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1、燃煤电厂 660 MW 超超临界汽轮机回热抽汽级数优化方法 王运民;李斌;赵伟志;陈向民【摘 要】提出一种回热系统抽汽级数优化方法.回热系统抽汽级数优化过程中,提出3 种优化方案;根据等效热降法,对 3 种抽汽级数优化的回热系统进行热经济性计算,并考虑设备、系统投资费用等因素,对 3 种抽汽级数优化的回热系统进行综合经济性比较,确定出最终的优化方案及优化结果.针对国内某电厂 660 MW 超超临界汽轮机回热系统进行抽汽级数优化分析,结果表明:该文优化方案比传统设计方案效率更高,降低了热耗与煤耗.%An optimal method of regenerative extraction stea
2、m numbers for 660 MW ultra-supercritical steam turbine was proposed in this paper.Three optimal schemes were presented in the process of evacuation steam numbers optimization for the regenerative system.According to the equivalent thermal drop method,the heat economy calculation of the three regener
3、ative systems optimized for the extraction steam numbers were carried out.And considering the factors of the equipment and system investment cost,the final optimization program and results were determined by the comprehensive economic analysis and comparison.The experimental results showed that the
4、proposed method had higher efficiency and lower losses compared to the traditional methods.【期刊名称】电力科学与技术学报【年(卷),期】2017(032)004【总页数】5 页(P115-119)【关键词】燃煤电厂;超超临界汽轮机;等效热降法;回热抽汽级数【作 者】王运民;李斌;赵伟志;陈向民【作者单位】长沙理工大学 能源与动力工程学院,湖南 长沙 410076;长沙理工大学 能源与动力工程学院,湖南 长沙 410076;长沙理工大学 能源与动力工程学院,湖南 长沙 410076;长沙理工大学 能源与动
5、力工程学院,湖南 长沙 410076【正文语种】中 文【中图分类】TK262 回热循环是指从汽轮机某些中间级抽出部分蒸汽，送入回热加热器对锅炉给水或凝结水进行加热的过程。影响回热循环热经济性的主要因素是回热抽汽级数、给水焓升分配和给水温度1-2。当给水温度一定时，随着回热级数的增加，回热抽汽的做功增加，附加冷源热损失减少，汽轮机绝对内效率将增加。理论上，给水回热的级数越多，汽轮机的回热循环过程越接近卡诺循环，循环效率越高；但回热级数增加时，热效率的增长逐渐趋缓，相对收益在下降，而且系统复杂、投资增加、检修维护费用增大。中国大型火电机组，从亚临界参数到超临界参数、直至超超临界参数，基本上都采用“
6、三高、四低、一除氧”的八级非调节回热抽汽模式。但随着汽轮机进汽参数的提高，各级抽汽的参数也在提高，且给水温度变化很大。这样若抽汽级总是保持不变，必然会使回热效果得不到应有的提高。所以对大型汽轮机而言，到底采用多少抽汽级数最合理，也即对回热系统进行回热抽汽级数优化研究是很有必要的。1 汽轮机回热抽汽级数优化方法 1.1 回热抽汽级数的确定方法 回热抽汽级数的确定应根据等温升分配原则，取每台加热器的给水温升为（305）3，在已知机组给水温度、除氧器出水温度及最低压力的低加进水温度时，分高、低压两段分别求高、低压回热系统的抽汽级数。其中，高压回热系统抽汽级数：式中 tfw 为给水温度，；tdw 为除
7、氧器出水温度，。低压回热系统抽汽级数：式中 tcw 为最低压力低压进水温度，。按式（1）、（2）计算出的高、低压两段回热抽汽级数实际计算结果是一个数值范围，要取整数。1.2 回热循环热经济计算方法 回热循环热经济计算采用等效热降法4-5。等效热降理论是 20 世纪 60 年代后期由库兹湟佐夫提出并逐渐发展成熟的一种新的热经济性计算的方法。其依据热工过程的转换机理，针对系统构造和状态参数以及装置质量的特征，经过严格缜密地推算，得出抽汽等效热降 Hj、抽汽效率 j 等参数，用来分析热力过程的一种方法。等效热降法通常用于热工过程和蒸汽循环设备研究，在机组的设计和运行中，可以来验证项目的综合效益，分析
8、热工过程中某些因子和系统部分改动后的经济性；它抛弃了热量法常规运算的缺陷，不需要进行整个重新运算便能得出改动的经济性6。1）热力参数的整理。科学处理原始数据，把复杂的热工参数分为 3 种类别：单位质量的主凝结水经过加热器中的焓升，以 j 表示；单位质量的蒸汽经过加热器进行冷却而放出的热量，以 qj 表示；单位质量的加热器疏水经过加热器冷却而放出的热量，以 j表示。在数据处理时，依据加热器的种类区别，其 j、qj、j 的公式也有差别的。对疏水自流式加热器：对混合式加热器：式（3）、（4）中 hj 为第 j 号加热器抽汽焓，kJ/kg；分别为第 j 号加热器进水和出水焓，kJ/kg；分别为第 j+
9、1 号加热器和 j 加热器的疏水焓，kJ/kg。2）抽汽等效热降及抽汽效率。排挤单位质量抽汽从 j 级抽汽口返回到汽机继续所做的功称为抽汽等效热降，以Hj 表示。再热热段以后有 式中 Ar 取 r 或 r；r 为 j 级抽汽的抽汽口脚码，根据加热器类别确定 Ar：若 j 为汇集式加热器，则均以 r 代替；若 j 为疏水自流式加热器，则从 j 到（包含）混合式加热器用 r 表示 Ar，而在混合式加热器以下，不管是混合式还是疏水自流式加热器，则均用 r 表示 Ar。再热热冷段及冷段以上，抽汽等效热降为 单位质量蒸汽回到汽轮机的做功 Hj 和该级所需的热量 qj 的比值称为抽汽效率，以j 表示，其计
10、算式为 主蒸汽等效热降为 式中 为热力系统全部辅助成分的做功损失，kJ/kg。3）汽轮机装置效率。式中 Q 为循环吸热量，kJ/kg。1.3 综合技术经济性分析 汽轮机回热系统抽汽级数优化过程中，除了考虑热经济性，还应考虑设备、系统的投资费用。根据技术经济学概论7，等额分付现值公式计算服务年限内节省燃料运行收益：式中 p 为折现后的现值；A 为每年节省燃料的收益；i 为折现率；n 为需计算折现的年数。投资收益率：其中，K 为设备、系统等投资总费用。2 660 MW 超超临界汽轮机回热系统抽汽级数优化实例 2.1 原回热系统简介 以中国某电厂 660 MW 超超临界汽轮机回热系统作为实例进行优化
11、分析。该机组型号为 N600-27/600/620，回热系统构成如图 1 所示。此回热系统采用三高、四低、一除氧器的八级非调节抽汽结构，回热系统的第一、二、三级抽汽分别供给 3台高压加热器，第四级抽汽供给除氧器、2 台汽动给水泵，第五、六、七、八级抽汽分别供给 4 台低压加热器。第一、二级抽汽来源于汽轮机的高压缸，第三、四、五级抽汽来源于汽轮机的中压缸，第七、八级抽汽来源于汽轮机的低压缸。2.2 回热系统优化分析 原回热系统给水温度 tfw 为 289.7、除氧器出水温度 tdw 为 186.5 以及最低压力低加的进水温度为 34.5,由式（1）、（2）计算得出高压回热系统抽汽级数为 34 级
12、，低压回热系统抽汽级数为 46 级（含除氧器）。所以回热系统抽汽级数优化的选择范围为 710 级。因为七级回热抽汽热经济性差，八级回热抽汽是原有的回热系统，故优化选择方案如图 1 所示。图 1 660 MW 超超临界汽轮机原回热系统 Figure1 600 MW ultra-supercritical steam turbine original heat recovery system diagram 1）第 1 种回热系统抽汽级数优化。回热抽汽级数取九级，增加 1 台高压加热器。由于在高压缸开抽汽口，使得汽轮机排挤低压抽汽，热经济性下降，故应在中压缸开抽汽口。因不能在过热度大的再热后三级抽
13、汽前增加抽汽8，所以在原回热系统的 3 号高压加热器与除氧器之间增加 1 级抽汽和 1 台高压加热器，原回热系统的 3 号高压加热器的疏水流入级数优化后回热系统的 4 号高压加热器中，级数优化后回热系统的 4 号高压加热器的疏水流入除氧器中混合。原回热系统 5、6、7、8 号低压加热器相应地变为优化后回热系统的 6、7、8、9 号低压加热器。2）第 2 种回热系统抽汽级数优化。回热抽汽级数取九级，增加 1 台低压加热器。由原热力系统设计数据可知，6 号低压加热器温升是 7 号低压加热器温升 3 倍多，严重偏离等焓升分配原则。故在原回热系统的 6、7 号低压加热器之间增加 1 级抽汽和 1 台低
14、压加热器。原回热系统7、8 号低压加热器相应地变为 8、9 号低压加热器。3）第 3 种回热系统抽汽级数优化。回热抽汽级数取十级，增加 1 台高压加热器和 1 台低压加热器，即前面 2 种回热系统抽汽级数优化的综合：在原回热系统的 3 号高压加热器与除氧器之间增加 1级抽汽和 1 台高压加热器；在原回热系统的 6、7 号低压加热器之间增加 1 级抽汽和 1 台低压加热器。这样原回热系统 5、6、7、8 号低压加热器相应地变为级数优化后回热系统的 6、7、9、10 号低压加热器。2.3 等效热降法计算 运用等效热降法对原回热系统及 3 种级数优化后的回热系统进行热经济性计算，计算结果如表 1 所
15、示。表 1 回热系统热经济性计算结果 Table 1 Regenerative system heat economy calculation results 优 化抽汽等效热降/(kJ/kg)H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7 H8 H9 H10 优化前 1 121.762 1 164.336 999.853 834.754 663.357 539.753 245.508 146.300 第 1 种优化 1 128.261 1 155.133 993.357 865.953 834.754 663.357 539.753 245.508 146.300 第 2 种优化 1 125.06
16、9 1 168.012 1 003.748 838.968 667.741 522.482 380.645 245.508 146.300 第 3 种优化 1 131.573 1 158.762 997.141 869.848 838.968 667.741 522.482 380.645 245.508 146.300 优 化 新蒸汽等效热降 H/(kJ/kg)新蒸汽等效热降增加 H 热耗率 标准煤耗率 /(kJ/kg)循环吸热量 Q/(kJ/kg)汽轮机装置效率 i/%装置效率相对增加 i/%q/(kJ/(kWh)0 b/(g/(kWh)s 优化前 1 341.675 2 759.219
17、45.625 7 292.931 267.457 第 1 种优化 1 417.273 75.598 2 763.572 48.768 6.889 7 285.754 266.794 第 2 种优化 1 415.158 73.483 2 758.509 48.775 6.904 7 275.902 266.833 第 3 种优化 1 420.450 78.775 2 763.572 48.880 7.134 7 267.728 266.533 2.4 综合技术经济比较 3 种抽汽级数优化的回热系统与原回热系统相比，其热经济性均有提高，这表明抽汽级数优化确实能使机组达到节能降耗的目的。但是汽轮机组
18、的回热系统优化的同时，需要投入因级数优化带来的设备及系统的投资费用。在规定 20 年服务年限内，利用式（10）可计算 20 年节省燃料运行收益，再利用式（11）可计算出综合经济效益。依据火电工程限额设计参考造价指标9中 660 MW 机组的设备价格以及加装设备其他材料实际综合价格，3 台高压加热器（卧式，含阀门）价格为 900 万元，每台 300 元；4 台低压加热器（卧式，含阀门）价格为 750 万元，每台 187.5 元；每增加 1 级抽汽而附加管道为 18 吨，价格按 2.57 万元/吨计算；安装工程费用占设备总投资的 27%；汽轮机每开一个抽汽口，本体增加费用约 90 万元。回热抽汽级
19、数优化综合经济性比较如表 2 所示。由表 2 可知，第 1 种抽汽级数优化的回热系统（增加 1 级高压抽汽和 1 台高压加热器）的投资收益率为 88.3%；第 2 种抽汽级数优化的回热系统（增加 1 级低压抽汽和 1 台低压加热器）的投资收益率为 511.4%；第 3 种抽汽级数优化的回热系统（增加 1 级高压抽汽、1 台高压加热器和 1 级低压抽汽、1 台低压加热器）的投资收益率为 281.9%。所以，第 2 种抽汽级数优化的回热系统综合经济效益最高，因而是可取的。表 2 回热抽汽级数优化综合经济性比较 Table2 Comprehensive economic comparison of
20、the regenerative extraction steam numbers 注：标煤价格计950 元/吨，年运行计 5 500 小时；20 年折现系数为 0.065 4。优 化 加热器（含 阀门）/万元管道及附件/万元安装工程/万元汽轮机开抽汽口/万元投资总 费用/万元年节省标准煤耗/(t 标煤/年)年节省燃料 费用/万元 20 年折算运行收益/万元20 年投资 收益率/%未优化 基准 基准 基准 基准 基准 基准 基准 基准 基准第 1 种优化 300 46.3 93.5 90 529.8 956 90.82 997.5 88.3 第 2 种优化 187.5 46.3 63.1 90
21、 386.9 2 267 215.37 2 365.5 511.4第 3 种优化 487.5 92.5 156.6 180 916.6 3 355 318.73 3 500.8 281.9 3 结语 1）笔者以实例对 660 MW 超超临界机组汽轮机回热抽汽级数进行优化。优化过程中共提出了 3 种回热抽汽级数优化方案，通过优化分析得出该机组采用三高、五低、一除氧的九级回热抽汽系统最为合理。2）回热系统抽汽级数优化的过程中，增加 1 级低压抽汽（第 2 种优化方案）比增加 1 级高压抽汽（第 1 种优化方案）所获得收益更加显著。原因在于，增加1 级低压抽汽比增加 1 级高压抽汽，使回热抽汽流在汽
22、轮机内的做功更多，汽轮机的冷源损失更少，从而使汽轮机装置的效率提高较明显。3）汽轮机回热抽汽级数优化过程中，不仅考虑了运行的热经济性，也考虑了设备、系统的投资等费用，因而得出的优化结果更切合实际。最终的优化方案相对于原设计方案效果明显，机组的热耗率降低 17.029 kJ/(kWh)，煤耗降低 0.624 g/(kWh)，汽轮机装置的效率相对提高 6.904%。参考文献:1乔旭斌,邓宏伟.1 000 MW 空冷机组回热抽汽系统优化探讨J.热力透平,2013,42(2):73-76.QIAO Xu-bin,DENG Hong-wei.Optimization of regenerative ex
23、traction steam system for 1 000 MW air cooled turbine unitsJ.Thermal Tubine,2013,42(2):73-76.2李勇,黄萍力.汽轮机回热系统加热器给水焓升的优化分配J.汽轮机技术,2008,50(6):404-406,409.LI Yong,HUANG Ping-li.The feed-water enthalpy rise optimal distributionin regenerative system of steam turbinJ.Turbine Technology,2008,50(6):404-406,
24、409.3王运民.汽轮机原理课程设计基础M.北京:中国电力出版社,2013.4李勤道,刘志真.热力发电厂热经济性计算分析M.北京:中国电力出版社,2008.5吕智嘉.等效热降法在 660 MW 超超临界机组热经济性分析中的应用J.能源工程,2011(2):16-18.LV Zhi-jia.Application of equivalent heat drop in thermal analysis of 660 MW supercritical unitsJ.Energy Engineering,2011(2):16-18.6王运民,吴艳,夏成锐,等.火电厂小汽轮机排汽连接方式的改进与定量分析
25、J.电力科学与技术学报,2015,30(4):131-135.WANG Yun-min,WU Yan,XIA Cheng-rui,et al.Improvement and quantitative analysis for the exhaust connection of small-sized steam turbine in thermal power plantJ.Journal of Electric Power Science and Technology,2015,30(4):131-135.7吴添祖,虞晓芬,龚建立.技术经济学概论M.北京:高等教育出版社,2010.8刘颖华,郜宁,周璐瑶,等.超超临界机组回热抽汽过热度的优化利用J.电站系统工程,2015,31(4):16-18,25.LIU Ying-hua,GAO Ning,ZHOU Lu-yao,et al.Optimized utilization of superheat of extraction in ultra-supercritical unitsJ.Power System Engineering,2015,31(4):16-18,25.9电力规划设计总院.火电工程限额设计参考造价指标M.北京:中国电力出版社,2014.