浅谈火电厂回热加热器运行方式存在的问题

赵鑫

（上海申能电力科技有限公司，上海 200137）

0 引言

回热循环在现代火力发电机组中广泛使用。回热循环系统的核心设备就是回热加热器，回热加热器的端差控制水平直接影响系统运行经济性。在汽轮机常规设计计算中经常会在给水等焓升原则下对回热系统进行设计。此时根据加工制造水平确定的加热器的端差将作为一项重要的技术参数，被用作系统设计输入，用于汽轮机各抽汽参数的确定及优化。在汽轮机各工况的设计中一般都是基于回热加热器端差不变为前提的，制造厂给出的汽轮机热平衡图中，往往也将回热加热器端差作为定值来处理，因此热力系统的优化设计都是基于回热加热器端差不变的前提进行设计的。运行中如回热加热器偏离设计端差，将使系统整体运行工况偏离设计工况，必然影响整个系统的经济性[1]。

1 影响回热加热器端差的因素分析

对于管式回热加热器，为了减少换热温差，尽量减少㶲损失，在进行回热加热器结构设计时，一般将加热器分成蒸汽冷却段、凝结换热段和疏水过冷段三段流程。其中蒸汽冷却段将抽汽进口的过热蒸汽冷却至饱和蒸汽，充分利用进口蒸汽的过热度；蒸汽在蒸汽凝结段进行相变凝结换热，释放凝结潜热；疏水冷却段将凝结换热后的饱和水进行冷却，进一步回收利用其高品位热能。其简化模型如图1所示：

为了简化分析计算过程，现对系统做如下理想化假设：①忽略回热换热器的换热损失，认为换热器效率为100%；②抽汽系统包括换热器内部工质流动不存在流动压损，汽轮机门组在运行中不存在节流损失；③汽轮机各机组可膨胀至临界状态，根据弗留格尔公式，主蒸汽流量与汽轮机负荷以及抽汽压力成正比。机组变工况过程中减温水比例维持不变，主蒸汽与给水流量比例固定；④将换热器简化为单热源换热器，不考虑相邻换热器逐级自流疏水的换热[2]。

分别对以上三段建立热平衡方程，可得：

其中：K1、K2分别为蒸汽冷却段及疏水冷却段的换热系数；A1、A2分别为及疏水冷却段的换热面积，与运行水位控制有关；Gw、Gd分别为该加热器水侧及蒸汽侧流量，与系统运行工况有关；Cp为该加热器的定压比热容；tw0至tw3为该加热器水侧流程各段给水温度；h1至h4为该加热器汽侧流程各段焓值，在给定汽侧进汽压力p1的工况下，其与t1-t4具有一一对应关系；△tm1、△tm2为蒸汽冷却段和疏水冷却段的自然对数温差[3]。

在上述热平衡方程中，将tw3、tw2、tw1、t4(h4)、Gd作为未知变量，其余物理量作为已知量，则上述方程组假设的未知量一定可解出由剩余物理量h1、h2、h3、p1、tw0、Gw、Cp、K1、K2、A1、A2构成的解。令t4求得的解为：

其中，K1、K2在加热器给定后，其蒸汽冷却段及疏水冷却段换热器系数近似为常数；A1、A2只与运行中水位调整有关，在水位固定的情况下，其为常数；h1与加热器进汽压力p1及进汽温度t1存在函数关系；h2、h3分别为抽汽压力下饱和蒸汽和饱和水的焓值，仅与加热器进汽压力p1有关；Gw为水侧给水流量，其与加热器进汽压力p1成比例关系；Cp为水侧定压比热，由于不考虑流动压损，因此水侧压力与加热器进汽压力成比例关系，即Cp与回热加热器抽汽压力p1存在一一对应关系；则令t4求得的解可简化为：

由上式可知回热加热器的下端差与回热加热器进汽压力、进汽温度、沾污系数以及换热器蒸汽冷却段及疏水冷却段的换热面积（即运行水位）有关。运行中的加热器如忽略加热器的沾污变化，则式（7）可以简化为：

对于最靠近凝汽器的末级回热加热器，如忽略轴封加热器温升，则tw0取决于机组真空，可以认为是定值，则式（8）进一步简化为：

该温度为沿给水方向高一级换热器去的给水入口温度。因此对于第i级加热器有：

由公式（11）至公式（13）可知，对于带有回热系统的汽轮发电机组，各级加热器的端差值与各级抽汽压力、抽汽温度、机组排汽压力以及各级换热器的蒸汽冷却段及疏水冷却段的换热面积有关。在给定的机组运行工况下，以上影响因素均为定值，对应的各换热器端差均为设计值。当机组运行条件发生变化导致同一负荷下机组背压、主蒸汽温度发生变化，或者机组变负荷运行、各回热加热器水位设定值改变时，各回热加热器的运行端差必然会发生改变。对于有上级加热器疏水逐级自流的系统，由于增加了一路加热热源情况将变得复杂，需要从最高压力等级的回热加热器进行热平衡方程联列，但最终影响因素与简化模型仍相同，本文中不做详细分析[4]。

2 目前运行方式存在的问题

发电机组运行调试期间，在各级回热加热器首次投入运行后，会对回热加热器进行水位调试。常规的调试方法为：以加热器出厂标定的设计液位钢标为基础，在机组满负荷（或者某一固定负荷）下，以加热器的下端差为跟踪对象，兼顾上端差，调整运行水位，直至上下端差值达到设计值后，认为目前水位即达到回热加热器性能保证值的运行水位。以此为基础，由热工人员进行基准水位迁移，将该水位迁移做水位调整的基准，在机组运行控制策略中，回热加热器以该水位为控制目标，保持定水位运行。

在传统的调试方法下，由于维持了定水位运行，相当于在运行中人为控制了各加热器蒸汽冷却段和疏水冷却段的换热器面积A1、A2固定不变。根据公式（9）（10），在机组定负荷工况汽压或者汽温发生变化、同负荷下机组真空发生差异或者在机组调峰变负荷运行时，各级抽汽压力及温度会发生变化，换热器端差必然发生变化，使其偏离设计工况，从而影响系统经济性。

3 回热加热器控制策略建议

为了最大限度挖掘回热系统经济性，维持换热器端差不变，在运行中就必需改变换热面积A1、A2，用以纠正因为进汽压力和进汽温度的变化对换热器端差带来的影响。换热器将采用变水位控制的运行方式，此时原回热加热器自动控制策略不再适用。此时在回热加热器运行水位控制过程中，可将换热器下端差为自动控制跟踪目标，变工况过程中通过改变水位来维持加热器端差不变，以达到更好的经济性。考虑到运行过程中端差值需要经过数据处理计算得到，当进汽压力、水侧进出口温度、疏水温度中任一因素发生变化，端差计算值将失真，自动可靠性将降低，因此可对上述控制策略做适当简化：在换热器水位调试时进行多工况点的加热器液位控制值摸索，尽可能多地摸索出不同负荷下维持换热器端差不变对应的最优水位控制值，得到一条不同负荷下的液位控制曲线。自动控制策略仍将换热器水位作为控制目标，跟踪目标由定值变更为上述最优液位目标值曲线，使各加热器在变工况运行时运行值更加接近设计工况，最大限度挖掘回热系统节能潜力[5]。

4 结语

在目前回热加热系统控制方式下，在加热器调试投运后，仅能保证调试工况下加热器端差达到设计值。当回热加热器运行工况偏离调试工况后，其端差必然偏离设计值，因此目前基于定水位运行的加热器控制方式存在优化空间，有必要通过改变现有的回热加热器定水位控制策略，将换热器端差值作为运行控制跟踪目标，从而进一步改善系统运行工况，提高运行效率，挖掘节能空间。