1 000 MW二次再热汽轮机带外置蒸冷器方案能损分析

夏晓华,杨 宇,范世望,彭泽瑛,杨建道

(1.上海汽轮机厂有限公司,上海200240； 2.上海发电设备成套设计研究院,上海200240)

1 000 MW二次再热汽轮机带外置蒸冷器方案能损分析

夏晓华1,杨 宇2,范世望1,彭泽瑛1,杨建道1

(1.上海汽轮机厂有限公司,上海200240； 2.上海发电设备成套设计研究院,上海200240)

外置蒸汽冷却器在高参数大容量再热机组中能充分利用回热抽汽的过热度,同时提高给水温度,从而提高循环效率。针对某1 000 MW二次再热项目,采用能级效率法对其带两级外置蒸汽冷却器方案的THA、TMCR、VWO、75%THA、50%THA等五个工况进行了能损分析,并与其常规方案的能损进行了比较。结果表明：带外置蒸汽冷却器方案热耗的收益主要来自辅汽能损部分,且两级外置蒸汽冷却器能降低600℃热力系统热耗约27 kJ/(k W·h)。

汽轮机；二次再热；外置蒸汽冷却器；能级效率；能损比较

现代高参数大容量再热机组通过增加一级或两级(二次再热)外置蒸汽冷却器(简称蒸冷器),可以有效利用再热后抽汽的过热度,提高机组经济性。经计算,相对600℃等级的超超临界蒸汽循环,配置两级外置蒸冷器使得热耗得益0.4%［1］。笔者前期通过对二次再热汽轮机能级效率法进行研究,以某1 000 MW二次再热项目不带外置蒸冷器方案(以下简称常规方案)为例进行了验算,并获得了各工况下系统能级效率和各辅汽能损值［2］。在此基础上,笔者首先解决能级效率法中处理像外置蒸冷器这种存在能级间耦合情况的问题,然后对该项目带外置蒸冷器方案进行能损计算与分析,最后将所得结果与常规方案进行比较,以明确前者在降低系统热耗上的收益来源。

1 能级效率法分析原理

根据回路做功能力原理,l kg工质在热力系统中沿任何一个闭合回路运动一周,回到原来位置,其在热力系统中的做功能力保持不变。工质所携带的能量和在热力系统中的作用位置决定了它在热力系统中的实际做功能力,而与所经历的做功路径无关。而热量对热力系统的作用不仅与热量的数量有关,还与热量进出热力系统的位置有关［3-4］。

由热力系统基本循环结构写出其结构矩阵A,并根据回热特点写出再热结构矩阵σ,代入能级效率矩阵：

式中：η=［η0η1…ηn］T为能级效率矩阵；e1=［1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0］,第一个分量为1,其余分量为0；φeq=(h-hc)+σ为各能级等效做功能力矩阵。

解得能级效率矩阵η后,基本循环的效率为：

基本循环的热耗为：

2 二次再热汽轮机带外置蒸冷器能损计算

1 000 MW二次再热超超临界汽轮机带外置蒸冷器系统见图1。

图1 1 000 MW二次再热超超临界汽轮机带外置蒸冷器系统图

该方案与常规方案的不同主要在于多了两级外置蒸冷器a、b,它们分别从第2号和第4号抽汽引出,以串联的方式加热进入锅炉的主给水,其基本循环的分析同文献［2］完全一致。笔者则重点阐述对外置蒸冷器进行能损分析的处理。

2.1 基本循环计算

1 000 MW二次再热汽轮机带外置蒸冷器方案计算结果见表1。

表1 基本循环的能级效率和热耗计算结果

2.2 附加损失计算

除外置蒸冷器外,笔者对其他辅汽的处理参考常规处理方法［5］。

外置蒸冷器属于一种能级之间的耦合情况,即用能级i抽汽热量来加热能级j的给水(i＞j)。可以把外置蒸冷器的影响分两部分考虑,抽汽部分视为纯热量损失,而加热给水部分视为纯热量回收,具体情况见表2。

表2 外置蒸冷器纯热量损失和回收位置

以外置蒸冷器a为例,其能损可以按照如下方法计算。

(1)抽汽时只考虑热量损失。

辅汽a在引入点的焓向量为：

式中：hout,fa为辅汽a离开汽轮机时的焓,即2号抽汽的焓；hin,fa为辅汽a回到汽轮机时的焓,由热平衡图可以获得。

1 kg辅汽a的热量损失造成系统做功能力的损失为：

辅汽a造成系统热耗的增加量为：

式中：qB为基本循环的热耗；φ0,B为系统从锅炉吸热获得的做功能力；dfa为外置蒸冷器a的蒸汽流量份额,由能量平衡计算或由热平衡图读取。

(2)加热给水时相当于纯热量引入锅炉能级,外置蒸冷器a加热给水时焓向量为：

式中：hOSC,a为外置蒸冷器a出口给水焓；hw,1为1号高压加热器出口给水焓。

1 kg辅汽a加热给水时系统做功能力的损失为：

辅汽a加热给水造成系统热耗的增加量为：

分别对该系统的THA、TMCR、VWO、75% THA、50%THA五个工况进行辅汽能损计算,结果见表3。

表3 带外置蒸冷器方案辅助汽水和纯热量能损计算结果

从表3可以看出：采用能级效率法计算带外置蒸冷器方案得到的热耗值,与平衡图结果非常接近,绝对误差只有1～2 kJ/(k W·h)。

3 两种方案能损分析与比较

把系统热耗分成基本热耗和辅汽能损两部分,整理表3和文献［2］中表2的数据得到表4。

表4 两种方案热耗能损比较 kJ/(k W·h)

从表4可以看出：

(1)同一方案下,三种基本工况(THA、TMCR、VWO)的热耗很接近,而部分负荷工况(75% THA、50%THA)的基本热耗有大幅上升(100～300 kJ/(k W·h)),这主要是由于部分负荷工况下汽轮机缸效率下滑造成的。

(2)同一工况下,两种方案基本热耗非常接近,即锅炉能级效率比较一致。这主要是因为两种方案的热力系统基本结构(回热器配置、再热量)完全一样,唯一的不同在于外置蒸冷器的引入,而它对热耗的影响在辅汽能损部分。

(3)两种方案总热耗差异主要来自辅汽能损。分析两表中对应的辅汽能损值可知,除了增加的外置蒸冷器相关能损以及给水泵汽轮机抽汽的能损略有差别外,两种方案对应工况各段辅汽的能损基本一致。

把每个外置蒸冷器抽汽能损和加热给水能损相加,就得到了该外置蒸冷器的总能损,结果见表5。

表5 外置蒸冷器能损 kJ/(k W·h)

由表5可以看出：外置蒸冷器在能量回收上效果显著,在600℃热力系统基本循环基础上,它能降低热耗约27 kJ/(k W·h)。外置蒸冷器a接2号抽汽,其回收的能量约占两者能量回收总量的2/3,这主要是由于该级抽汽量较大造成。比较五个工况的数值可以发现：在部分负荷工况下,外置蒸冷器a的能量回收量相比基本工况是减小的,而外置蒸冷器b的回收却有一定程度的增加。

4 结语

通过对某1 000 MW二次再热汽轮机带两级外置蒸冷器方案进行能级效率法分析,并与其常规方案做能损比较,得出以下结论：

(1)两种方案在同一工况下的基本热耗非常接近,热耗差异主要来自辅汽能损部分。

(2)带外置蒸冷器方案热耗的收益主要来自于两级外置蒸冷器。外置蒸冷器充分利用了再热后抽汽的过热度,使能量得到有效回收,降低系统热耗约27 kJ/(k W·h)。

(3)外置蒸冷器回收的能量与其接入的能级抽汽量有很大关系,且在部分负荷工况下,外置蒸冷器b的能量回收量升高。

［1］彭泽瑛.700℃高超超临界汽轮机双机回热抽汽系统的分析研究［R］.上海：上海电气电站技术研究与发展中心,2012.

［2］夏晓华,杨宇,范世望.二次再热汽轮机能级效率法研究［J］.热力透平,2015,44(1)：51-54.

［3］闫水保.电站热力系统节能原理与方法［M］.北京：中国电力出版社,2007.

［4］闫水保,闫留保.电厂热力系统节能分析原理及应用［M］.郑州：黄河水利出版社,2000.

［5］杨宇,史进渊,邓志成,等.基于能级效率法的1 000 MW汽轮机热耗计算分析［J］.发电设备,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

上海市科学技术委员会科技项目资助(13DZ1101502)

夏晓华(1987-),女,助理工程师,从事汽轮机热力系统优化、通流设计等工作。

E-mail：xiaxh@shanghai-electric.com