系統(tǒng)的效率達(dá)到的。本文針對(duì)某1000 MW 等級(jí)熱力系統(tǒng)進(jìn)行熱力計(jì)算，對(duì)增設(shè)零號(hào)高加的節(jié)能效果進(jìn)行論證。

1 系統(tǒng)介紹

建立某1000 MW 等級(jí)火力發(fā)電汽輪機(jī)機(jī)組的給水系統(tǒng)，該給水系統(tǒng)設(shè)置3級(jí)高加，其中1號(hào)高加抽汽來自高壓缸1段抽汽，2號(hào)高加抽汽來自高壓缸排汽，3號(hào)高加抽汽來自中壓缸為3 段抽汽。鑒于3段抽汽來自于再熱后的中壓缸，其直接加熱3號(hào)高加會(huì)因過熱度過大導(dǎo)致不可逆損失增加，故在3段抽汽進(jìn)入3號(hào)高加之前先流經(jīng)前置蒸冷器，以增加鍋爐最終給水的同時(shí)降低3 號(hào)高加的過熱度，給水系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 給水系統(tǒng)示意圖

該熱力系統(tǒng)在機(jī)組100%THA、75%THA 和50%THA 工況下的給水溫度分別是299℃、280℃和256℃，即機(jī)組在75%THA 和50%THA 工況下的給水溫度分別比100%THA 工況低19℃和43℃。受此影響，機(jī)組的熱耗在75%THA 和50%THA 工況下分別比100%THA 工況高126.4 kJ／kW·h和378.5kJ／kW·h。

圖2 零號(hào)高加布置示意圖

表1 機(jī)組原熱力系統(tǒng)性能參數(shù)

所謂零號(hào)高加是指在1號(hào)高加下游增設(shè)一個(gè)高加，該高加抽汽來自一段抽汽上游。額定工況時(shí)，該段抽汽的閥門關(guān)閉，零號(hào)高加不加熱給水。低負(fù)荷時(shí)，閥門開啟，零號(hào)高加利用高壓抽汽加熱給水，以提高低負(fù)荷時(shí)的給水溫度。零號(hào)高加布置示意圖如圖2所示。

3 計(jì)算分析

所謂給水回?zé)幔磳⒊槠啓C(jī)某些中間級(jí)蒸汽部分抽出，送入回?zé)峒訜崞鲗?duì)給水進(jìn)行加熱。

3.1 給水回?zé)峒夹g(shù)的作用

（1）利用汽輪機(jī)抽汽提高給水溫度，從而提高了循環(huán)吸熱過程的平均溫度，進(jìn)而提高了整個(gè)熱力循環(huán)的循環(huán)效率。

（2）抽汽進(jìn)入給水系統(tǒng)使得進(jìn)入汽輪機(jī)凝汽器的汽量減小，汽輪機(jī)的冷端損失降低。

3.2 75%THA 工況為設(shè)計(jì)工況

將75%THA 工況作為零號(hào)高加的設(shè)計(jì)工況（方案一），此時(shí)零號(hào)高加對(duì)應(yīng)抽汽管道閥門全開，節(jié)流損失為零，給水溫度為299℃，比原系統(tǒng)給水溫度增加19℃。零號(hào)高加抽汽壓力為82.7bar，比高壓缸一段抽汽的60.4bar高出22.3bar。零號(hào)高加抽汽流量為27.6kg／s，介于一段抽汽的24.3 kg／s與三段抽汽的30.9kg／s之間。

相比于原熱力系統(tǒng)，零號(hào)高加方案下的主蒸汽流量和再熱蒸汽流量雖然有所增加，但由于給水溫度升高所導(dǎo)致的鍋爐進(jìn)口焓的顯著提高，使得主蒸汽在鍋爐系統(tǒng)中吸收的熱量降低，因此熱力系統(tǒng)的熱耗降低。從表2可以看出，75%THA 工況下零號(hào)高加啟動(dòng)后熱力系統(tǒng)的熱耗降低至7339.2 kJ／kW·h，比原系統(tǒng)降低27.4kJ／kW·h。

表2 75%THA 工況有無零號(hào)高加熱力系統(tǒng)的性能參數(shù)

表3給出了50%THA 工況下有無零號(hào)高加機(jī)組熱力系統(tǒng)的性能參數(shù)。機(jī)組在50%THA 工況時(shí)，給水溫度降低至256℃，熱耗增加至7618.7 kJ／kW·h。鑒于新建百萬機(jī)組一般采用滑壓運(yùn)行方式，即在負(fù)荷降低的時(shí)候，溫度保持不變，壓力和主蒸汽流量持續(xù)降低。因此在50%THA 工況下，零號(hào)高加的抽汽壓力隨著主汽壓力降低至55bar，此時(shí)經(jīng)過零號(hào)高加后的給水溫度為272℃，即給水溫度升高16℃。此時(shí)，主蒸汽流量雖然有所升高，但是再熱流量降低，鍋爐給水進(jìn)口焓顯著提 升， 因 此 熱 力 系 統(tǒng) 的 熱 耗 降 低 至7595.4kJ／kW·h， 比 原 系 統(tǒng) 降 低 了23.3kJ／kW·h。

表3 50%THA 工況有無零號(hào)高加熱力系統(tǒng)的性能參數(shù)

3.3 50%THA 工況為設(shè)計(jì)工況

將50%THA 工況作為零號(hào)高加的設(shè)計(jì)工況（方案二），此時(shí)零號(hào)高加對(duì)應(yīng)抽汽管道閥門全開，節(jié)流損失為零，給水溫度為299℃，比原系統(tǒng)50%THA 工況下的給水溫度增加43℃。零號(hào)高加抽汽壓力為82.7bar，比高壓缸一段抽汽的40.7bar高42bar。零號(hào)高加抽汽流量為37.1kg／s，抽汽量較大，此時(shí)1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)高加的抽汽量分別是12.4kg／s、31.1kg／s和17.6kg／s。

從表4可以看出，將50%THA 工況下的給水溫度加熱到299℃時(shí)，機(jī)組熱耗降低至7586kJ／kW·h，降低幅度為31.7kJ／kW·h。

表4 50%THA 工況有無零號(hào)高加熱力系統(tǒng)的性能參數(shù)

在75%THA 工況下，將給水溫度增加至299℃時(shí)，零號(hào)高加抽汽管道進(jìn)汽的壓力大于82.7 bar，抽汽管道上的節(jié)流閥未全開，約有19.7%的節(jié)流損失。零號(hào)高加開啟后，熱力系統(tǒng)的熱耗降低至7347.8 kJ／kW·h，降 低 幅 度 為18.8 kJ／kW·h，參見表5。

表5 75%THA 工況有無零號(hào)高加熱力系統(tǒng)的性能參數(shù)

3.4 不同設(shè)計(jì)工況的對(duì)比分析

從表6中可以看出，在75%THA 工況下，方案二由于節(jié)流損失的影響，節(jié)能效果不如方案一。而在50%THA 工況下，方案二由于較高的給水溫升，節(jié)能效果優(yōu)于方案一。

但是，鑒于方案二中50%THA 工況下的過高的溫升和過大的抽汽流量，得出以下結(jié)論：

（1）給水溫升過高，鍋爐效率會(huì)有所降低。當(dāng)給水溫度升高時(shí)，省煤器出口煙溫會(huì)亦會(huì)升高。經(jīng)計(jì)算，在方案一中，50%THA 工況下給水溫度升高16℃時(shí)，省煤器出口煙溫增加5℃，只是當(dāng)煙氣經(jīng)過脫硝裝置和空氣預(yù)熱器后，有零號(hào)高加時(shí)空氣預(yù)熱器出口煙溫只比無零號(hào)高加時(shí)增加1℃，排煙損失幾無變化，鍋爐效率亦基本保持不變。但在方案二中，50%THA 工況下給水溫度升高43℃時(shí)，鍋爐效率約降低0.3%。

（2）抽汽量過大，高壓缸效率會(huì)有所降低。經(jīng)計(jì)算，方案二中，50%THA 工況下零號(hào)高加的抽汽量約為主蒸汽流量的9.4%，如此大的抽汽量勢必會(huì)對(duì)高壓缸效率造成不利影響。

表6 方案比較

通過對(duì)比，方案一的節(jié)能效果優(yōu)于方案二。此外，由于國內(nèi)大容量火電機(jī)組的年均負(fù)荷約為75%THA 工況負(fù)荷，因此方案一在實(shí)際生產(chǎn)中有著更大的發(fā)揮優(yōu)勢。

3.5 給水溫度以及零號(hào)高加抽汽參數(shù)的選擇

在低負(fù)荷工況下，利用零號(hào)高加將給水溫度升高可以明顯提高機(jī)組的循環(huán)效率，降低機(jī)組的熱耗。在75%THA 工況下，方案一利用零號(hào)高加將給水溫度提高至額定設(shè)計(jì)給水溫度，機(jī)組熱耗降低27.4kJ／kW·h。但是額定給水溫度不一定是機(jī)組熱耗最佳給水溫度。

在75%THA 工況下，隨著零號(hào)高加抽汽壓力不斷提高，給水溫度隨之提高，機(jī)組的熱耗持續(xù)降低，隨著給水溫度的不斷提高，機(jī)組熱耗的下降幅度趨緩。同時(shí)，隨著給水溫度的提高，熱力系統(tǒng)的收益逐漸趨緩。75%THA 工況不同抽汽參數(shù)下機(jī)組的熱力性能參數(shù)見表7，75%THA 工況下給水溫度與機(jī)組熱耗的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 75%THA 工況下給水溫度與機(jī)組熱耗的關(guān)系曲線

表7 75%THA 工況不同抽汽參數(shù)下機(jī)組的熱力性能參數(shù)

因此，若要設(shè)置零號(hào)高加，具體的抽汽壓力和給水溫度可以不必局限于加熱到額定工況下的給水溫度，而是應(yīng)該考慮機(jī)組的性能狀況、鍋爐系統(tǒng)的給水要求及性能變化、 設(shè)備制造的可行性以及投資的多少等綜合因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

用熱平衡計(jì)算分析增設(shè)零號(hào)高加后的節(jié)能效果，對(duì)將設(shè)計(jì)點(diǎn)放在75%THA 工況和50%THA工況兩個(gè)方案進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)增設(shè)零號(hào)高加后的最佳給水溫度進(jìn)行了初步的探討，得出如下結(jié)論：

（1）增設(shè)零號(hào)高加可以明顯降低機(jī)組在低負(fù)荷工況下的熱耗，方案一75%THA 工況下，降低機(jī)組熱耗27.4kJ／kW·h。

（2）兩方案相比，將零號(hào)高加的設(shè)計(jì)點(diǎn)放在75%THA 工況在實(shí)際生產(chǎn)中具有更優(yōu)的節(jié)能效果。

（3）增設(shè)零號(hào)高加后，其設(shè)計(jì)給水溫度應(yīng)考慮機(jī)組的性能狀況、鍋爐系統(tǒng)的給水要求及性能變化、設(shè)備制造的可行性以及投資的多少等綜合因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。