基于EBSILON 對某汽輪機(jī)組抽汽供熱方式的比較研究

陳 嘯，李國慶，劉 利

（中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，上海 200086）

0 引言

集中供熱設(shè)施是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，它不僅關(guān)系到城市的環(huán)境保護(hù)、能源利用和節(jié)約資源，還關(guān)系到城區(qū)居民的居住環(huán)境和居住條件，是城市發(fā)展的一個主要指標(biāo)。隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，城市集中供熱的需求日益增加，發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術(shù)是當(dāng)今電廠的趨勢，熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱不僅能提高能源的利用效率，而且能為燃煤機(jī)組爭取更多的發(fā)電小時數(shù)，符合國家產(chǎn)業(yè)政策。越來越多的電廠計劃進(jìn)行供熱改造，但面對不同的供熱需求，只有采用合理的供熱方案，才能既滿足供熱的需求又有良好的經(jīng)濟(jì)性。因此，在電廠進(jìn)行供熱改造前，通常需要對各種供熱方案進(jìn)行比較研究。但汽輪機(jī)組在不同負(fù)荷工況下，各抽汽口的壓力、溫度等也不盡相同，這就需要采用一定的手段將汽輪機(jī)抽汽蒸汽參數(shù)與工業(yè)用汽用戶參數(shù)進(jìn)行匹配，通常采用的參數(shù)匹配方案有2 種，即減溫減壓器和壓力匹配器2 種抽汽供熱方案[1-4]。本文以某600 MW 機(jī)組為例，根據(jù)機(jī)組數(shù)據(jù)以及供熱參數(shù)，基于EBSILON 軟件，建立采用減溫減壓器和壓力匹配器2 種不同的抽汽供熱方案模型，計算機(jī)組熱力系統(tǒng)循環(huán)平衡，分析不同方案對機(jī)組能耗的影響。

1 建模與驗證

某電廠600 MW 機(jī)組為超臨界一次中間再熱、三缸四排汽凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組型號為N600-24.2/566/566，超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組額定功率600 MW，最大功率658 MW，額定主蒸汽量1 705.2 t/h，最大主蒸汽量1 903.23 t/h，額定蒸汽參數(shù)為24.2 MPa/566 ℃（主汽門前），再熱蒸汽參數(shù)為3.976 MPa/566 ℃（中聯(lián)門前），額定背壓為5.0/6.0 kPa，保證熱耗為7 537 kJ（/kW·h），額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。本文以該機(jī)組在熱耗率驗收THA（turbine heat acceptance）工況下的參數(shù)為例，并做一定的簡化，忽略了軸封的影響，建立EBSILON 模型，通過軟件的變工況計算，模擬出機(jī)組在75%THA、50% THA 工況下的熱力參數(shù)。模擬的各參數(shù)情況如表1 所示。

表1 EBSILON 模擬機(jī)組在THA、75% THA、50% THA 工況下的參數(shù)

由表1 數(shù)據(jù)可看出，在THA 工況下，軟件模擬計算出的機(jī)組熱耗率7 501.5 kJ/（kW·h）比機(jī)組原設(shè)計熱耗率7 537 kJ/（kW·h）低了35.5 kJ/（kW·h），約為0.47%。究其原因是本次模擬未考慮機(jī)組軸封的影響，偏差在合理范圍內(nèi)。因此，通過該模型可以滿足機(jī)組熱力系統(tǒng)平衡的仿真計算的要求。該機(jī)組的供熱蒸汽參數(shù)為1.5 MPa，300 ℃，正常需求為100 t/h，以該參數(shù)對機(jī)組進(jìn)行工業(yè)供熱改造研究比較可行。

2 減溫減壓器方案

減溫減壓器可對汽輪機(jī)組抽送來的蒸汽進(jìn)行減溫減壓，使其壓力、溫度達(dá)到熱用戶的要求。減溫減壓器由減壓系統(tǒng)（減溫減壓閥、節(jié)流孔板等）、減溫系統(tǒng)（高壓差給水調(diào)節(jié)閥、節(jié)流閥、止回閥等）、安全保護(hù)裝置（安全閥）等組成[5]，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 減溫減壓器系統(tǒng)示意圖

為了保證能夠匹配供熱參數(shù)，多采用壓力、溫度均高于熱用戶需求的蒸汽作為熱源蒸汽，通常采用再熱冷段和再熱熱段蒸汽抽汽進(jìn)行供熱。本機(jī)再熱冷段蒸汽在THA 工況下參數(shù)為壓力4.42 MPa、溫度315.3 ℃，雖然壓力溫度均高于熱用戶的需求（1.5 MPa、300 ℃），但經(jīng)節(jié)流降壓后（焓值不變，壓力降至1.5MPa），蒸汽溫度會低于300 ℃，故不能采用。因此，采用從再熱熱段抽取蒸汽進(jìn)行減溫減壓再供至熱用戶的方案，其中減溫水取自給水泵后的給水，稱為方案1。方案1 的EBSILON 模型如圖2 所示。

圖2 方案1 EBSILON 模型

采用軟件模擬計算出機(jī)組在100%負(fù)荷、75%負(fù)荷、50%負(fù)荷下，抽汽供熱100 t/h 工況下的熱力參數(shù)，計算結(jié)果如表2 所示。

表2 方案1 機(jī)組熱力參數(shù)

3 壓力匹配器方案

壓力匹配器的基本原理是利用高壓蒸汽膨脹加速降壓，將低壓蒸汽引射并混合，再擴(kuò)壓提高到用戶需要的供熱參數(shù)，壓力匹配器利用高壓蒸汽和低壓蒸汽之間的壓力差，使得低壓蒸汽增壓到用戶所需的工作壓力[6-7]。其系統(tǒng)原理如圖3 所示。

圖3 壓力匹配器系統(tǒng)示意圖

根據(jù)該機(jī)組參數(shù)，進(jìn)一步采用再熱冷段蒸汽（4.42 MPa、315.3 ℃）作為高壓驅(qū)動蒸汽，中壓缸排汽（1.086 MPa、370.1 ℃）作為低壓蒸汽，通過兩股蒸汽匯合，再少量噴水，調(diào)整蒸汽溫度后，可滿足熱用戶需求。該方案稱為方案2。方案2 的EBSILON 模型如圖4 所示。

圖4 方案2 EBSILON 模型

軟件模擬計算出的機(jī)組在100%負(fù)荷、75%負(fù)荷、50%負(fù)荷各抽汽供熱100 t/h 工況下的熱力參數(shù)如表3 所示。因在50%負(fù)荷工況下，再熱壓力較低，作為壓力匹配器的驅(qū)動蒸汽，已無法抽取足夠的蒸汽來滿足100 t/h 的供熱量，但此時再熱冷段蒸汽的焓值大于熱用戶需求蒸汽的焓值（3 038.9 kJ/kg），因此可直接使用再熱冷段蒸汽減溫減壓后進(jìn)行供熱。

表3 方案2 機(jī)組熱力參數(shù)

4 兩種方案計算模擬數(shù)據(jù)比較

匯總不同負(fù)荷下各種方案機(jī)組的發(fā)電熱耗率和發(fā)電煤耗率，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫? 所示，各方案熱耗率與機(jī)組負(fù)荷關(guān)系曲線如圖5 所示。

圖5 各方案熱耗率與機(jī)組負(fù)荷關(guān)系

表4 各方案熱耗率及煤耗率數(shù)據(jù)匯總

由表4 和圖5 可得出如下結(jié)果：

a）機(jī)組在純凝工況下，75%負(fù)荷比100%負(fù)荷發(fā)電熱耗率增加120.8 kJ/（kW·h），發(fā)電煤耗率增加4.13 g/（kW·h）；50%負(fù)荷比75%負(fù)荷發(fā)電熱耗率增加239.0 kJ/（kW·h），發(fā)電煤耗率增加8.15 g/（kW·h）。機(jī)組在低負(fù)荷工況區(qū)，能耗增加較多。

b）機(jī)組在再熱熱段蒸汽供熱（方案1）情況下，與純凝工況相比，在100%負(fù)荷下，發(fā)電熱耗率降低101.6 kJ/（kW·h），發(fā)電煤耗率降低3.46 g/（kW·h）；在75%負(fù)荷下，發(fā)電熱耗率降低151.7 kJ/（kW·h），發(fā)電煤耗率降低5.18 g/（kW·h）；在50%負(fù)荷下，發(fā)電熱耗率降低251.1 kJ/（kW·h），發(fā)電煤耗率降低8.57 g/（kW·h）。抽汽供熱能顯著降低機(jī)組的發(fā)電能耗，負(fù)荷越低，節(jié)能效果越明顯。

c）機(jī)組在再熱冷段蒸汽供熱（方案2）情況下，與再熱熱段蒸汽供熱（方案1）相比，在100%負(fù)荷下，發(fā)電熱耗率降低74.2 kJ/（kW·h），發(fā)電煤耗率降低2.53 g/（kW·h）；在75%負(fù)荷下，發(fā)電熱耗率降低76.5 kJ/（kW·h），發(fā)電煤耗率降低2.61 g/（kW·h）；在50%負(fù)荷下，發(fā)電熱耗率降低90.9 kJ/（kW·h），發(fā)電煤耗率降低3.1 g/（kW·h）。采用再熱冷段蒸汽供熱比再熱熱段蒸汽供熱節(jié)能效果明顯。

5 結(jié)論

本文通過對比600 MW 機(jī)組純凝工況與2 種抽汽供熱方案的能耗情況，可得出如下結(jié)論。

a）與純凝工況相比，抽汽供熱能明顯降低機(jī)組的發(fā)電煤耗率，在供熱量一定的情況下，負(fù)荷越低，降低的煤耗越多。

b）在機(jī)組負(fù)荷和供熱量相同的情況，通過壓力匹配器從再熱冷段蒸汽抽汽供熱比通過減溫減壓器從再熱熱段蒸汽抽汽供熱的方式要節(jié)能，在供熱100 t/h（1.5 MPa，300 ℃）的情況下，前者比后者降低發(fā)電煤耗率約2.5～3 g/（kW·h）。

c）在低負(fù)荷段的時候，由于再熱冷段蒸汽壓力降低，壓力匹配器抽吸能力降低，對機(jī)組在低負(fù)荷區(qū)供熱的能力有影響，可與采用減溫減壓的方式結(jié)合使用。

機(jī)組的供熱改造涉及汽機(jī)、鍋爐、供熱管網(wǎng)等方面的研究，本文通過采用EBSILON 軟件模擬機(jī)組的2 種抽汽供熱方式，從能耗的角度比較了2 種供熱方式的特點，得出了具體的數(shù)據(jù)，對電廠供熱改造提供了理論依據(jù)，對同類機(jī)組抽汽供熱方案的選擇也有借鑒意義。