超超臨界1000mw機(jī)組余熱利用方案優(yōu)化及火用分析

超超臨界1000mw機(jī)組余熱利用方案優(yōu)化及火用分析

電力剩余利用是解決前發(fā)電效率低下問題的重要手段。在鍋爐尾部煙道設(shè)置余熱利用系統(tǒng)不僅可以有效回收煙氣余熱、降低煤耗,而且也能夠一定程度地降低煙溫,保證機(jī)組設(shè)備安全運(yùn)行,同時(shí)減少廢熱排放,提高環(huán)保效益。電站鍋爐尾部煙氣余熱利用按加熱方式可分為加熱冷空氣、熱網(wǎng)水、汽輪機(jī)凝結(jié)水、鍋爐給水。為了較大程度地提高電廠的經(jīng)濟(jì)性,降低發(fā)電成本,達(dá)到節(jié)能減排的目的,電站余熱利用技術(shù)一般應(yīng)用于加熱鍋爐給水與凝結(jié)水,其最主要回收排煙余熱的方式是在鍋爐尾部煙道中增設(shè)低溫省煤器,利用排煙加熱回?zé)嵯到y(tǒng)中的凝結(jié)水,在降低排煙溫度的同時(shí),使部分低壓抽汽返回汽輪機(jī)繼續(xù)膨脹做功,從而在主蒸汽流量不變的情況下,增加汽輪機(jī)做功,提高機(jī)組的熱功轉(zhuǎn)換效率。該余熱利用方案已在開封電廠、長春第二熱電廠、龍口電廠、上海外高橋三電廠等電站中得到了成功的應(yīng)用,與此同時(shí),西安交通大學(xué)、山東大學(xué)、華北電力大學(xué)等單位的學(xué)者均對其展開了較為深入的研究。近幾年,德國科隆Niederaussem1000MW級褐煤發(fā)電機(jī)組應(yīng)用了基于旁路煙道技術(shù),能夠大幅回收煙氣余熱的方案。華北電力大學(xué)在此基礎(chǔ)上,提出了適用于我國電站的新型并聯(lián)余熱利用方案(新型方案),以進(jìn)一步提高了機(jī)組熱功轉(zhuǎn)換效率與電站經(jīng)濟(jì)收益。本文以國內(nèi)某超超臨界1000MW機(jī)組為例,對機(jī)組的傳統(tǒng)余熱利用方案(傳統(tǒng)方案)和新型方案分別進(jìn)行熱力計(jì)算與火用分析,并基于計(jì)算分析結(jié)果對2種余熱利用方案進(jìn)行了全面的熱力學(xué)性能分析對比,從本質(zhì)上揭示了新型方案相對于傳統(tǒng)方案的優(yōu)勢。1采用stv動(dòng)態(tài)充電系統(tǒng)1.1低溫省煤器傳統(tǒng)方案是在鍋爐尾部煙道的空氣預(yù)熱器出口加裝低溫省煤器以加熱凝結(jié)水(圖1),該技術(shù)可以在一定程度上降低排煙溫度,保證機(jī)組安全運(yùn)行,但回收的煙氣品位較低,余熱利用效果有限。1.2煙氣余熱回收基于旁路煙道技術(shù)的新型方案能夠回收利用更高品位的煙氣廢熱,大幅提高機(jī)組熱效率。該方案將省煤器出口的鍋爐尾部分隔成主煙道和旁路煙道。主煙道中布置主空氣預(yù)熱器,加熱進(jìn)入鍋爐前的冷空氣;旁路煙道中布置高、低溫?zé)熕畵Q熱器,加熱鍋爐給水和凝結(jié)水。在主煙道和旁路煙道出口處2股煙氣匯合流入?yún)R合煙道,在匯合煙道中設(shè)置前置式空氣預(yù)熱器加熱冷空氣,彌補(bǔ)由于旁路煙道分流煙氣導(dǎo)致的空氣吸熱量不足。新型并聯(lián)余熱利用系統(tǒng)回收了省煤器出口的高溫?zé)煔鉄崃?其品位遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)的煙氣熱量。因此,新型方案可以加熱較高溫度的鍋爐給水,排擠汽輪機(jī)較高品位的抽汽(圖2)。2/400型機(jī)組某臺(tái)超超臨界N1000-26.25/600/600型機(jī)組采用1次中間再熱,4缸4排汽,單軸凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組THA工況回?zé)嵯到y(tǒng)側(cè)及鍋爐側(cè)熱力特性數(shù)據(jù)分別見表1、表2。3方案4:傳統(tǒng)方案與新型方案熱平衡方法機(jī)組空氣預(yù)熱器進(jìn)、出口煙溫分別為372、131℃,為保證工程的可行性,同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能收益最大化,計(jì)算時(shí)假定:(1)對數(shù)換熱溫差大于20℃;(2)鍋爐最終排煙溫度100℃;(3)傳統(tǒng)方案中低溫省煤器與6、7號加熱器并聯(lián)(圖1);(4)新型方案中高溫?zé)熕畵Q熱器與1、2、3號高壓加熱器并聯(lián),低溫?zé)熕畵Q熱器與除氧器和5、6號低壓加熱器并聯(lián),低溫?zé)熕畵Q熱器出口凝結(jié)水送回至給水泵前除氧器出口處(圖2)。采用熱平衡方法對傳統(tǒng)方案和新型方案進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算,得出2種方案的節(jié)能效果,其對比結(jié)果見表3。由表3可見,新型方案的供電煤耗降低值為3.62g/(kW·h),節(jié)約燃煤收益1356.52萬元/年,是傳統(tǒng)方案的2倍以上,節(jié)能效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方案。4回?zé)嵯到y(tǒng)側(cè)單元?jiǎng)澐旨皩Ρ然鹩梅治龇椒ńY(jié)合熱力學(xué)第一、第二定律,針對能量流通的系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行熱力學(xué)完善性評價(jià),包括系統(tǒng)整體的火用效率,以及各設(shè)備、環(huán)節(jié)的火用損失大小以及影響因素等。因此,火用分析方法能夠深入了解熱力設(shè)備的完善程度,對系統(tǒng)得出科學(xué)正確的認(rèn)識(shí),從本質(zhì)上揭示能量損失的原因。將傳統(tǒng)方案的回?zé)嵯到y(tǒng)側(cè)分為11個(gè)單元(汽輪機(jī)、凝汽器、1~8號高、低加熱器和其他輔助設(shè)備)。鍋爐側(cè)分為3個(gè)單元(空氣預(yù)熱器前鍋爐部分、空氣預(yù)熱器和低溫省煤器)。新型方案的回?zé)嵯到y(tǒng)側(cè)單元?jiǎng)澐峙c傳統(tǒng)方案相同,鍋爐側(cè)分為5個(gè)單元(空氣預(yù)熱器前鍋爐部分、主空氣預(yù)熱器、前置式空氣預(yù)熱器、高溫?zé)熕畵Q熱器以及低溫?zé)熕畵Q熱器)。針對每個(gè)單元以及系統(tǒng)整體列出火用平衡式進(jìn)行火用分析,得出各單元的火用損、火用損系數(shù)以及火用效率。2種方案的計(jì)算結(jié)果對比見表4。由表4可見,新型方案與傳統(tǒng)方案的回?zé)嵯到y(tǒng)側(cè)火用損基本一致,而鍋爐側(cè)空氣加熱部分的總火用損為17.3MW,比傳統(tǒng)方案降低了5.4MW,主空氣預(yù)熱器火用效率提高了6.7%。5煙氣品質(zhì)和余熱利用的溫區(qū)范圍大幅擴(kuò)(1)從熱力學(xué)第一定律角度出發(fā),新型方案可增加機(jī)組負(fù)荷14.13MW,提高機(jī)組效率1.39%,降低機(jī)組供電煤耗3.62g/(kW·h),各項(xiàng)指標(biāo)均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方案,節(jié)能效果、經(jīng)濟(jì)收益均為傳統(tǒng)方案的2倍以上。(2)新型方案所回收的372~131℃之間的煙氣品質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方案所回收的131~100℃的煙氣品質(zhì),余熱利用的溫區(qū)范圍大幅擴(kuò)大。(3)新型方案能夠利用高溫?zé)熕畵Q熱器加熱1、2、3號高壓加熱器中的鍋爐給水,以及利用低溫?zé)熕畵Q熱器可加熱除氧器和5、6號低壓加熱器的凝結(jié)水,使1~6段高品質(zhì)抽汽返回汽輪機(jī)做功,更符合能量對口梯級利用的原則。而傳統(tǒng)方案僅利用低溫省煤器加熱6、7號低壓加熱器的凝結(jié)水,使6、7段低品質(zhì)抽汽返回汽輪