1000兆瓦空冷火电机组回热抽汽系统经济性分析

1000兆瓦空冷火电机组回热抽汽系统经济性分析

丁广利丁宓媛

(国电浙能宁东发电有限公司宁夏回族自治区银川市750000)

摘要：全国截止2015年9月，全国已投运1000MW级火电机组达八十余台以上。目前所有投运机组的参数及辅机配置都是参照欧洲机组来设置的，在引进国内的同时有部分改动，目前已经运行的1000MW级湿冷机组都是八级抽汽，空冷（只有直接空冷）机组都是七级抽汽。通常间接空冷机组末级排汽压力较直接空冷机组低2KPa-5KPa左右。在提高机组效率的同时，也给热力系统增加回热抽汽级数提供了可能。

关键词：1000兆瓦；空冷；火电机组回；热抽汽系统

给水回热加热是指从汽轮机某些中间级抽出部分蒸汽，送入回热加热器对锅炉给水进行加热的过程。给水回热加热的意义在于采用给水回热以后，一方面，回热抽汽后使汽轮机进入凝汽器的凝汽量减少了，汽轮机冷源损失降低了；另一方面，回热提高了锅炉给水温度，使工质在锅炉内的平均吸热温度提高，使锅炉的传热温差降低。同时，汽轮机抽汽加热给水的传热温差比水在锅炉中利用烟气进行加热时温差小很多，因此，做工能力损失减小了。

由于给水温度的提高而使回热循环吸热过程平均温度提高，理想循环热效率也增加了，因此，采用回热循环后，提高了电厂的热经济性。

锅炉最佳给水温度为回热循环汽轮机绝对内效率最大时对应的给水温度。随着给水温度的提高，一方面，与之相应的回热抽汽压力随之增加，这样，抽汽在汽轮机中做功减少，做工不足系数增加，当机组初、终参数和汽轮发电机组输出功率一定时，汽耗量将随着给水温度的提高而增加。另一方面，随着给水温度的提高，1kg工质在锅炉中的吸热量将会减少，汽轮发电机组热耗率及汽轮机绝对内效率受双重影响，因此，在理论上存在着最佳的给水温度，在最佳给水温度下，回热循环汽轮机的绝对内效率最大。

实际上，最佳给水温度的确定与电厂的综合技术经济性有关。给水温度的提高，将使锅炉设备投资增加，或使锅炉排烟温度升高，从而降低了锅炉效率。例如，在提高给水温度时，若锅炉受热面不变，则省煤器吸热量减少，锅炉排烟热损失增加，使锅炉效率下降，有可能使整个电厂效率降低；若排烟温度不变，若锅炉效率不变，则省煤器受热面必须增加，使设备投资增加。

因此，经济上最有利的给水温度的确定，应在保证系统简单、工作可靠、回热的收益足以补偿和超过设备投资费用的增加时，才是合理的。实际上的给水温度值一般低于理论上的最佳值，通常为0.65～0.75。

(1)当给水温度一定时，随着回热级数的增加，回热抽汽的做功增加，附加冷源热损失减少，汽轮机绝对内效率将增加。

(2)随着回热加热级数的增多，回热循环效率的增加值逐渐减少。当抽汽段数多于4～5段时，再增加回热级数，回热循环效率的增加便有限，这是因为当级数增加时，给水在每级中的吸热量相对减少的缘故。

(3)在曲线的最高点附近比较平坦，表明实际给水加热温度少许偏离于最佳给水温度时，对系统经济性的影响并不大，所以，力求把给水精确地加热到理论上最佳给水温度并没有很大的实际意义。

因此，在选择回热加热级数时，应考虑到每增加一级加热器就要增加设备投资费用，所增加的费用应当能从节约燃料的收益中得到补偿，同时还要尽量避免发电厂的热力系统过于复杂，以保证运行的可靠性。因此，由于技术、经济上的原因，目前已投运的电厂回热级数是有限的，中参数机组为1～3级，高参数机组为5～7级，超高参数以上大容量再热机组一般为7～8级。

随着我国大容量机组的发展，进一步提高初参数、降低终参数、提高机组热经济性是当代汽轮机发展的目标。当工程所处地区属寒冷地区，且凝汽器冷却水采用直流供水系统时，由于冷却水温度很低，汽轮机背压可进一步降低，但汽轮机排汽容积流量进一步增加，这时，1000MW以上等级的机组可采用三个低压缸，以适应低背压的要求，提高机组效率，据相关资料介绍，西门子2002年投运的超低背压1025MW超超临界汽轮机，采用五缸六排汽，3个低压缸，背压为2.91/3.68kPa，热耗下降至少100kJ/kW.h，排汽容积流量是玉环电厂的1.5倍；同时汽机低压缸可增加抽汽级数，即采用9级或以上回热抽汽，进一步降低热耗，提高全厂热经济性。

空机组工程一般地处“三北”较寒冷地区，在采用间接空冷机组，凝汽器冷却水系统为二次循环系统，设有间接空冷塔及其附属设备，冷却水温度高，若背压进一步降低，空冷系统投资将显著增加，且汽机采用三个低压缸时，汽轮机制造商尚未有这方面成熟的技术储备，其研发周期存在不确定性，因此，现阶段仅讨论不宜采用三个低压缸的空冷汽轮机，权衡经济性因素后，背压可适当降低，但不宜过低。即：宜仍采用两个低压缸，但可在原先3台低压加热器的基础上给予优化，设置4台低压加热器。

对于二次再热机组，由于增加了一个超高压缸，增加1～2级回热抽汽技术上是可行的。采用二次再热使机组热经济性得到提高，但机组更加复杂：有两个再热器—锅炉结构复杂化；汽机增加一个超高压缸，增加一根再热冷管与再热热管，增加一套超高压主汽、调节阀，机组长度增加，轴系趋于复杂—汽轮机结构复杂化，投资加大较多。同时它对锅炉的影响也很大，运行时对控制的要求更高。这都存在大量需要解决的技术问题。

据有关资料介绍，在目前参数下，二次再热的经济性得益为1.4%～1.6%左右，但机组的造价要高15%～20%，而机组的投资一般约占电厂总投资的40%～45%左右，电站投资要增加6.8%～9%。

由于一次再热机组汽机3段抽汽即中压缸第一级抽汽温度较高，可在对应的3#高加前设置一外置式蒸汽冷却器，3段抽汽先加热该外置式蒸汽冷却器，然后再进入3#高加，以充分利用该段抽汽的过热度，加热最后一级高加出口的给水，提高换热效率，进一步提高给水温度。据有关资料介绍，设置该外置式蒸汽冷却器后，给水温度可提高3.3℃，热耗减少13kJ/kW.h，发电标煤耗约降低0.48g/kW.h。设置该外置式蒸汽冷却器后，汽轮机本体结构不需进行改进，只需系统中增加一台外置式蒸汽冷却器设备及相应的管道和阀门等，安全可靠性高，投资增加也不多；另外，给水温度提高约3.3℃，对锅炉性能基本没有影响，因此，工程上仍推荐采用3台高压加热器，其中3#高加设置外置式蒸汽冷却器，以提高全厂效率，节约煤耗。

增加回热级数可以提高回热循环效率，但随着回热级数的增加，循环效率的提高是逐渐减少的。给水温度的增加，提高了热经济性，但投资将有所增加，同时也却使锅炉设计难度加大，排烟温度有可能提高并影响锅炉效率，或需增加锅炉尾部受热面，使锅炉投资增加。因此最佳给水温度和最佳抽汽级数的确定须进行技术经济比较；鉴于我国目前燃煤机组技术、经济上的原因，机组回热级数的增加将是有限的。

对于低压缸，当工程为空冷机组，背压较湿冷机组高，故宜采用两个低压缸的方案，工程可在原3级回热抽汽的基础上给予优化，采用4级回热抽汽。

综合考虑我国目前大容量机组的设计制造技术和加工制造能力、运行业绩，同时为了最大限度地提高电厂运行的经济性，降低煤炭资源的消耗，减少污染物的排放，本文认为1000MW级间接空冷机组推荐采用一次再热机组，设置8级回热抽汽，且设置3#高加外置式蒸汽冷却器的方案，较常规7级回热抽汽的空冷机组可降低热耗28kJ/kW.h，降低发电标煤耗约1.03g/kW.h，具有较好的经济性。