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  应用科技  2017, Vol. 44 Issue (6): 79-82  DOI: 10.11991/yykj.201709005
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引用本文  

崔传涛, 庄兆意, 蒋叶辉, 等. 加热器实际换热性能的回热抽汽参数优化[J]. 应用科技, 2017, 44(6), 79-82. DOI: 10.11991/yykj.201709005.
CUI Chuantao, ZHUANG Zhaoyi, JIANG Yehui, et al. Optimization design of regenerative extraction steam parameter based on heater actual performance[J]. Applied Science and Technology, 2017, 44(6), 79-82. DOI: 10.11991/yykj.201709005.

基金项目

国家自然科学基金青年项目(51708339);中国博士后科学基金面上项目(2017M612303)

通信作者

庄兆意,E-mail:hit6421@126.com

作者简介

崔传涛(1982−),男,高级工程师;
庄兆意(1982−),男,副教授

文章历史

收稿日期:2017-09-07
网络出版日期:2017-12-11
加热器实际换热性能的回热抽汽参数优化
崔传涛1, 庄兆意2, 蒋叶辉1, 张东兴1, 张元舒1, 刘朋1    
1. 华电电力科学研究院 汽机部,浙江 杭州 310030;
2. 山东建筑大学 热能工程学院,山东 济南 205101
摘要:改善机组运行经济性可提高机组相对竞争力,在新形势电力环境中处于优势,提高蒸汽参数是增加机组热经济性的一个重要途径。在亚临界机组蒸汽参数提升条件下,对3台高压加热器和4台低压加热器的换热能力进行计算分析,将现有加热器换热能力与原设计值进行对比分析,在充分发挥其换热能力基础上,对回热抽汽参数进行优化设计,合理分配各段抽汽参数。通过回热系统抽汽参数优化工作,对3台高压加热器和4台低压加热器的进汽流量进行合理分配,避免了4台加热器的更换,减少了其中4台加热器的更换费用,取得了明显的节能效果和经济效益。
关键词加热器    汽轮机    参数提升    优化设计    抽汽    亚临界    回热系统    
Optimization design of regenerative extraction steam parameter based on heater actual performance
CUI Chuantao1, ZHUANG Zhaoyi2, JIANG Yehui1, ZHANG Dongxing1, ZHANG Yuanshu1, LIU Peng1    
1. Ministry of Turbine, Huadian Electric Power Research Institute, Hangzhou 310030, China;
2. Department of Thermal Engineering, Shandong Jianzhu University, Ji’nan 250100, China
Abstract: Improving the economy of the unit operation of steam turbine can increase relative competitiveness of the unit, making the unit possess advantage in the new electric power environment, and improving the steam parameters is an important way to increase the thermal efficiency of the unit. In the premise of raising subcritical unit’s steam parameters, this paper analyzed three high-pressure heaters and four low-pressure heaters, compared the ability of existing heat exchangers and the original design value, optimized the regenerative steam parameters on the basis of the giving full play to heat capacity of it, and gave the extraction steam parameters reasonably. Through steam extraction optimization of the regenerative system of steam parameters, the inlet flow of three high-pressure heaters and four low-pressure heaters were allocated reasonably, which avoided replacement of four heaters, reduced the cost of replacing four heaters, and acquired obvious energy-saving effect and economic benefits.
Key words: heater    steam turbine    parameters raising    optimization design    steam extraction    subcritical    heat regenerative system    

随着国家节能降耗工作的不断深入,提高主、再热蒸汽温度是改善机组能耗水平的重要途径。主蒸汽、再热蒸汽温度提升后,各级抽汽温度、抽汽量发生相应变化,有些加热器换热面积无法满足新要求,影响机组回热系统换热效果,容易造成给水温度偏低等问题。本文分析了蒸汽温度提升对加热器的影响,对加热器的实际换热能力进行分析计算,通过对抽汽流量进行优化设计,避免了4台加热器的更换,减少项目投资费用600余万元,取得显著效果。

1 抽汽参数变化对加热器换热影响 1.1 蒸汽参数提升技术背景

根据国家发改能源[2014]2093号文件相关要求,300 MW等级亚临界机组的煤耗水平很难满足要求,进行能效提升改造后需要实现供电煤耗低于310 g/(kW·h)的目标。对机组煤耗、改造费用、技术风险等因素进行综合分析,蒸汽参数提升改造是300 MW等级亚临界机组改善能耗指标的重要措施[1]

亚临界机组蒸汽参数提升改造是在维持主蒸汽再热蒸汽压力不变,提高主蒸汽、再热蒸汽温度。蒸汽温度提升可提高机组经济性,若提升幅度较大,超出设备温度承受范围则需要更换,增加了项目投资[2-3]。蒸汽参数提升应结合设备材质、机组改造计划、项目投资等因素,确定参数提升的具体数值。

汽轮机主蒸汽、再热蒸汽温度提高后,对汽轮机和回热抽汽系统影响较大,汽轮机抽汽温度和流量变化较大,现有加热器换热能力能否满足要求需要进行核算。抽汽参数优化设计发挥了现有加热器换热能力,并就抽汽参数优化对汽轮机热耗率的影响进行定量计算,综合评价抽汽参数优化效果[4-6]

1.2 影响因素分析

机组在投产设计阶段,各段抽汽参数为加热器的设计进汽参数,在保证汽轮机热耗率的前提下兼顾了加热器的换热效果。当主蒸汽、再热蒸汽温度提升后,各级抽汽参数、抽汽量发生相应变化,部分加热器原有换热面积无法满足需求,若不增加换热面积,会影响回热系统换热效果,造成机组给水温度偏低等问题[7-9]

在热力学第二定律、等效焓降等理论基础上,建立了机组回热抽汽系统和汽轮机热耗率计算程序,得出抽汽参数对汽轮机热经济性的影响,计算加热器抽汽流量公式如下

$\begin{aligned}& {F_{g,n}}\left( {{h_{g,n}} - {h_{d,n}}} \right) + {F_{d,n}}_{ - 1}\left( {{h_{d,n}}_{ - 1} - {h_{d,n}}} \right) + \\& \quad \quad {F_{v,n}}\left( {{h_{v,n}} - {h_{d,n}}} \right) = {F_{w,n}}\left( {{h_{w,{{\rm{out}},n}}}- {h_{w,{{\rm{in}},n}}}} \right)\end{aligned}$

式中:Fg,nn级抽汽量,kg/h;hg,nn级加热器进汽焓,kJ/kg;hd,nn级加热器疏水焓,kJ/kg;Fd,n−1n−1级加热器疏水量,kg/h;hd,n−1n−1级加热器疏水焓,kJ/kg;Fv,nn级加热器其他进汽量,kg/h;hv,nn级加热器其他进汽焓,kJ/kg;Fw,nn级加热器进出水流量,kg/h;hw,out,nn级加热器出水焓,kJ/kg;hw, in,nn级加热器进水焓,kJ/kg。

2 加热器换热能力计算分析 2.1 加热器换热能力分析

以国内某电厂330 MW亚临界机组为例进行抽汽参数变化对抽汽回热系统的影响分析,该机组汽轮机型号为N330-16.7/537/537,共8级抽汽,系统配置3台高压加热器、4台低压加热器和1台除氧器。

蒸汽参数提升后,各加热器进汽温度和流量变化明显,加热器进汽压力变化不明显[10-11]。蒸汽参数提升前、后各加热器参数对比情况如表1所示。

表 1 参数提升前后各加热器参数对比

表1可以看出,由于各加热器进汽参数及进汽量发生了相应变化,现有换热面积是否可以满足要求需要进一步核算[4]。结合机组性能试验数据,对加热器实际运行效果进行计算分析,并将实际运行效果、参数提升后换热量要求与加热器设计换热量进行比较,加热器设计换热量按100%进行分析,计算结果如表2所示。由表2可以看出,蒸汽参数提升后,1号高压加热器换热面积增加3.76%,3号高加换热面积增加24.45%,6号低压加热器换热面积增加55.59%,其余加热器换热面积有不同程度的减少。

表 2 加热器换热情况对比分析
2.2 加热器改造必要性分析

蒸汽参数提升后,对各加热器换热面积有不同要求,结合各加热器实际运行效果,对加热器改造必要性进行分析。

2.2.1 高压加热器换热能力分析

1号高压加热器进汽温度由394.4 ℃升高到422.55 ℃,进汽压力由6.417 MPa降低到6.391 MPa,进汽量由73.72 t/h减少到73.37 t/h。加热器进汽温度增加28.15 ℃,进汽压力略有降低,进汽流量变化较少。通过性能试验发现,1号高压加热器的实际换热量达到设计值的108.65%,参数提升后加热器换热量为设计值的103.76%,1号高压加热器现有换热能力可以满足参数提升后的要求。

2号高压加热器进汽温度由327.5 ℃升高到347.74 ℃,压力由3.92 MPa降低到3.726 MPa,进汽量由68.59 t/h增加到71.20 t/h。2号高压加热器设计工况、实际运行工况和改造后工况的比值为100:87.34:89.89,给水在2号高加内部的换热量只达到了设计值的87.34%,2号高加的换热量达不到设计水平,无法满足参数提升改造后对换热的要求,必须进行更换。

3号高压加热器进汽温度由435.9 ℃升高到472.73 ℃,压力由1.808 MPa降低到1.746 MPa,进汽量由34.18 t/h升高到46.14 t/h。3号高加设计工况、实际运行工况和改造后工况的比值分别为100:114:124.45,给水在3号高加内部的换热量达到了设计值的114%,参数提升改造后给水在3号高加的换热量增加24.45%,目前的换热量可以达到设计要求,但无法满足参数提升后换热量的需求。

2.2.2 低压加热器换热能力分析

5号低压加热器进汽温度由235.4 ℃升高到265.18 ℃,进汽压力由0.378 5 MPa降低到0.377 3 MPa,进汽量由40.02 t/h下降到34.14 t/h。5号低加设计工况、实际运行工况和改造后工况的比值分别为100:104.98:86.58,给水在5号低加内部的换热量达到了设计值的104.98%,参数提升改造后给水在5号低加的换热量减少13.42%,目前的换热量可以满足参数提升后换热量的需求。

6号低压加热器进汽温度由137.1 ℃升高到176.6 ℃,进汽压力由0.142 9 MPa升高到0.164 9 MPa,进汽量由25.18 t/h升高到37.87 t/h。6号低加设计工况、实际运行工况和改造后工况的比值分别为100:115.97:155.59,给水在6号低加内部的换热量达到了设计值的115.97%,参数提升改造后给水在6号低加的换热量增加55.59%,目前的换热量无法满足参数提升后换热量的需求。

7号低压加热器进汽温度由89.5 ℃降低到82.64 ℃,进汽压力由0.068 9 MPa降低到0.052 7 MPa,进汽量由27.42 t/h下降到25.63 t/h。7号低加设计工况、实际运行工况和改造后工况的比值分别为100:89.57:95.72,给水在7号低加内部的换热量达到了设计值的89.57%,参数提升改造后给水在7号低加的换热量减少4.28%,目前的换热量无法满足参数提升后换热量的需求。

8号低压加热器进汽温度由66.7 ℃降低到60.84 ℃,进汽压力由0.027 0 MPa降低到0.020 7 MPa,进汽量由34.56 t/h下降到28.14 t/h。8号低加设计工况、实际运行工况和改造后工况的比值分别为100:88.56:82.76,给水在8号低加内部的换热量达到了设计值的88.56%,参数提升改造后给水在8号低加的换热量减少17.24%,目前的换热量可以满足参数提升后换热量的需求。

通过上述分析可以看出,1号高压加热器和5、8号低压加热器换热量可以满足参数提升需求,2、3号高压加热器和6、7号低压加热器换热量无法满足换热需求,

3 抽汽参数优化设计

通过计算分析可知需要增加换热面积或更换加热器。更换4台加热器投资费用高,为减少投资和改善机组运行经济性,可进行参数优化工作[12]。本文在不降低机组给水温度的情况下,对各段抽汽参数进行优化计算,并对抽汽位置进行合理分配。

3.1 抽汽参数优化措施

机组中压缸第5级后为3段抽汽,抽汽温度为435.90 ℃,抽汽压力为1.808 MPa;蒸汽参数提升后,中压第5级后蒸汽温度为463.60 ℃,蒸汽压力为1.800 MPa,中压第6级后蒸汽温度为440.80 ℃,蒸汽压力为1.590 MPa。将中压第6级后蒸汽作为3号加热器汽源,加热器进汽温度提高5 ℃左右,接近加热器设计进汽温度,换热效果更佳,有利于加热器运行的安全性和经济性。

将机组3段抽汽参数调整后,结合各加热器换热能力,进行加热器换热能力计算,以加热器原设计值为100%考虑,加热器实际计算值、蒸汽参数提升值和优化值分别进行对比,结果如图1所示。

图 1 各加热器换热性能对比

抽汽参数优化后,加热器的换热能力曲线与加热器实际换热量曲线相吻合。各加热器的换热量为实际运行值的96.41%~103.19%,符合加热器目前的换热能力;2、7、8号加热器实际换热能力为设计值的87.34%、89.57%和88.56%,通过检修提效等措施提高2、7、8号加热器换热水平3%以上,与抽汽参数优化后加热器换热能力相匹配。

3.2 参数优化经济性分析

抽汽参数优化之前,2、3号高压加热器和6、7号低压加热器换热面积无法满足要求,更换加热器费用高达600万元左右。通过抽汽参数优化,充分发挥加热器现有换热能力,各加热器进汽参数更合理,与各加热器实际换热能力相匹配,使加热器的换热能力满足蒸汽参数提升后对加热器的要求,减少改造投资费用约600万元。

4 结论

汽轮机主蒸汽、再热蒸汽温度提高后,对汽轮机和回热抽汽系统影响较大,汽轮机抽汽温度和流量变化较大,现有加热器换热能力能否满足要求需要进行核算,在充分发挥现有加热器换热能力基础上对抽汽参数进行优化设计,取得显著效果。

1) 结合汽轮机运行参数对加热器换热能力进行计算,发挥现有加热器换热能力,优化抽汽流量与加热器换热能力匹配。

2) 汽轮机主汽、再热蒸汽温度提高后,4台加热器换热面积不足,抽汽参数优化充分发挥了加热器换热能力,使2、3号高压加热器和6、7号低压加热器避免被更换,节约机组改造费用约600万元。

汽轮机抽汽参数优化将加热器换热能力和项目投资等因素进行分析,充分发挥加热器现有能力,降低了汽轮机热耗率,减少了改造投资,是在蒸汽参数提升改造项目基础上对抽汽参数的优化设计,是节能改造项目的优化整合,属于深度节能的范畴,为电厂节能提效改造提供了新思路。

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