小汽輪機驅動給水泵和引風機的熱經濟性分析

徐曙

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

小汽輪機驅動給水泵和引風機的熱經濟性分析

徐曙

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

Heat econom y analysis of feed pum p and induced draught fan driven by small turbine

比較火電廠分別采用小汽輪機與電機驅動給水泵及引風機的熱經濟性。同時對電泵、變頻引風機的效率進行對比，計算其內效率，得出采用小汽輪機驅動可以達到節能的結論。

小汽輪機；給水泵；引風機；經濟性；節能

給水泵、引風機是火電廠的耗電大戶,如何降低給水泵和引風機的耗電量成為許多電廠節能降耗的首選。

在設計上,大多數300MW及以上機組的給水泵均采用小汽輪機驅動降低了機組的廠用電率,但汽輪機的熱耗率有所增加。一般認為300MW及以上機組采用汽動比電動給水泵經濟,300 MW以下機組采用電動給水泵比較經濟。

基于引風機等其它輔機是否同樣可以采用小汽輪機驅動。文中在主蒸汽流量不變的情況下對采用小機驅動和采用電機驅動2種方式進行比較分析,探討其經濟性。

與采用電機驅動方式相比,采用小機驅動方式主機的部分級段蒸汽流量將有所下降,根據弗留格爾公式,主機各段抽汽參數應略有變化,但幅度不大。為便于分析,假定2種方式下各段抽汽參數均不變。根據各加熱器的能量和流量平衡,在主蒸汽流量和各段抽汽參數不變的情況下,給水、凝結水和所有加熱器的進汽流量均應不變。

1 小汽輪機驅動給水泵經濟性分析

采用小機驅動給水泵一般都是以四段抽汽(中壓缸排汽)作為小機的汽源。蒸汽從中壓缸末級流出后,采用小機驅動的運行方式。

蒸汽從中壓缸末級流出后,至低壓缸只有一截較短的連通管,壓損較小,設計一般為2%；小機抽汽管道相對較長,且存在逆止門,設計壓損一般為5%,因此,低壓缸比小機的進汽參數略高。同時,從低壓缸流出的蒸汽壓力為凝汽器壓力,而小機排汽必然存在1～2 kPa的壓損。

若采用電機驅動給水泵,原流過小機的蒸汽將返回低壓缸作功。根據假定低壓缸各段抽汽流量不變,原小機抽汽的全部蒸汽將從低壓缸進口流至低壓缸排汽口。2種方式小機抽汽的作功分別為:

式中 WLP和WST為小機抽汽分別在低壓缸和小機內的作功,G為小機抽汽流量,ΔHLP和ΔHST分別為低壓缸和小機的等熵焓降,ηLP、ηST分別為低壓缸和小機的內效率。由于流過低壓缸的進汽參數高,排汽參數低,因此ΔHLP＞ΔHST；由于低壓缸葉片長,加工難度較低,而小機葉片短,加工難度較大,因此低壓缸比小機內效率高。一般300MW機組低壓缸內效率設計在88%左右,而小機內效率設計在82%左右,即ηLP＞ηST,因此WLP＞WST,即小機抽汽返回低壓缸大于蒸汽在小機內所作的功。

但是,除非直接用主機大軸驅動給水泵,否則流過低壓缸蒸汽的熱能轉換為動能后,必然經過動能向電能的轉換 (發電機),然后由電能轉換為動能 (給水泵電機),再經過液力耦合器 (或變頻器)變速,才能驅動給水泵,因此,僅比較WLP和WST不能評價2種運行方式的優劣,還應綜合考慮發電機效率ηG,給水泵電機效率ηP、液力耦合器(或變頻器)效率ηT才能進行評價。

在相同工況下,2種方式給水泵的流量、揚程相同,因此,泵的有效功率和效率是相同的。采用小機驅動需要的蒸汽流量可通過如下公式計算:

式中 W為給水泵有效功率,ηP為給水泵效率。

如果取消小機,抽汽將返回低壓缸內繼續作功,機組的發電量將增加:

取消小機后必須增加電動給水泵,消耗的電量可通過如下公式計算:

如果ηST＞ΔHLPηLPηGηMηT/ΔHST,則P1＜P2,小機抽汽返回機組作的功不足以驅動電動給水泵,需要另外提供電量,因此,采用小機驅動給水泵機組輸出的凈功率較大,經濟性較好；反之則說明小機抽汽返回機組作的功不僅能滿足電動給水泵所需,還有部分電量輸出,采用電動給水泵較經濟。

一般而言,發電機和給水泵電機效率均比較穩定,隨負荷變化較小。300 MW機組的設計發電機效率約在 98.9%,給水泵電機設計效率約在95.5%,液力耦合器和變頻器在高負荷下的效率約在95%,在不考慮等熵焓降時,300MW負荷下按低壓缸效率88%計算,小機內效率高于79%即可節能；如果考慮等熵焓降,需視汽源設計參數、抽汽壓損、排汽壓損和凝汽器壓力等情況進行計算,估計小機內效率高于80%也可節能,因此300MW機組采用小汽輪機驅動給水泵經濟性較好。

以上分析是在額定主蒸汽流量的情況下進行的。在低負荷下,小機內效率受進汽調門開度、排汽容積和流量、進汽參數的綜合影響,會緩慢下降,降低小機的經濟性。但是采用液力耦合器的電動給水泵存在耦合器滑差率的問題,低負荷下液力耦合器效率下降很快,因此與采用液力耦合器的電動給水泵相比,一般300MW及以上機組采用小汽輪機驅動給水泵是節能的。300MW以下機組采用小機驅動給水泵,由于小機進汽流量低,葉片較短,制造和加工的難度大,容易造成小機內效率偏低。

和采用變頻器的電動給水泵相比,由于變頻器的效率隨負荷變化小,因此雖然在高負荷下采用小機驅動給水泵較經濟,但在低負荷下由于小機內效率下降,采用變頻器的電動給水泵有可能經濟性更好。

2 小汽輪機驅動引風機經濟性分析

大多數引風機設計采用電機驅動、電機定速運行,通過改變靜葉開度調節爐膛負壓。其優點是操作簡便,系統可靠性高,缺點是耗電量高,經濟性較差。目前,對引風機的節能改造基本是2種方式,一種是電機變頻改造,另一種是采用小汽輪機驅動。對于定速電機驅動的引風機,其經濟性差是一個共識,因此不再進行討論,以下分析變頻引風機和小機驅動引風機的經濟性。

驅動引風機的小機一般有2種:一種是采用背壓式汽輪機,乏汽回收至除氧器和加熱器,或者用于供熱；另一種是采用凝汽式汽輪機,在爐側增設小機凝汽器,乏汽冷凝后泵至主機凝汽器。因為爐側和主機凝汽器距離遠,管損大,凝汽式汽輪機的乏汽一般不直接引回主機凝汽器,否則小汽輪機排汽壓力過高,將降低小機經濟性。

乏汽用于供熱的背壓式小汽輪機經濟性最好。蒸汽可直接取自爐側熱再或冷再,抽汽的管道損失較小,乏汽排入熱網,背壓相對穩定,降低了系統設計的難度,且熱量得到充分利用。但此方式必須有供熱需求,對于某些不需要供熱的機組不適用。

乏汽回收至除氧器或加熱器的背壓式小汽輪機對熱力系統的影響很大,而且乏汽的壓力、流量必須在所有工況下都和回收裝置匹配,系統設計的要求極高。這一方式對整個機組的熱平衡改變大,隨著鍋爐煤質和燃燒調整的變化,引風機的功耗不同,汽輪機熱力系統的運行情況也不一樣。雖然可以在管道上加裝調節閥,或者排汽至下一級加熱器,但由于熵增大,其經濟性變差,因此一般不推薦采用這一方式。

對于凝汽式小汽輪機,必須另設凝汽器、循環水、抽真空系統、凝結水回收系統、軸封系統、潤滑油系統、控制油系統等輔助設備,并且由于小機轉速高而引風機轉速低,需要在小機和引風機之間加裝變速器。由于小機只能被安排在爐側,如果仍然采用四段抽汽作為小機汽源,抽汽壓損無疑將大大增加,小機的等熵焓降下降較嚴重；如果采用冷再或熱再作為小機汽源,不僅將嚴重降低蒸汽的作功能力,同時由于小機進汽壓力較高,加工難度大,其內效率也難以提高。

不管是采用凝汽式汽輪機驅動還是采用變頻電機驅動,在主蒸汽流量相同的情況下,引風機的運行狀況可視為相同,即引風機的有效功率和引風機效率相同。如果采用四段抽汽作為小機汽源,則與驅動給水泵的小機情況類似,采用小機驅動和采用變頻電機驅動2種方式高、中壓缸運行情況相同,小機抽汽流量可通過如下公式計算:

式中 W為引風機有效功率,ηF為引風機效率, ηR為變速器效率。

如果取消小機,抽汽將返回低壓缸繼續作功,機組的發電量將增加:

取消小機后加裝變頻電機驅動引風機,耗電量可用如下公式計算:

式中 ηM為風機電機效率,ηT為變頻器效率。

如果 ηST＞ ΔHLPηLPηGηMηT/ΔHST/ηR, 則 P3＜P4,小機抽汽返回機組作的功不足以驅動變頻引風機,采用小機驅動引風機經濟性較好；反之則說明采用變頻引風機較經濟。

由于小機的等熵焓降下降,加之變速器效率的影響,因此用小機驅動引風機比驅動給水泵的經濟性差。在低負荷下,小機調門的節流損失會降低小機內效率,采用變頻引風機的經濟性會更明顯。

如果采用熱再作為小機汽源,則高壓缸運行情況不變,中、低壓缸作功減少,式 (7)變為:

式中 ΔHMP為中壓缸等熵焓降,ηMP為中壓缸內效率。

對比 P3, P4, ηST＞ (ΔHLPηLP＋ΔHMPηMP) ηGηMηT/ΔHST/ηR時采用小機驅動引風機較經濟,反之則采用變頻引風機較經濟。

采用熱再作為小機汽源由于進汽參數高,抽汽壓損低,小機的等熵焓降大大增加,但主機損失的作功同樣增加。而且小機葉片短,加工難度大,設計和制造的時候應加以關注。

如果采用冷再作為小機汽源,由于再熱器吸熱量發生改變,因此不僅需要對比電量,還需要對比吸熱量,計算相對復雜。并且冷再壓力高、溫度低,濕蒸汽區提前,小機制造的難度相應增加。

考慮到采用小機驅動引風機的投資大,回收周期長,且設備維護難度大,應根據電廠、小機設計內效率和汽源等情況綜合考慮。但采用小機驅動引風機對電廠另有一項收益:由于廠用電量減少,在發電量不變的情況下機組的供電量會增加。

3 總結

盡管蒸汽在低壓缸內作功高于在小機,但由于采用電機驅動給水泵能量轉換環節多,損失大,隨著小機制造水平的提高,目前300MW及以上機組采用小機驅動給水泵較經濟。

采用小機驅動引風機的經濟性不如用小機驅動給水泵的經濟性。如果機組有供熱,采用乏汽用于供熱的小汽輪機比較經濟。如果采用凝汽式小汽輪機,必須綜合考慮小機汽源、主機運行情況、小機內效率、投資成本、設備維護甚至市場等具體細節,對比電量和熱量的變化,來決定是采用小機驅動還是變頻電機驅動。

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TK264.9

B

1008-0198(2014)01-0051-03

徐曙(1973),男,湖南省湘陰縣人,大學本科,汽輪機專業節能高級工程師。

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.01.016

2013-06-26 改回日期:2013-11-13