660 MW機組加熱器端差對熱經濟性的影響

馬一博，劉鑫屏

（華北電力大學控制與計算機工程學院，保定071003）

現階段火力發電由于其穩定、成本較低的優點，仍然是我國發電的主力，火力發電的節能減排對減少環境污染所帶來的環境問題和社會問題有著重要的意義。汽輪機回熱系統中的回熱加熱器是組成火電機組回熱系統的主要設備之一，同時也是電廠的核心部分，其運行狀況的良好與否直接影響著機組的熱經濟性。加熱器在工作過程中對回熱系統產生影響的主要原因之一就是其端差，另外由于汽輪機抽汽管道存在壓降，以及加熱器自身的散熱，所以抽汽壓損和自身的散熱損失也是對回熱系統產生影響的原因。加熱器的端差是指加熱器側抽汽壓力對應下的飽和溫度與加熱器出口水溫之差。如圖1 所示，圖中表示的是端差產生的原因，點1～點2 表示的是回熱系統中給水或者凝結水的焓升，點3～點4 的熱力過程線表示的是汽輪機抽汽在加熱器中的凝結放熱，Δ指的是加熱器的端差。當機組回熱系統運行時，加熱器的端差會使得上述的吸熱和放熱過程變的不對等，在同樣的抽汽條件下，端差會引起加熱器出口水溫降低，從而使得下一級加熱器的抽汽流量增加或者鍋爐吸熱量的增加，最后影響汽機裝置的效率。為了盡量降低加熱器端差所造成的影響，提升機組的熱經濟性，我們需要針對端差所帶來的影響進行計算和分析，以此得到各級加熱器的端差對機組影響的實際大小，使運行人員可以監管那些影響很大的加熱器，有助于指導機組的實際運行。

圖1 加熱器端差的表示Fig.1 Indication for heater terminal temperature difference

現階段，對加熱器端差的研究方法主要包括等效熱降法、熱力學方法和矩陣分析法。文獻［5］根據凝氣系數法，通過數學推導得到了不同型式加熱器的端差對經濟性影響的數學模型；文獻［6］在加熱器上端差變化的基礎上，通過能效分析模型對機組進行熱經濟性分析，提出了簡捷的數學計算模型；文獻［7］在定流量的前提下，通過分析和推導不同型號加熱器的端差與機組各參數之間的數學關系，得到了對熱經濟性影響的計算公式。文獻［8］利用偏導的方法進行數學推導，基于矩陣熱平衡方程建立了端差對熱經濟型影響的數學模型；文獻［9］將矩陣方程和熱力學方程相結合對加熱器端差的影響進行推導并建立了通用模型，與其他方法的計算結果相比較證明了實際可行性。以上研究雖然都驗證了計算模型的可行性和計算結果的準確性，但是都是基于機組的單一工況，未充分考慮機組變負荷運行工況下各加熱器端差對機組熱經濟性影響的大小和影響的變化規律。

針對以上研究未充分分析多工況下各級加熱器的端差對熱經濟性的影響及其變化規律，本文以某電廠660 MW 機組回熱系統為研究對象，基于等效熱降的方法構造加熱器端差對機組熱經濟性影響分析的模型，在THA、80%THA、60%THA、40%THA 四種不同工況下對各加熱器端差對熱經濟性的影響進行定量計算，并對比分析同一級加熱器的端差在不同工況下對熱經濟性影響的規律，給機組的實際運行提供了一定的參考。

1 等效熱降理論

由上述原理可知，當由于某些原因使得某段抽汽被排擠回汽輪機時，該單位質量的排擠蒸汽在汽輪機內做的功，就是對應的抽汽等效熱降H。

再熱熱段后的H計算公式為：

再熱冷段前的H計算公式：

式中：h為第段抽汽比焓（kJ/kg）；h為低壓缸排汽比焓（kJ/kg）；q為抽汽在加熱器中的焓降（kJ/kg）；為1 kg 高壓缸排汽在再熱器中的焓升（kJ/kg）。

公式（1）和（2）中，A的取值與相應加熱器的型號有關。假設第號加熱器為匯集式，那么A=τ。τ為給水或凝結水在加熱器中的焓升（kJ/kg）。假設第號加熱器為疏水放流式，設中間第號加熱器為匯集式，其中1 ≤＜，那么當≤≤-1 時A=γ，當1 ≤＜時A=τ。γ為疏水在加熱器中的焓降（kJ/kg）。

各級的抽汽效率為：

最終主蒸汽的等效熱降如下：

機組的循環吸熱量：

式中：為再熱蒸汽的比例；為鍋爐省煤器入口給水比焓（kJ/kg）。

所以汽輪機裝置效率為：

2 理論計算模型

如圖2 所示，No.加熱器存在端差Δ，也可用熱焓表示為Δτ。端差的存在引起給水的加熱不足，會使No.加熱器抽汽份額減少，抽汽熱量減少Δτ，同時也讓下一級加熱器的抽汽流量變多，多放熱Δτ以彌補加熱不足。由上述可知，發生在兩個加熱器上抽汽流量的變化，等效熱降會因為段抽汽做功增加Δτη，+1 段抽汽做功減少Δτη從而減少Δ=Δτ（η-η）。由此引起裝置效率降低為：

圖2 No.j加熱器的端差Fig.2 No.j heater's terminal temperature difference

對于再熱機組，因為高加端差的存在會排擠本級抽汽，增加下一級加熱器的抽汽，所以還導致機組循環吸熱量改變Δ。例如最高一級高加的端差如果發生變化，導致最終給水溫度變化，從而使鍋爐的蒸發吸熱量發生改變，同時也會引起再熱蒸汽份額的變化，使再熱蒸汽吸熱量發生改變。兩個參數變化后的公式為：

Δ和Δ在計算的過程中要區分正負。

裝置效率相對變化為：

熱耗率相對變化為：

式中：為熱耗率（kJ/kW·h）。

3 實例分析

3.1 660 MW機組數據

文中以某電廠使用的660 WM 超臨界汽輪機組為研究對象，根據THA、80%THA、60%THA 和40%THA 四種設計工況的參數，分別計算各級加熱器的端差對機組熱耗率的影響，并對比分析同一級加熱器的端差在不同工況下對機組熱耗率的影響及其變化規律。由于在設計工況下加熱器已經存在端差，所以在已有端差的基礎上分別令其變化±2 ℃、±4 ℃、±6 ℃、±8 ℃、±10 ℃來進行計算和分析。

機組的回熱系統簡圖如圖3 所示，該回熱系統一共有9 段抽汽，其中7、8、9 三段抽汽來自汽輪機高壓缸，第5 段抽汽供應于除氧器，其余8 段抽汽供應于加熱器。按照工質的流動方向，凝結水泵之后的1、2、3、4號為低壓加熱器，給水泵之后的分別為6、7、8、9 號高壓加熱器，5 號是除氧器。THA 工況下9 號高壓加熱器被關閉，其抽汽量為零，其余三種工況9 號高壓加熱器正常工作。機組主要參數如表1所示。

3.2 各級加熱器端差對熱耗率的影響

根據各設計工況下的參數，使用上述理論計算模型，來對THA、80%THA、60%THA 和40%THA滑壓工況下各級加熱器的端差對熱耗率的影響進行計算，并繪制成加熱器上端差變化（℃）和熱耗變化率（%）的關系圖。結果如圖4～圖7。

圖3 機組回熱系統簡圖Fig.3 Diagram of unit regenerative system

表1 機組主要參數Tab. 1 Main parameters of the unit

圖4 THA工況Fig.4 Working condition of THA

各加熱器的端差對熱耗率的影響大致成線性關系。圖4 中，THA 工況下9 號高加被關閉，8 號高加的端差對熱耗率的影響最大，端差增加2 ℃時熱耗率增加0.062%，2 號低加次之，端差增加2 ℃時熱耗率增加0.033%，3 號低加的端差對熱耗率的影響最小，端差增加2 ℃時熱耗率增加0.015%，其余加熱器的端差對熱耗率的影響大致相同。端差變化相同時，8 號高加對熱耗率的影響約是2號低加的2倍，2號低加對熱耗率影響約是3號低加的2倍。

圖5 80%THA工況Fig.5 Working condition of 80%THA

圖6 60%THA工況Fig.6 Working condition of 60%THA

圖5～圖6 中，80%THA 和60%THA 兩種工況下熱耗相對變化率最高的是9 號高加，端差增加2 ℃時分別使熱耗率增加了0.051%和0.048%，2 號低加使熱耗率分別增加了0.033%和0.034%，3號低加引起的熱耗相對變化率最低，端差增加2 ℃時熱耗率都增加了0.015%。

圖7 40%THA工況Fig.7 Working condition of 40%THA

圖7 中，40%THA 工況下9 號高加的端差對熱耗率的影響最大，當端差增加2 ℃時熱耗率增加0.044%，2 號低加的端差對熱耗率的影響次之，端差增加2 ℃時對熱耗率的影響為0.036%，8 號高加端差對熱耗率的影響最小，端差增加2 ℃時熱耗率增加0.015%，3 號和8 號兩個加熱器的端差對熱耗率影響差距很小。端差增加2 ℃時可以看出，對機組熱耗率的影響中，9 號高加約是8 號高加的3 倍，2號低加約是8號高加的2.4倍。

從結果中我們可以看到，最后一級高加的端差對熱耗率影響最大，原因是因為最后一級高加端差的存在，使機組循環吸熱量發生明顯變化，因此對熱耗率的影響也就更大，所以在機組實際運行中要盡可能減少最后一級高加的端差。與高加相比低加對機組熱耗率的影響較大，是因為回熱系統中相鄰兩級低壓加熱器的抽汽效率之差較大，所以對熱耗率的影響就較大。因此可以得知，加熱器的型號和加熱器所處位置的不同，以及回熱系統給水在各個加熱器中吸熱量的不同，即使是在同一回熱系統中，對機組熱經濟性的影響亦不一樣。在四種工況下分別將各級加熱器的端差增大2 ℃，結果如表2所示。

3.3 同一級加熱器端差對熱耗率的影響對比

分別將同一級加熱器的端差在不同工況下對熱耗率的影響進行對比分析。從表2 的數據來看，4個高壓加熱器中9 號高加的端差對熱耗率的影響最大，6 號和7 號高加的端差對熱耗率的影響大致相同，8 號高加端差對熱耗率的影響最小。同一級高加的端差對熱耗率的影響大小是隨著工況的改變而變化的，雖然變化幅度較小，但總體來說，隨著機組出力的增加，同一級高加的端差對熱耗率的影響逐漸變大。8 號高加在THA 工況的熱耗變化率明顯比其他三種工況的大，是因為THA 工況下9號高加被關閉，8 號高加就成為了回熱系統中的最后一級高加，其端差對熱耗率的影響就會變大很多。

表2 各加熱器端差增加2 ℃時機組熱經濟性的變化Tab.2 The change of heat economy of the unit when the terminal temperature difference of each heater increases by 2 ℃

由表2數據可知，端差分別增加2 ℃時，4個低壓加熱器中對機組熱耗率影響最大的是2 號低加，緊接著的是4 號以及1 號，影響最小的是3 號低加。此外低加與高加的情況正好相反，雖然在不同工況下同一級低加端差對熱耗率的影響互相之間差別也不大，但是隨著機組出力的增加，同一級低加的端差對熱耗率的影響逐漸變小。出現這種情況是因為隨著機組出力的減小，例如從60%THA 工況變成40%THA 工況，相鄰兩級低壓加熱器抽汽效率的差值就會變大，從而導致端差對熱耗率的影響變大。

近些年來風電和光電行業的迅猛發展，使得新能源的發電量占比越來越高，緊接著導致我國新能源消納問題日益嚴峻，“棄風棄光”的現象愈發嚴重，火力發電作為中流砥柱承擔著更大的調峰壓力，因此火電機組經常處于低負荷運行狀態。通過以上分析可知，在這種情況下除了要盡量減小最后一級高加和2 號低加的端差，而且當機組因調峰而負荷變低時，考慮到上述低加對熱耗率和煤耗率的影響，所以要更加重視機組低負荷運行時低加的端差對熱經濟性的影響。通過上述研究，能使運行人員在機組實際運行時重點監測對機組熱經濟性影響較大的加熱器的端差，從而為機組經濟運行提供實際指導。

4 結 論

以某電廠660 MW 機組為研究對象，基于等效熱降理論，計算了THA、80%THA、60%THA 和40%THA 四種工況下各級加熱器的端差對機組熱耗率的影響，并對比分析了同一級加熱器的端差在不同工況下對熱耗率的影響及其變化規律，有助于指導機組的實際運行，對機組運行優化與節能降耗具有重要意義。主要結論如下：

1）THA工況下8號高加和2號低壓的端差對機組熱耗率的影響較大，80%THA、60%THA 和40%THA 三種工況下9 號高加和2 號低加的端差對機組熱耗率的影響較大，因此在機組實際運行中應盡量降低最后一級高加和2 號低加的端差，以提高機組的熱經濟性。

2）在四種不同工況下，隨著機組出力的增加，同一級高加的端差對熱耗率的影響逐漸變大，而同一級低加的端差對熱耗率的影響逐漸變小。

3）在對新能源消納的背景下，當機組因調峰而負荷變低時，應更加重視低加的端差對機組熱經濟性的影響。