基于零号高加的宽负荷高效回热技术研究

乔加飞 郝 卫 刘颖华 那尔苏

（神华国华 （北京）电力研究院有限公司，北京市朝阳区，100025）

宽负荷节能技术的核心是在保证机组高负荷性能的前提下，提高机组低负荷工况下的性能，故解决机组低负荷工况下热耗过高的问题成为该技术成功应用的难点。低负荷所造成的给水温度降低亦会对脱硝效率产生明显的影响。作为世界上应用最为广泛的选择性催化还原法 （SCR）脱硝技术，其催化剂活性与烟气温度有着直接的关系，研究表明，只有烟气温度在320℃以上才能保证SCR 装置的脱硝效率较高。而当烟气温度低于该温度时，SCR装置脱硝效率明显下降。虽然有人提出可以将部分高温烟气与省煤器出口烟气进行混合，以提高脱硝装置的进口烟气温度。但混合带来的损失导致了供电煤耗上升，脱硝效率的提高是以牺牲热力系统的效率达到的。本文针对某1000 MW 等级热力系统进行热力计算，对增设零号高加的节能效果进行论证。

1 系统介绍

建立某1000 MW 等级火力发电汽轮机机组的给水系统，该给水系统设置3级高加，其中1号高加抽汽来自高压缸1段抽汽，2号高加抽汽来自高压缸排汽，3号高加抽汽来自中压缸为3 段抽汽。鉴于3段抽汽来自于再热后的中压缸，其直接加热3号高加会因过热度过大导致不可逆损失增加，故在3段抽汽进入3号高加之前先流经前置蒸冷器，以增加锅炉最终给水的同时降低3 号高加的过热度，给水系统示意图如图1所示。

图1 给水系统示意图

该热力系统在机组100%THA、75%THA 和50%THA 工况下的给水温度分别是299℃、280℃和256℃，即机组在75%THA 和50%THA 工况下的给水温度分别比100%THA 工况低19℃和43℃。受此影响，机组的热耗在75%THA 和50%THA 工况下分别比100%THA 工况高126.4 kJ／kW·h和378.5kJ／kW·h。

图2 零号高加布置示意图

表1 机组原热力系统性能参数

所谓零号高加是指在1号高加下游增设一个高加，该高加抽汽来自一段抽汽上游。额定工况时，该段抽汽的阀门关闭，零号高加不加热给水。低负荷时，阀门开启，零号高加利用高压抽汽加热给水，以提高低负荷时的给水温度。零号高加布置示意图如图2所示。

3 计算分析

所谓给水回热，即将抽汽轮机某些中间级蒸汽部分抽出，送入回热加热器对给水进行加热。

3.1 给水回热技术的作用

（1）利用汽轮机抽汽提高给水温度，从而提高了循环吸热过程的平均温度，进而提高了整个热力循环的循环效率。

（2）抽汽进入给水系统使得进入汽轮机凝汽器的汽量减小，汽轮机的冷端损失降低。

3.2 75%THA 工况为设计工况

将75%THA 工况作为零号高加的设计工况（方案一），此时零号高加对应抽汽管道阀门全开，节流损失为零，给水温度为299℃，比原系统给水温度增加19℃。零号高加抽汽压力为82.7bar，比高压缸一段抽汽的60.4bar高出22.3bar。零号高加抽汽流量为27.6kg／s，介于一段抽汽的24.3 kg／s与三段抽汽的30.9kg／s之间。

相比于原热力系统，零号高加方案下的主蒸汽流量和再热蒸汽流量虽然有所增加，但由于给水温度升高所导致的锅炉进口焓的显著提高，使得主蒸汽在锅炉系统中吸收的热量降低，因此热力系统的热耗降低。从表2可以看出，75%THA 工况下零号高加启动后热力系统的热耗降低至7339.2 kJ／kW·h，比原系统降低27.4kJ／kW·h。

表2 75%THA 工况有无零号高加热力系统的性能参数

表3给出了50%THA 工况下有无零号高加机组热力系统的性能参数。机组在50%THA 工况时，给水温度降低至256℃，热耗增加至7618.7 kJ／kW·h。鉴于新建百万机组一般采用滑压运行方式，即在负荷降低的时候，温度保持不变，压力和主蒸汽流量持续降低。因此在50%THA 工况下，零号高加的抽汽压力随着主汽压力降低至55bar，此时经过零号高加后的给水温度为272℃，即给水温度升高16℃。此时，主蒸汽流量虽然有所升高，但是再热流量降低，锅炉给水进口焓显著提 升， 因 此 热 力 系 统 的 热 耗 降 低 至7595.4kJ／kW·h， 比 原 系 统 降 低 了23.3kJ／kW·h。

表3 50%THA 工况有无零号高加热力系统的性能参数

3.3 50%THA 工况为设计工况

将50%THA 工况作为零号高加的设计工况（方案二），此时零号高加对应抽汽管道阀门全开，节流损失为零，给水温度为299℃，比原系统50%THA 工况下的给水温度增加43℃。零号高加抽汽压力为82.7bar，比高压缸一段抽汽的40.7bar高42bar。零号高加抽汽流量为37.1kg／s，抽汽量较大，此时1号、2号和3号高加的抽汽量分别是12.4kg／s、31.1kg／s和17.6kg／s。

从表4可以看出，将50%THA 工况下的给水温度加热到299℃时，机组热耗降低至7586kJ／kW·h，降低幅度为31.7kJ／kW·h。

表4 50%THA 工况有无零号高加热力系统的性能参数

在75%THA 工况下，将给水温度增加至299℃时，零号高加抽汽管道进汽的压力大于82.7 bar，抽汽管道上的节流阀未全开，约有19.7%的节流损失。零号高加开启后，热力系统的热耗降低至7347.8 kJ／kW·h，降 低 幅 度 为18.8 kJ／kW·h，参见表5。

表5 75%THA 工况有无零号高加热力系统的性能参数

3.4 不同设计工况的对比分析

从表6中可以看出，在75%THA 工况下，方案二由于节流损失的影响，节能效果不如方案一。而在50%THA 工况下，方案二由于较高的给水温升，节能效果优于方案一。

但是，鉴于方案二中50%THA 工况下的过高的温升和过大的抽汽流量，得出以下结论：

（1）给水温升过高，锅炉效率会有所降低。当给水温度升高时，省煤器出口烟温会亦会升高。经计算，在方案一中，50%THA 工况下给水温度升高16℃时，省煤器出口烟温增加5℃，只是当烟气经过脱硝装置和空气预热器后，有零号高加时空气预热器出口烟温只比无零号高加时增加1℃，排烟损失几无变化，锅炉效率亦基本保持不变。但在方案二中，50%THA 工况下给水温度升高43℃时，锅炉效率约降低0.3%。

（2）抽汽量过大，高压缸效率会有所降低。经计算，方案二中，50%THA 工况下零号高加的抽汽量约为主蒸汽流量的9.4%，如此大的抽汽量势必会对高压缸效率造成不利影响。

表6 方案比较

通过对比，方案一的节能效果优于方案二。此外，由于国内大容量火电机组的年均负荷约为75%THA 工况负荷，因此方案一在实际生产中有着更大的发挥优势。

3.5 给水温度以及零号高加抽汽参数的选择

在低负荷工况下，利用零号高加将给水温度升高可以明显提高机组的循环效率，降低机组的热耗。在75%THA 工况下，方案一利用零号高加将给水温度提高至额定设计给水温度，机组热耗降低27.4kJ／kW·h。但是额定给水温度不一定是机组热耗最佳给水温度。

在75%THA 工况下，随着零号高加抽汽压力不断提高，给水温度随之提高，机组的热耗持续降低，随着给水温度的不断提高，机组热耗的下降幅度趋缓。同时，随着给水温度的提高，热力系统的收益逐渐趋缓。75%THA 工况不同抽汽参数下机组的热力性能参数见表7，75%THA 工况下给水温度与机组热耗的关系曲线如图3所示。

图3 75%THA 工况下给水温度与机组热耗的关系曲线

表7 75%THA 工况不同抽汽参数下机组的热力性能参数

因此，若要设置零号高加，具体的抽汽压力和给水温度可以不必局限于加热到额定工况下的给水温度，而是应该考虑机组的性能状况、锅炉系统的给水要求及性能变化、 设备制造的可行性以及投资的多少等综合因素进行优化设计。

4 结论

用热平衡计算分析增设零号高加后的节能效果，对将设计点放在75%THA 工况和50%THA工况两个方案进行了对比分析，并对增设零号高加后的最佳给水温度进行了初步的探讨，得出如下结论：

（1）增设零号高加可以明显降低机组在低负荷工况下的热耗，方案一75%THA 工况下，降低机组热耗27.4kJ／kW·h。

（2）两方案相比，将零号高加的设计点放在75%THA 工况在实际生产中具有更优的节能效果。

（3）增设零号高加后，其设计给水温度应考虑机组的性能状况、锅炉系统的给水要求及性能变化、设备制造的可行性以及投资的多少等综合因素进行优化设计。