1 000 MW二次再熱汽輪機帶外置蒸冷器方案能損分析

夏曉華,楊 宇,范世望,彭澤瑛,楊建道

(1.上海汽輪機廠有限公司,上海200240； 2.上海發電設備成套設計研究院,上海200240)

1 000 MW二次再熱汽輪機帶外置蒸冷器方案能損分析

夏曉華1,楊 宇2,范世望1,彭澤瑛1,楊建道1

(1.上海汽輪機廠有限公司,上海200240； 2.上海發電設備成套設計研究院,上海200240)

外置蒸汽冷卻器在高參數大容量再熱機組中能充分利用回熱抽汽的過熱度,同時提高給水溫度,從而提高循環效率。針對某1 000 MW二次再熱項目,采用能級效率法對其帶兩級外置蒸汽冷卻器方案的THA、TMCR、VWO、75%THA、50%THA等五個工況進行了能損分析,并與其常規方案的能損進行了比較。結果表明：帶外置蒸汽冷卻器方案熱耗的收益主要來自輔汽能損部分,且兩級外置蒸汽冷卻器能降低600℃熱力系統熱耗約27 kJ/(k W·h)。

汽輪機；二次再熱；外置蒸汽冷卻器；能級效率；能損比較

現代高參數大容量再熱機組通過增加一級或兩級(二次再熱)外置蒸汽冷卻器(簡稱蒸冷器),可以有效利用再熱后抽汽的過熱度,提高機組經濟性。經計算,相對600℃等級的超超臨界蒸汽循環,配置兩級外置蒸冷器使得熱耗得益0.4%［1］。筆者前期通過對二次再熱汽輪機能級效率法進行研究,以某1 000 MW二次再熱項目不帶外置蒸冷器方案(以下簡稱常規方案)為例進行了驗算,并獲得了各工況下系統能級效率和各輔汽能損值［2］。在此基礎上,筆者首先解決能級效率法中處理像外置蒸冷器這種存在能級間耦合情況的問題,然后對該項目帶外置蒸冷器方案進行能損計算與分析,最后將所得結果與常規方案進行比較,以明確前者在降低系統熱耗上的收益來源。

1 能級效率法分析原理

根據回路做功能力原理,l kg工質在熱力系統中沿任何一個閉合回路運動一周,回到原來位置,其在熱力系統中的做功能力保持不變。工質所攜帶的能量和在熱力系統中的作用位置決定了它在熱力系統中的實際做功能力,而與所經歷的做功路徑無關。而熱量對熱力系統的作用不僅與熱量的數量有關,還與熱量進出熱力系統的位置有關［3-4］。

由熱力系統基本循環結構寫出其結構矩陣A,并根據回熱特點寫出再熱結構矩陣σ,代入能級效率矩陣：

式中：η=［η0η1…ηn］T為能級效率矩陣；e1=［1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0］,第一個分量為1,其余分量為0；φeq=(h-hc)+σ為各能級等效做功能力矩陣。

解得能級效率矩陣η后,基本循環的效率為：

基本循環的熱耗為：

2 二次再熱汽輪機帶外置蒸冷器能損計算

1 000 MW二次再熱超超臨界汽輪機帶外置蒸冷器系統見圖1。

圖1 1 000 MW二次再熱超超臨界汽輪機帶外置蒸冷器系統圖

該方案與常規方案的不同主要在于多了兩級外置蒸冷器a、b,它們分別從第2號和第4號抽汽引出,以串聯的方式加熱進入鍋爐的主給水,其基本循環的分析同文獻［2］完全一致。筆者則重點闡述對外置蒸冷器進行能損分析的處理。

2.1 基本循環計算

1 000 MW二次再熱汽輪機帶外置蒸冷器方案計算結果見表1。

表1 基本循環的能級效率和熱耗計算結果

2.2 附加損失計算

除外置蒸冷器外,筆者對其他輔汽的處理參考常規處理方法［5］。

外置蒸冷器屬于一種能級之間的耦合情況,即用能級i抽汽熱量來加熱能級j的給水(i＞j)。可以把外置蒸冷器的影響分兩部分考慮,抽汽部分視為純熱量損失,而加熱給水部分視為純熱量回收,具體情況見表2。

表2 外置蒸冷器純熱量損失和回收位置

以外置蒸冷器a為例,其能損可以按照如下方法計算。

(1)抽汽時只考慮熱量損失。

輔汽a在引入點的焓向量為：

式中：hout,fa為輔汽a離開汽輪機時的焓,即2號抽汽的焓；hin,fa為輔汽a回到汽輪機時的焓,由熱平衡圖可以獲得。

1 kg輔汽a的熱量損失造成系統做功能力的損失為：

輔汽a造成系統熱耗的增加量為：

式中：qB為基本循環的熱耗；φ0,B為系統從鍋爐吸熱獲得的做功能力；dfa為外置蒸冷器a的蒸汽流量份額,由能量平衡計算或由熱平衡圖讀取。

(2)加熱給水時相當于純熱量引入鍋爐能級,外置蒸冷器a加熱給水時焓向量為：

式中：hOSC,a為外置蒸冷器a出口給水焓；hw,1為1號高壓加熱器出口給水焓。

1 kg輔汽a加熱給水時系統做功能力的損失為：

輔汽a加熱給水造成系統熱耗的增加量為：

分別對該系統的THA、TMCR、VWO、75% THA、50%THA五個工況進行輔汽能損計算,結果見表3。

表3 帶外置蒸冷器方案輔助汽水和純熱量能損計算結果

從表3可以看出：采用能級效率法計算帶外置蒸冷器方案得到的熱耗值,與平衡圖結果非常接近,絕對誤差只有1～2 kJ/(k W·h)。

3 兩種方案能損分析與比較

把系統熱耗分成基本熱耗和輔汽能損兩部分,整理表3和文獻［2］中表2的數據得到表4。

表4 兩種方案熱耗能損比較 kJ/(k W·h)

從表4可以看出：

(1)同一方案下,三種基本工況(THA、TMCR、VWO)的熱耗很接近,而部分負荷工況(75% THA、50%THA)的基本熱耗有大幅上升(100～300 kJ/(k W·h)),這主要是由于部分負荷工況下汽輪機缸效率下滑造成的。

(2)同一工況下,兩種方案基本熱耗非常接近,即鍋爐能級效率比較一致。這主要是因為兩種方案的熱力系統基本結構(回熱器配置、再熱量)完全一樣,唯一的不同在于外置蒸冷器的引入,而它對熱耗的影響在輔汽能損部分。

(3)兩種方案總熱耗差異主要來自輔汽能損。分析兩表中對應的輔汽能損值可知,除了增加的外置蒸冷器相關能損以及給水泵汽輪機抽汽的能損略有差別外,兩種方案對應工況各段輔汽的能損基本一致。

把每個外置蒸冷器抽汽能損和加熱給水能損相加,就得到了該外置蒸冷器的總能損,結果見表5。

表5 外置蒸冷器能損 kJ/(k W·h)

由表5可以看出：外置蒸冷器在能量回收上效果顯著,在600℃熱力系統基本循環基礎上,它能降低熱耗約27 kJ/(k W·h)。外置蒸冷器a接2號抽汽,其回收的能量約占兩者能量回收總量的2/3,這主要是由于該級抽汽量較大造成。比較五個工況的數值可以發現：在部分負荷工況下,外置蒸冷器a的能量回收量相比基本工況是減小的,而外置蒸冷器b的回收卻有一定程度的增加。

4 結語

通過對某1 000 MW二次再熱汽輪機帶兩級外置蒸冷器方案進行能級效率法分析,并與其常規方案做能損比較,得出以下結論：

(1)兩種方案在同一工況下的基本熱耗非常接近,熱耗差異主要來自輔汽能損部分。

(2)帶外置蒸冷器方案熱耗的收益主要來自于兩級外置蒸冷器。外置蒸冷器充分利用了再熱后抽汽的過熱度,使能量得到有效回收,降低系統熱耗約27 kJ/(k W·h)。

(3)外置蒸冷器回收的能量與其接入的能級抽汽量有很大關系,且在部分負荷工況下,外置蒸冷器b的能量回收量升高。

［1］彭澤瑛.700℃高超超臨界汽輪機雙機回熱抽汽系統的分析研究［R］.上海：上海電氣電站技術研究與發展中心,2012.

［2］夏曉華,楊宇,范世望.二次再熱汽輪機能級效率法研究［J］.熱力透平,2015,44(1)：51-54.

［3］閆水保.電站熱力系統節能原理與方法［M］.北京：中國電力出版社,2007.

［4］閆水保,閆留保.電廠熱力系統節能分析原理及應用［M］.鄭州：黃河水利出版社,2000.

［5］楊宇,史進淵,鄧志成,等.基于能級效率法的1 000 MW汽輪機熱耗計算分析［J］.發電設備,2011,25(1)：5-8.

Heat Consumption Analysis for the 1 000 MW Double-reheat Steam Turbine with External Steam Coolers

Xia Xiaohua1,Yang Yu2,Fan Shiwang1,Peng Zeying1,Yang Jiandao1
(1.Shanghai Turbine Works Co.,Ltd.,Shanghai 200240,China；2.Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai 200240,China)

External steam coolers are widely used in large-capacity high-parameters reheat unit,due to their capability in recovering the superheat degree of regenerative steam and raising the temperature of feed water,thus improving the cycle efficiency.In this paper,an energy consumption analysis was carried out to a 1 000 MW double-reheat turbine with external steam coolers under THA,TMCR,VWO,75%THA and 50%THA working conditions based on energy level efficiency method,and the results were compared with those of conventional schemes.Results show that the scheme with external steam coolers mainly reduces the heat consumption in auxiliary section,and in a 600℃thermal system with two external coolers,the heat consumption may be reduced by about 27 kJ/(k W·h).

steam turbine；double-reheat；external steam cooler；energy level efficiency；energy loss comparison

TK262

A

1671-086X(2015)03-0160-04

2014-11-07

上海市科學技術委員會科技項目資助(13DZ1101502)

夏曉華(1987-),女,助理工程師,從事汽輪機熱力系統優化、通流設計等工作。

E-mail：xiaxh@shanghai-electric.com