大型火力發電廠外置式蒸汽冷卻器的技術經濟分析

田家平，林俊光，吳 猛，光 旭

（浙江省電力設計院，杭州 310012）

大型火力發電廠外置式蒸汽冷卻器的技術經濟分析

田家平，林俊光，吳 猛，光 旭

（浙江省電力設計院，杭州 310012）

為了降低第3級抽汽的蒸汽過熱度，提高機組絕對熱效率，通過對各關鍵環節的優化設計，提出了設置外置式蒸汽冷卻器的技術方案。針對大型火力發電廠建議采用33%～50%的主給水流量進入外置式蒸汽冷卻器的串聯方式，外置式蒸汽冷卻器布置在3號高加上方平臺為宜。熱經濟性分析表明，汽輪機熱耗率和發電煤耗都有明顯下降，汽輪機絕對效率也有所提高。

外置式蒸汽冷卻器；熱力系統；串聯；技術經濟

0 引言

大型火力發電廠熱力系統中的回熱加熱器是提高機組循環效率的重要設備，其運行性能直接影響到整個機組的熱經濟性。再熱器之后的各級抽汽的蒸汽過熱度很大，尤其是第3級抽汽，過熱度最大，通常高于250℃，對應的回熱加熱器換熱溫差很大，溫差換熱引起的不可逆損失也很大，從而影響機組的熱經濟性[1]。

此外，由于處于高溫和高壓差等最為惡劣的工作環境，3號高壓加熱器（簡稱高加）也成為回熱設備中故障率最高的高加，因此有必要降低第3級抽汽蒸汽的過熱度，這樣不僅可以提高回熱系統的熱效率，還可以提高機組運行的安全性和可靠性。以下對某660 MW超超臨界機組提出了設置外置式蒸汽冷卻器的技術方案，并進行熱經濟分析。

1 機組熱力系統

圖1 某超超臨界660 MW機組部分熱力系統

圖1給出了機組部分熱力系統（含前3級抽汽及高壓給水），其主要熱力參數見表1。如圖1所示，第1級至第3級抽汽分別加熱對應的1號至3號高加中的給水，其疏水逐級自流至除氧器，高壓給水通過這3級高加加熱后進入鍋爐省煤器。

由表1可以看出，第3級抽汽溫度為515℃，其對應的過熱度高達290℃，遠高于第1級和第2級抽汽的蒸汽過熱度。采用外置式蒸汽冷卻器可以有效利用過高的第3級抽汽過熱度，提高機組的熱經濟性。

表1 某超超臨界660 MW機組3級高加部分熱力參數

2 外置式蒸汽冷卻器的設計

2.1 連接方式

外置式蒸汽冷卻器主要有串聯和并聯2種連接方式。由于連接方式不同，其熱經濟效果也不相同，且有較大差異。一般來說，外置式串聯蒸汽冷卻器的熱經濟性比并聯高，原因在于外置式串聯蒸汽冷卻器的進水溫度比較高，傳熱過程平均溫差較小，抽汽過熱度得到充分利用，效果顯著，但是給水系統阻力較大。并聯方式能相對減少給水系統阻力，但是蒸汽冷卻器進水溫度較串聯方式低，傳熱溫差大，同時給水分流后進入下一級加熱器的主給水流量減少，相應的回熱抽汽量有所減少，熱經濟相對較低[2]。

基于以上原因，提出部分給水流量進入蒸汽冷卻器的串聯方式，剩余部分給水則通過節流孔板與進入蒸汽冷卻器被加熱后的給水混合后再進入鍋爐省煤器。圖2是設置串聯外置式蒸汽冷卻器后的部分熱力系統。

圖2 設置串聯外置式蒸汽冷卻器后高壓給水系統

針對串聯外置式蒸汽冷卻器給水流量的分配問題，如果通過蒸汽冷卻器的設計給水流量過大，可能造成蒸汽冷卻器尺寸較大，外形粗短，制造上也比較困難，成本較高，同時給水管道應力計算更加復雜；如果蒸汽冷卻器的設計給水流量過小，雖然可以減小蒸汽冷卻器尺寸和給水管道管徑，但不利的是此時蒸汽冷卻器內部溫升較大，低負荷時蒸汽冷卻器內部有可能出現局部汽化，造成汽阻，從而影響管內給水正常流動和換熱。

經過技術經濟綜合比較后認為，對于660 MW超超臨界機組，串聯外置式蒸汽冷卻器給水流量約為主給水流量的50%較為合適；而對于1 000 MW超超臨界機組，串聯外置式蒸汽冷卻器給水流量為主給水流量的33%左右較為適宜。

2.2 布置方式

串聯外置式蒸汽冷卻器的布置方式主要有2種：布置在3號高加上方的獨立平臺；布置在運轉層大平臺。

如果將蒸汽冷卻器布置在3號高加的上方，疏水自流入3號高加，外置蒸汽冷卻器疏水系統簡單，無需配置蒸汽冷卻器液位監測系統，蒸汽冷卻器及3號高加的疏水共用1組調閥控制，汽側管道相對順暢。萬一蒸汽冷卻器U型管泄漏，水倒流入汽輪機的風險相對較低。但蒸汽冷卻器需要單獨搭建平臺，給水管道布置相對復雜。

如果將蒸汽冷卻器布置在運轉層大平臺，給水管道布置較為簡單，同時對鋼結構影響較小，不需要另設蒸汽冷卻器平臺。但3號高加與外置蒸汽冷卻器壓差低，外置蒸汽冷卻器疏水無法排入3號高加，只能排入除氧器或凝汽器，需要設置較復雜的疏水系統。

綜上所述，考慮到機組安全、可靠、穩定運行等要素，推薦蒸汽冷卻器布置在3號高加上方的獨立平臺。

3 熱經濟性分析

表2 設置外置蒸汽冷卻器后部分熱力系統參數

設置串聯外置式蒸汽冷卻器后部分熱力參數如表2所示。由表2可以看出，第3級抽汽在蒸汽冷卻器中的焓降為498.8 kJ/kg，鍋爐給水焓升27.9 kJ/kg，對應的鍋爐給水溫升5.6℃。

通過熱力計算[3]得出，設置串聯外置式蒸汽冷卻器前后機組性能指標如表3所示。

表3 設置外置式蒸汽冷卻器前后機組性能指標

由表3可知，設置外置式蒸汽冷卻器后汽輪機熱耗率由7 322 kJ/kWh下降到7 304 kJ/kWh，對應的汽輪機絕對效率提高了0.12%，發電標煤耗下降了0.66 g/kWh。

以660 MW超超臨界機組為例，設置外置式蒸汽冷卻器經濟性分析如表4所示。以單列高加計算，給水管道規格Φ406.4 mm×45 mm，材料采用 15NiCuMoNb5-6-4，第 3級抽汽管道規格Φ324.1 mm×15 mm，材料采用A335P22。土建費用主要包括鋼結構和基礎支墩，設備材料價格含安裝費用。由表4可以看出，增設蒸汽冷卻器增加靜態初投資525萬元，每年可以節省標煤量2 395.8 t，年節煤資金215.6萬元。

表4 設置外置式蒸汽冷卻器經濟性分析

4 結論

綜上所述，大型火電發電廠設置外置式蒸汽冷卻器，能有效降低第3級抽汽的蒸汽過熱度，有效提高機組運行可靠性和熱經濟性。

（1）對于大型火力發電廠，采用部分給水進入外置式蒸汽冷卻器的串聯方式，串聯外置式蒸汽冷卻器給水流量為主給水流量的33%～50%之間較為合適。

（2）建議外置式蒸汽冷卻器，布置在3號高加上方的獨立平臺。

（3）以660 MW超超臨界機組為例，外置式蒸汽冷卻器投運后每臺機組汽輪機熱耗率下降18 kJ/kWh，發電標煤耗下降0.66 g/kWh，鍋爐給水溫度提高5.6℃。每年可節省燃煤費用215.6萬元，按初投資525萬元計算，2.4年即可回收靜態投資。

[1]林萬超.火電廠熱系統節能理論[M].西安：西安交通大學出版社，1994.

[2]李勤道，劉志真.熱力發電廠熱經濟性計算分析[M].北京：中國電力出版社,2008.

[3]李秀云，嚴俊杰，張春雨，等.外置蒸汽冷卻器機組熱力系統定量分析方法[J].中國電機工程學報，2001，21（1）∶35-39.

（本文編輯：陸 瑩）

Technical Economy Analysis of External Steam Cooler for Large Coal-fired Power Plant

TIAN Jiaping，LIN Junguang，WU Meng，GUANG Xu
（Zhejiang Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，China）

In order to decrease steam superheat degree of the third extraction steam and increase absolute heat efficiency of units，this paper presents a technical solution of installing external steam cooler.the paper suggest that large coal-fired power plant adopt a series style that 33%～50%of feedwater enters into the external steam cooler and the external steam cooler be installed on the platform above No.3 high-pressure heater.It is proved by overheat economy analysis that heat consumption rate of steam turbine and coal consumption for power generation are significantly reduced，and absolute efficiency of steam turbine is also improved.

external steam cooler；thermal system；series；technical economy

TK223.5+28∶F403.7

B

1007-1881（2015）05-0036-03

2015-03-18

田家平（1967），男，高級工程師，主要從事火力發電廠設計及工程管理工作。