600 MW汽輪機(jī)雙背壓運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性分析

林 琦,徐 升

(1.華北電力大學(xué),河北 保定 071003;2.大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司,浙江 寧波 315722)

600 MW汽輪機(jī)組采用的凝汽器按背壓分為單背壓和雙背壓2種,分別對應(yīng)不同的循環(huán)水系統(tǒng)。雙背壓凝汽器是在原單背壓凝汽器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型凝汽器,在一定條件下,可以提高凝汽器的真空或減少凝汽器的面積和循環(huán)水量[1],因此得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。目前,在國外大功率機(jī)組中,20% 30%的機(jī)組采用雙背壓凝汽器,我國也運(yùn)行了數(shù)臺雙背壓凝汽器。雙背壓汽輪機(jī)組運(yùn)行時,凝汽器蒸汽負(fù)荷、循環(huán)水溫度、冷卻倍率會隨著機(jī)組負(fù)荷或季節(jié)的變化而偏離設(shè)計(jì)工況,尤其在冬季,由于低壓凝汽器入口循環(huán)水溫過低,致使低壓凝汽器達(dá)到或低于極限背壓,從而產(chǎn)生較大的凝結(jié)水過冷度。此外,由于汽輪機(jī)末級偏離設(shè)計(jì)工況較多,致使其相對內(nèi)效率改變,從而影響機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性,有時還會影響機(jī)組的安全性[2]。為此,文中分析了雙背壓凝汽器變工況的熱經(jīng)濟(jì)性,并與單背壓凝汽器進(jìn)行了比較,為雙背壓機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行提供了一定的參考。

1 凝汽器背壓與機(jī)組功率的關(guān)系

圖1 汽輪機(jī)通用曲線

對于凝汽式汽輪機(jī),當(dāng)其凝汽設(shè)備運(yùn)行狀況及工作條件改變時,會引起汽輪機(jī)背壓的改變,從而引起汽輪機(jī)功率的變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,每臺汽輪機(jī)都有相應(yīng)的反映背壓、功率變化關(guān)系的通用曲線[3-4],如圖1所示。圖中的AB線段為汽流未達(dá)到臨界狀態(tài)時的工況,隨著背壓的降低,功率的增加,AB段幾乎成直線,其中B點(diǎn)為汽流達(dá)到臨界狀態(tài)時的點(diǎn)。BC段為背壓再降低時的工況,此時汽道斜切部分發(fā)生膨脹,汽流偏轉(zhuǎn),功率緩慢增加。事實(shí)上,隨著背壓的不斷降低,排汽比容不斷增大,而末級排汽面積不變,因此末級余速損失也將逐步增加,當(dāng)余速損失的增量等于由于背壓下降而增加的有效焓降時,蒸汽達(dá)到極限膨脹,曲線到達(dá)了C,稱為凝汽器的極限背壓[5]。CD段為末級動葉斜切部分膨脹結(jié)束時的工況,此時背壓繼續(xù)降低,功率將不再增加,反而有所減少,而余速損失的增加大于焓降的增加,凝結(jié)水溫的降低使第一級低壓加熱器抽汽量增加,因此汽輪機(jī)的總功率減小。

2 雙背壓凝汽器運(yùn)行的現(xiàn)狀分析

2.1 凝汽器壓力的計(jì)算模型

凝汽器正常運(yùn)行時,其壓力可由其對應(yīng)的蒸汽飽和溫度來確定。由經(jīng)驗(yàn)公式[6-7]可得凝汽器壓力為

對于低壓凝汽器,其相應(yīng)的蒸汽飽和溫度為

對于高壓凝汽器,考慮到低壓凝汽器的凝結(jié)水會在高壓凝汽器中吸收熱量,熱平衡方程為[8-9]

將式 (5) 式 (7)代入式 (4),即可以得到對應(yīng)的高壓凝汽器蒸汽飽和溫度:

式中,ps為凝汽器的壓力,kPa;ts為凝汽器的飽和蒸汽溫度,℃;tw、Δ t、δ t分別為相對于單背壓凝汽器的循環(huán)水入口溫度、循環(huán)水溫升、凝汽器的傳熱端差,℃;ts1、ts2分別為低壓凝汽器和高壓凝汽器的蒸汽飽和溫度,℃;tw1、tw2為循環(huán)水在低壓凝汽器、高壓凝汽器入口處的溫度值,℃;Δ t1、δ t1和 Δ t2、δt2為低壓凝汽器、高壓凝汽器的循環(huán)水溫升的傳熱端差,℃;Dw為循環(huán)水流量,kg/s;Cp為水的定壓比熱容,kJ/(kg·℃);Dc1、Dc2為低壓凝汽器、高壓凝汽器入口的蒸汽量,kg/s;Δ hc為1 kg蒸汽在高壓凝汽器中的放熱量,kJ/kg;K2為高壓凝汽器的傳熱系數(shù),kW/(m2·℃);F2為高壓凝汽器的冷卻面積,m2。

通過上述計(jì)算,可得在相同的負(fù)荷、循環(huán)水量、循環(huán)水流速及冷卻面積下,單、雙背壓凝汽器的壓力隨循環(huán)水入口溫度的改變而變化。

2.2 汽輪機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益的功率增量分析

背壓變化對汽輪機(jī)做功的影響可以從2個方面來考慮[10-12]。一是排汽焓的改變引起機(jī)組有效焓降做功量的變化:

當(dāng)背壓小于極限背壓時,公式為

式中h′cr為極限背壓下排汽比焓。

溫度的變化引起最末級低壓加熱器抽汽量變化,從而影響做功量。計(jì)算公式為

因此,背壓變化所引起整個汽輪機(jī)裝置的新蒸汽等效焓降變化為

式中,上標(biāo) “′”為背壓變化后的參數(shù) (以下均同);an為排汽流量份額;ann為通過1號加熱器的凝結(jié)水份額;hc、tn分別為排汽和凝結(jié)水比焓值,kJ/kg;η′1為背壓變化后1號加熱器的抽汽效率。

2.3 計(jì)算實(shí)例

某電廠機(jī)組為亞臨界、中間再熱、四缸四排汽、凝汽式機(jī)組,型號為 N600-16.7/537/537,額定排汽壓力為5.4 kPa。配備的凝汽器為雙背壓、表面式雙殼體、單流程凝汽器,冷卻面積為38 000 m2,設(shè)計(jì)循環(huán)水進(jìn)口溫度為21.5℃,設(shè)計(jì)循環(huán)水量為68 232 t/h,額定工況下,低壓凝汽器背壓為4.77 kPa,高壓凝汽器背壓為6.1 kPa。進(jìn)而可以計(jì)算出雙背壓機(jī)組變工況運(yùn)行時的經(jīng)濟(jì)性,并與單背壓凝汽器進(jìn)行比較,如圖2、圖3、圖4所示。

根據(jù)凝汽器壓力的計(jì)算模型,得到了不同循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式下,循環(huán)水進(jìn)口溫度與凝汽器背壓的關(guān)系曲線。由圖2可見,在相同負(fù)荷下,隨著循環(huán)水入口溫度的升高,不管是一機(jī)二泵還是一機(jī)一泵運(yùn)行,單、雙背壓凝汽器的背壓均有不同程度升高,其差值卻逐漸增大。此外,相同條件下,雙背壓凝汽器的背壓達(dá)到極限背壓時對應(yīng)的循環(huán)水入口溫度均比單背壓凝汽器要高,說明在環(huán)境溫度較低時,單背壓凝汽器背壓比極限背壓的經(jīng)濟(jì)性、安全性好。

根據(jù)汽輪機(jī)功率增量的分析方法,得到了不同循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式下,循環(huán)水進(jìn)口溫度與功率增量的關(guān)系曲線。圖3和圖4分別為額定負(fù)荷和75%負(fù)荷下循環(huán)水入口溫度和功率增量的關(guān)系曲線。由圖2、圖3可知,在額定負(fù)荷和循環(huán)水系統(tǒng)雙泵運(yùn)行的條件下,盡管循環(huán)水入口溫度低至5℃時,雙背壓凝汽器的平均背壓仍低于單背壓凝汽器,但只有在tw1＞13℃時功率增量之間的差值才為正值,這是由背壓下降到極限背壓之后引起功率下降和相對內(nèi)效率的改變而造成的。此外,單泵運(yùn)行時,功率增量曲線的交點(diǎn)所對應(yīng)的循環(huán)水入口溫度較低,說明在環(huán)境溫度較低、循環(huán)水量較大時,采用單背壓凝汽器經(jīng)濟(jì)性更好。

結(jié)合圖3、圖4可知,在其它條件相同時,雙背壓機(jī)組在環(huán)境溫度較低時的經(jīng)濟(jì)性不如單背壓機(jī)組,負(fù)荷越低,單背壓經(jīng)濟(jì)性越好。由此可見,當(dāng)機(jī)組負(fù)荷和循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式一定,并且循環(huán)水入口溫度低于臨界溫度 (單、雙背壓功率增量相同時對應(yīng)的循環(huán)水入口溫度)時,機(jī)組采用單背壓運(yùn)行方式經(jīng)濟(jì)性較好,可提高汽輪機(jī)的發(fā)電功率,反之采用雙背壓運(yùn)行方式較好。

圖4 75%額定負(fù)荷下功率增量與循環(huán)水入口溫度的關(guān)系曲線

基于上述計(jì)算分析,可得在相同的機(jī)組進(jìn)口熱力參數(shù)和循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式下,當(dāng)循環(huán)水入口溫度低于臨界溫度時,可通過對循環(huán)水系統(tǒng)的切換,使得機(jī)組在單背壓方式下運(yùn)行,反之使機(jī)組在雙背壓方式下運(yùn)行,以提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性和安全性。

3 結(jié)論

本文以600 MW雙背壓凝汽式汽輪機(jī)組為研究對象,采用分析其相對于單背壓凝汽式汽輪機(jī)組功率增量變化的方法,得出以下結(jié)論。

a. 在負(fù)荷、循環(huán)水量及凝汽器冷卻面積相同的前提下,當(dāng)循環(huán)水入口溫度低于臨界溫度時,單背壓機(jī)組功率的增量大于雙背壓機(jī)組,即在臨界溫度以下,雙背壓機(jī)組經(jīng)濟(jì)性不如單背壓機(jī)組。

b. 在相同負(fù)荷下,循環(huán)水泵分別采用雙泵運(yùn)行和單泵運(yùn)行時,單背壓和雙背壓機(jī)組功率增量曲線的交點(diǎn)對應(yīng)的循環(huán)水入口溫度不同,雙泵運(yùn)行時交點(diǎn)對應(yīng)的循環(huán)水入口溫度較高,說明在環(huán)境溫度較低、循環(huán)水量大時,采用單背壓運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性更好。

c. 負(fù)荷對單背壓和雙背壓機(jī)組功率曲線交點(diǎn)對應(yīng)的循環(huán)水入口溫度有所影響,負(fù)荷越低,功率曲線的交點(diǎn)對應(yīng)的循環(huán)水入口溫度就越高,說明環(huán)境溫度越低,機(jī)組負(fù)荷越低,采用單背壓運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性越好。

d. 從熱經(jīng)濟(jì)性的角度看,600 MW機(jī)組在環(huán)境溫度較低時采用單背壓運(yùn)行方式可以提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益,尤其對于采用冷卻水開式循環(huán)水系統(tǒng)的汽輪機(jī)組,其獲得的效益會隨著環(huán)境溫度的降低而增大。

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