600 MW亞臨界空冷機(jī)組節(jié)能潛力分析

趙志宏，劉　吉，付喜亮，段棟偉，鄭　磊，劉文毅

(1. 北京能源集團(tuán)有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古京隆發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)012100；2. 華北電力大學(xué) 國(guó)家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心，北京102206)

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600 MW亞臨界空冷機(jī)組節(jié)能潛力分析

趙志宏1，劉吉1，付喜亮1，段棟偉2，鄭磊2，劉文毅2

(1. 北京能源集團(tuán)有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古京隆發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)012100；2. 華北電力大學(xué) 國(guó)家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心，北京102206)

摘要：針對(duì)某600 MW亞臨界空冷機(jī)組實(shí)際供電煤耗率偏高的現(xiàn)狀，從機(jī)組鍋爐、汽輪機(jī)兩大部分進(jìn)行了能效診斷，并診斷出機(jī)組供電煤耗實(shí)際值較供電煤耗設(shè)計(jì)值偏高的主要原因。借助EBSILION模擬軟件，計(jì)算發(fā)現(xiàn)100%THA工況下低壓缸相對(duì)內(nèi)效率較設(shè)計(jì)值偏低，因此導(dǎo)致供電煤耗率有所增加。同時(shí)，又針對(duì)機(jī)組特點(diǎn)，提出了電動(dòng)泵改汽動(dòng)泵、提高主再熱蒸汽溫度的節(jié)能措施，并詳細(xì)分析了兩種節(jié)能措施對(duì)機(jī)組設(shè)計(jì)工況特性的影響。研究結(jié)果表明：在100%～40%THA不同工況下，同時(shí)進(jìn)行電動(dòng)泵改汽動(dòng)泵以及提高主再熱蒸汽溫度后，機(jī)組發(fā)電功率增加，且供電煤耗率下降明顯，兩種改造措施所帶來的節(jié)能效果非常顯著。

關(guān)鍵詞：節(jié)能診斷；通流效率；蒸汽溫度；電泵改汽泵

0引言

為貫徹落實(shí)國(guó)務(wù)院要求，國(guó)家發(fā)改委制定了關(guān)于煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造的計(jì)劃，其中規(guī)定到2020年，現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組改造后平均供電煤耗低于310g/(kW·h)時(shí)，600MW級(jí)濕冷、空冷機(jī)組分別不高于303、320g/(kW·h)[1,2]。針對(duì)目前京隆在役兩臺(tái)600MW機(jī)組供電煤耗較發(fā)改委要求值高20g左右的現(xiàn)狀，本文應(yīng)用EBSILION模擬計(jì)算軟件對(duì)該廠鍋爐與汽輪機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，查找缺陷，并對(duì)幾種升級(jí)改造方案進(jìn)行模擬計(jì)算，為該廠降低供電煤耗的目標(biāo)提供理論指導(dǎo)。

內(nèi)蒙古京隆發(fā)電有限責(zé)任公司1號(hào)爐型號(hào)SG-2059/17.5-M9XX為上海鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界中間一次再熱控制循環(huán)鍋爐。鍋爐采用四角切圓燃燒方式，正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配6臺(tái)HP983中速磨，滿負(fù)荷工況下5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行。該廠汽輪機(jī)組的型號(hào)為N600-16.7/538/538，汽輪機(jī)采用中間再熱直接空冷凝汽式，為單軸雙缸雙排汽，高中壓缸采用合缸反流結(jié)構(gòu)。有七級(jí)不調(diào)整抽汽，回?zé)嵯到y(tǒng)為“三高三低一除氧”。 汽輪機(jī)排出的乏汽，經(jīng)由2根DN6000的主排汽管道引至空冷凝汽器系統(tǒng)。空冷系統(tǒng)采用單排管換熱管束。每臺(tái)機(jī)組的風(fēng)機(jī)冷卻單元按照7×8方式布置，共56個(gè)冷卻單元。空冷平臺(tái)高度設(shè)為40m；冷卻風(fēng)機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)軸流風(fēng)機(jī)。

1機(jī)組性能能耗分析

1.1供電煤耗率分析

收集京隆電廠運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的日平均值，該廠2014年全年日平均負(fù)荷在580MW以上共有22天，并取其平均值作為供電煤耗的統(tǒng)計(jì)值。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的整理匯總?cè)绫?所示。

能耗指標(biāo)分析是指通過對(duì)能耗指標(biāo)的實(shí)際值與設(shè)計(jì)值或目標(biāo)值的對(duì)比，分析能耗指標(biāo)偏差，發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中經(jīng)濟(jì)性方面存在的問題，從而為運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整、設(shè)備治理和節(jié)能改造提供依據(jù)和方向[3]。該廠2014年全年負(fù)荷在580MW以上時(shí)供電煤耗正平衡統(tǒng)計(jì)值約在330～360g/(kW·h)，其供電煤耗正平衡平均值為341.86g/(kW·h)。機(jī)組供電煤耗設(shè)計(jì)值為322.67g/(kW·h)，發(fā)改委要求值為320g/(kW·h)。京隆電廠供電煤耗運(yùn)行值較供電煤耗設(shè)計(jì)值高19.19g/(kW·h)，較發(fā)改委要求值高出21.86g/(kW·h)，節(jié)能降耗的潛力巨大。

表1　供電煤耗日平均值

1.2鍋爐效率分析

供電煤耗反平衡推算鍋爐運(yùn)行效率ηb，其中熱耗率、供電煤耗反平衡值、廠用電率等均為運(yùn)行數(shù)據(jù)。

(1)

(2)

ECR設(shè)計(jì)工況下鍋爐熱效率為93.16%，排煙溫度為128℃。選取該廠12天有代表性數(shù)據(jù)，計(jì)算出鍋爐運(yùn)行效率，計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可知，機(jī)組負(fù)荷較高時(shí)鍋爐的運(yùn)行效率不低于ECR設(shè)計(jì)工況下的鍋爐熱效率；因此，該廠鍋爐的運(yùn)行水平基本可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)供電煤耗的大幅升高其主要原因應(yīng)該不在鍋爐側(cè)。

表2　實(shí)際運(yùn)行工況下鍋爐熱效率計(jì)算

1.3汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率分析

汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率作為評(píng)估通流效率的指標(biāo)有著重要意義，對(duì)機(jī)組能耗影響巨大[4-7]。各級(jí)組間相對(duì)內(nèi)效率的運(yùn)行值與設(shè)計(jì)值對(duì)比，運(yùn)用EBSILION能耗分析軟件進(jìn)行耗差分析，計(jì)算得到3種工況下，缸效率對(duì)能耗影響情況見表3。低壓缸排汽焓值由相似三角形法[8]計(jì)算得出。

由表3可知，對(duì)于汽輪機(jī)通流部分高壓缸效率稍差于設(shè)計(jì)值，中壓缸效率優(yōu)于設(shè)計(jì)值，低壓缸效率大幅低于設(shè)計(jì)值；在對(duì)汽輪機(jī)維修改造時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)低壓缸進(jìn)行節(jié)能改造。針對(duì)100%負(fù)荷工況，低壓缸相對(duì)內(nèi)效率設(shè)計(jì)值為92.86%，而運(yùn)行值僅為80.33%，通過分析計(jì)算，僅由于低壓缸通流效率過低就可使熱耗率上升542.06kJ/(kW·h)，使供電煤耗率升高21.69g/(kW·h)，與能耗對(duì)標(biāo)數(shù)據(jù)較為吻合，因此可以看出該廠機(jī)組主要問題在汽輪機(jī)低壓缸通流部分，機(jī)組在大修中應(yīng)重點(diǎn)對(duì)低壓缸進(jìn)行維修改造。

表3　機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中缸效率對(duì)能耗的影響

2設(shè)計(jì)工況建模

以京隆電廠汽輪機(jī)說明書中汽水流程原則性熱力圖為基準(zhǔn)，采用經(jīng)典熱平衡計(jì)算法與EBSILION模擬法，分別完成不同設(shè)計(jì)工況下的模型搭建與熱力性能計(jì)算。原系統(tǒng)模型作為電泵改汽泵與提高主蒸汽溫度、再熱溫度的基準(zhǔn)模型系統(tǒng)。EBSILONProfessional[9,10]軟件用于計(jì)算熱力過程的熱量、功量、循環(huán)效率、熱力狀態(tài)參數(shù)等物理量。可以用于太陽(yáng)能發(fā)電、核電、火電等熱力電站系統(tǒng)的性能計(jì)算，是電站設(shè)計(jì)、規(guī)劃和優(yōu)化運(yùn)行的現(xiàn)代化工具。

本文參照?qǐng)D1熱力系統(tǒng)模型，并結(jié)合該機(jī)組汽輪機(jī)設(shè)計(jì)說明書，對(duì)機(jī)組在100%THA～40%THA6種工況下的熱力特性進(jìn)行了模擬，表4為100%THA工況的詳細(xì)參數(shù)，表5為模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)值的對(duì)比。為了驗(yàn)證搭建計(jì)算模型的正確性與準(zhǔn)確性，在此選取機(jī)組的兩個(gè)重要參數(shù)：發(fā)電功率、熱耗率；并將計(jì)算模型得出的發(fā)電功率、熱耗率同京隆電廠汽輪機(jī)說明書中兩項(xiàng)數(shù)據(jù)做對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表5所示。模型計(jì)算得出發(fā)電功率為600.77MW，汽輪機(jī)說明書中設(shè)計(jì)值為600.185MW，兩者之差為0.585MW，計(jì)算得出相對(duì)誤差為0.09 75%(相對(duì)誤差<0.1%)；模型計(jì)算得出熱耗率為8 076.04kJ/(kW·h)，汽輪機(jī)說明書中設(shè)計(jì)值為8 064kJ/(kW·h)，兩者之差為12.04kJ/(kW·h)，計(jì)算得出相對(duì)誤差為0.149 3%(相對(duì)誤差<0.2%)；可見利用EBSILON軟件搭建的模型其正確性與準(zhǔn)確性是可以保證的，能夠作為其它改造方案的原模型。

表6為80%THA～40%THA工況下，計(jì)算模型的輸出結(jié)果，其中發(fā)電功率與熱耗率的誤差均在0.3%以內(nèi)。

圖1　京隆電廠熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

說明書參數(shù)單位數(shù)值說明書參數(shù)單位數(shù)值主蒸汽壓力MPa16.67低加五抽溫度℃302.5主蒸汽溫度℃538低加六抽壓力MPa0.2404再熱蒸汽壓力MPa3.414低加六抽溫度℃196.3再熱蒸汽溫度℃538低加七抽壓力MPa0.0806鍋爐給水壓力MPa18.65低加七抽溫度℃93.73鍋爐給水溫度℃276排氣壓力MPa0.015鍋爐效率%93.16第一級(jí)高加上端差℃-1.6廠用電率%7.54第一級(jí)高加下端差℃5.6發(fā)電機(jī)效率%99第二級(jí)高加上端差℃0高加一抽壓力MPa6.081第二級(jí)高加下端差℃5.6高加一抽溫度℃385.3第三級(jí)高加上端差℃0高加二抽壓力MPa3.793第三級(jí)高加下端差℃5.6高加二抽溫度℃322.5第五級(jí)低加上端差℃2.8高加三抽壓力MPa2.045第五級(jí)低加下端差℃5.6高加三抽溫度℃461.5第六級(jí)低加上端差℃2.8除氧器四抽壓力MPa1.016第六級(jí)低加下端差℃5.6除氧器四抽溫度℃361第七級(jí)低加上端差℃2.8低加五抽壓力MPa0.615第七級(jí)低加下端差℃5.6

表5　模型計(jì)算結(jié)果

表6　其它工況下模型計(jì)算結(jié)果

3改造方案

3.1電動(dòng)給水泵改汽動(dòng)給水泵

目前600MW亞臨界機(jī)組通常采用汽動(dòng)給水泵，小汽輪機(jī)采用主汽輪機(jī)抽汽作為工質(zhì), 可以使主汽輪機(jī)末級(jí)蒸汽量減少, 從而減少末級(jí)汽流的全速損失, 提高了主汽輪機(jī)的內(nèi)效率。改造方案中采用汽輪機(jī)第四段抽汽驅(qū)動(dòng)小汽機(jī)，增設(shè)小型間接空冷凝汽器，僅冷凝小汽機(jī)排汽，小汽機(jī)排汽壓力為6kPa，遠(yuǎn)低于汽輪機(jī)背壓15kPa。目前運(yùn)行中的小汽機(jī)相對(duì)內(nèi)效率通常較低，且隨負(fù)荷降低而急劇減小，現(xiàn)設(shè)定機(jī)組負(fù)荷由100%THA降至40%THA時(shí)，小汽機(jī)相對(duì)內(nèi)效率由82%降低至70%。

3.2提高主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度

根據(jù)朗肯循環(huán)定理，提高主蒸汽的初溫與再熱溫度會(huì)提高平均吸熱溫度，從而提升蒸汽循環(huán)效率，降低能耗。同時(shí)，提高蒸汽初溫，還可使排汽干度提高，從而減少低壓缸排汽濕汽損失，提高汽輪機(jī)效率。通過工程簡(jiǎn)化回?zé)崴惴蓪?duì)提高主再熱汽溫的節(jié)能效果進(jìn)行理論分析，從熱力學(xué)的基本原理出發(fā),并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,忽略各回?zé)岢槠挠绊?求得主蒸汽參數(shù)偏離目標(biāo)值造成經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的變化[11,12]。該機(jī)組主再熱溫度僅為538℃，而目前600MW機(jī)組主汽溫度多在570℃左右，故案例機(jī)組主汽初參數(shù)存在一定的提升空間；綜合案例機(jī)組汽輪機(jī)金屬材料強(qiáng)度極限和機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，本文中擬將其主再熱蒸汽溫度由538℃提高到570℃。

4改造后節(jié)能效果評(píng)估

以準(zhǔn)確的原系統(tǒng)模型為基準(zhǔn)，同時(shí)進(jìn)行電泵改汽泵與提高主蒸汽溫度、再熱溫度改造，分析電泵改汽泵與提高主、再熱蒸汽溫度兩種改造方案集成后的節(jié)能效果，圖2為100%THA工況電泵改汽泵與提升主再蒸汽溫度模型圖。

表7為100%THA工況下兩種改造后模型與原系統(tǒng)參數(shù)的對(duì)比；表8為100%THA電泵改汽泵與提高蒸汽初溫、再熱溫度集成模型計(jì)算結(jié)果。

圖2　100%THA工況電泵改汽泵與提升主再蒸汽溫度模型

項(xiàng)目原機(jī)組改造后機(jī)組M/(kg·s-1)P/barT/℃M/(kg·s-1)P/barT/℃主蒸汽513.5166.7538513.5166.7570再熱蒸汽441.434.1538443.734.1570一段抽汽36.760.8386.135.460.8414.6二段抽汽35.437.932334.437.9349.3三段抽汽21.520.5461.321.120.5491.2四段抽汽15.410.2361.115.210.2387.9流入低壓缸蒸汽404.510.2361.1390.010.2387.9五段抽汽22.86.15302.622.56.1327.4六段抽汽212.4196.120.92.4216.9七段抽汽22.10.8193.7(0.999)22.50.81109.3汽輪機(jī)排汽338.60.1554.0(0.931)324.10.1554.0(0.943)凝結(jié)水404.59.9554.1407.49.9553.3鍋爐入口給水513.5201.5276.1513.5201.5276.1

表8　100%THA電泵改汽泵與提高蒸汽初溫、再熱溫度集成模型計(jì)算結(jié)果

對(duì)于100%THA工況，僅將電動(dòng)給水泵改為汽動(dòng)給水泵后，廠用電率由7.54%下降至5.00%。改造前后，設(shè)定主蒸汽流量為不變量，汽輪機(jī)中用來發(fā)電的一部分蒸汽，用來驅(qū)動(dòng)小汽機(jī)帶動(dòng)給水泵，因此發(fā)電煤耗率增加6.76g/(kW·h)；同時(shí)廠用電率大幅降低，最終使得供電煤耗下降1.52g/(kW·h)。僅將主再熱蒸汽溫度由538℃提高至570℃后，廠用電率不變，平均吸熱溫度升高，平均放熱溫度基本不變，發(fā)電功率較原系統(tǒng)增加31.34MW，增幅為5.21%；發(fā)電煤耗率較原系統(tǒng)降低4.37g/(kW·h)，供電煤耗率降低4.73g/(kW·h)。

以原系統(tǒng)模型為基準(zhǔn)，在設(shè)定主蒸汽流量不變的前提下，同時(shí)進(jìn)行上述兩種改造，廠用電率由7.54%下降至5.00%，發(fā)電功率較原系統(tǒng)增加17.98MW，增幅為3%；供電煤耗率降低6.54g/(kW·h)，降低2.0%。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，電泵改汽泵與提高主再蒸汽溫度有相互促進(jìn)的效果(6.54>1.52+4.73)，可見兩種改造措施有明顯的節(jié)能效果。

參照機(jī)組汽輪機(jī)熱力說明書其它工況下的汽水流程熱力系統(tǒng)圖，又分別在80%THA(定壓)、75%THA(滑壓)、60%THA(滑壓)、50%THA(滑壓)、40%THA(滑壓)5種工況下，以原系統(tǒng)模型為基準(zhǔn)進(jìn)行了電泵改汽泵與提升主蒸汽溫度與再熱溫度的計(jì)算，表9為變工況下電泵改汽泵與提高蒸汽初溫、再熱溫度集成模型計(jì)算結(jié)果。

表9　變工況下電泵改汽泵與提高蒸汽初溫、再熱溫度集成模型計(jì)算結(jié)果

續(xù)表

由表9可知，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷在80%～40%THA工況變化時(shí)，兩種改造集成后機(jī)組凈出功可增加12.19～27.53MW，汽輪機(jī)熱耗率升高38.99～46.08kJ/(kW·h)，供電煤耗可降低6.93～8.04g/(kW·h)；且隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，兩種改造集成后的節(jié)能效果會(huì)逐漸提高；這主要是由于機(jī)組在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)通流部分流量減小，各項(xiàng)損失增大，機(jī)組運(yùn)行水平更低，因此，由電泵改汽泵與提高主再熱汽溫帶來的節(jié)能效果更加顯著。

5結(jié)論

本文針對(duì)600MW亞臨界空冷機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中煤耗偏高的問題，首先進(jìn)行了運(yùn)行煤耗率、設(shè)計(jì)煤耗率以及煤耗目標(biāo)值的對(duì)標(biāo)，然后對(duì)機(jī)組鍋爐與汽輪機(jī)兩大部分進(jìn)行了診斷分析，通過機(jī)組運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)標(biāo)，并借助EBSILION能耗軟件，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)低壓缸通流效率過低是機(jī)組煤耗率偏高的主要問題。結(jié)合該機(jī)組的實(shí)際情況，提出了電泵改汽泵與提高主再熱蒸汽溫度兩種改造方案，并以該典型600MW亞臨界空冷機(jī)組為例，詳細(xì)分析了兩種改造方案對(duì)機(jī)組運(yùn)行特性的影響，并對(duì)機(jī)組在不同工況下的節(jié)能效果進(jìn)行了計(jì)算分析。研究結(jié)果表明：

(1)對(duì)于該廠機(jī)組，鍋爐運(yùn)行效率達(dá)到設(shè)計(jì)要求；機(jī)組能耗偏高的主要問題在于汽輪機(jī)低壓缸通流效率過低；100%負(fù)荷工況下，低壓缸相對(duì)內(nèi)效率運(yùn)行值為80.33%，較設(shè)計(jì)值低12.53%，使供電煤耗率上升21.69g/(kW·h)。

(2)100%THA工況下，將電動(dòng)給水泵改為汽動(dòng)給水泵并使主再熱蒸汽溫度由538 ℃提高至570 ℃，機(jī)組供電煤耗率降低6.54g/(kW·h)，節(jié)能效果顯著。

(3)僅對(duì)機(jī)組進(jìn)行電泵改汽泵，可使供電煤耗率降低1.52g/(kW·h)；僅對(duì)機(jī)組進(jìn)行提高主再熱蒸汽溫度后，可使供電煤耗率降低4.73g/(kW·h)；而將兩種改造集成后，可使供電煤耗率降低6.54g/(kW·h)，可見兩種改造有相互促進(jìn)的作用，集成后會(huì)使節(jié)能效果更加明顯。

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The Performance Assessment and Energy Potential Analysis for 600MW Subcritical Air Cooling Unit

ZHAOZhihong1,LIUJi1,FUXiliang1,DUANDongwei2,ZHENGLei2,LIUWenyi2

(1.InnerMongoliaJinglongpowerCo.Ltd.,BeijingenergygroupCo.Ltd.,Fengzhen012100,China;2.NationalThermalPowerResearchCenter,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)

Abstract：This paper carried on a diagnosis of energy efficiencyin view of two main parts, boiler and turbine, and found out the reason why the actual value of the power supply coal consumption is higher than the design value in 600MW subcritical air cooling unit.Using EBSILION simulation software, we discovered that the low pressure cylinder relative internal efficiency is lower than the design value in 100%THA working condition, and this leads to the rise of the power supply coal consumption rate. According to characteristics of the unit, we put forward two kinds of energy saving measurements,changing electric pump to steam pump and improving the temperature of mainand reheat steam, and analyzed the influence of the two kinds of energy saving measures on the characteristics of the unit underdesign conditions. The results show that in the range of 100%～40%THA, by implementing the two measurements, the unit generated power rises, and the power supply coal consumption rate reduces obviously, so energy-saving effect is remarkable.

Keywords：diagnosis of energy saving;flow efficiency;steam temperature;electric pump to steam

收稿日期：2016-04-01。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No. 51476053)。

作者簡(jiǎn)介：趙志宏(1974-)，男，工程師，主要從事火電廠節(jié)能和運(yùn)行管理工作；通信作者：段棟偉，E-mail：ncepu_xjnl@163.com。

中圖分類號(hào):TK262

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.05.013