双机回热小汽轮机末级回热低加选型与布置研究

  当前火力发电在我国仍占据主导地位,大容量、高参数机组不断增多。随着机组参数的升高,导致高压缸和中压缸的抽汽过热度很高,加热器的不可逆损失增大,采用双机回热的方式可大大降低抽汽过热度,提升机组的热效率[1,2],此时小汽轮机排汽采用的回热方式成为影响机组热效率以及安全运作的主要的因素[3,4]。

  目前国内常规燃煤发电机组除了除氧器采用混合式加热器外,其余加热器都采用表面式加热器。其中混合式加热器给水或凝结水与蒸汽非间接接触,利于汇集不用压力和温度的水和蒸汽,换热速度更快,使得水在蒸汽的加热下达到饱和温度,消除了加热器的换热端差,提高了加热器的换热效率,机组运行经济性更高。此外,混合式加热器的水箱容量更大,水位更易于控制,压力波动小。但是,使用混合式加热器需要在其出口增设一套凝结水升压泵将饱和水送至除氧器,这样会增加投资与占地,且凝结水系统更为复杂,系统阻力增大导致耗电量升高。

  表面式加热器中蒸汽将热量通过金属管道传递给凝结水,凝结水无法被加热到加热蒸汽压力下的饱和温度,存在约1.8℃的换热端差。所以该形式加热器运行热效率弱于混合式加热器。但表面式加热器回热系统简单,只需设一级凝结水泵,不需设凝结水升压泵。所以表面式加热器节约投资与占地,凝结水系统阻力也小,使得运行的成本降低。对于采用双机回热机组,小汽轮机末级低加除其回热功能外,还需要稳定小机排汽背压以满足小汽轮机的安全运行。

  某双机回热机组小汽轮机排汽背压约0.45 MPa,排汽温度约150℃,排汽量约90t/h,加热凝结水量约1740t/h。混合式加热器因无传热端差,可节约发电煤耗约0.18g/kWh,年节约标煤1015t,降低运行费用83.19万元;因混合式加热器水箱容量大,需比表面式加热器多投资100万元,由于在凝泵外增设一套凝结水升压泵(一用一备)和一套调阀组需增加投资400万元,由于增加一套调阀组和混合式加热器的内部喷嘴,凝结水系统阻力增大,与表面式加热器相比,凝结水系统阻力提高大约0.16MPa,增加厂用电约120kW,年运行的成本增加25.15万元。

  假设年利用小时数5500h,上网电价383.元/MWh,标煤价格812元/t,经济生产年20年。使用混合式加热器及表面式加热器所需投资及运行的成本统计如表1所示,采用混合式加热器比使用表面式加热器可节约9万元,考虑混合式加热器对稳定小汽轮排汽背压更加有利,故选用混合式加热器作为小汽轮机末级回热低压加热器。

  选定混合式加热器作为小汽轮机排汽回热加热器后,由于该混合加热器与常规机组不同,要重新考虑机组的运行安全。该加热器出口需连接凝结水升压泵,为保证凝结水升压泵的安全运行,满足泵入口必需的汽蚀余量,需要仔细考虑凝结水升压泵的布置高度问题。

  凝结水升压泵最危险的工况是从满负荷工况到全甩负荷的过程,此时混合加热器突然失去全部热端蒸汽,压力短时间内从运行压力降至大气压力,而水温无法迅速下降,这样就造成凝结水升压泵入口处的水温对应的汽化压力高于进入泵的凝结水入口压力,易引起汽蚀的严重后果。

  根据水泵的特性理论,反映泵本身汽蚀特性的参数叫泵的必需汽蚀余量NPSHR,反映泵吸入系统特性的参数叫作泵的有效汽蚀余量NPSHA,其定义为在泵的入口处单位质量的液体所拥有的超过汽化压力的富余能量,只有当机组运行的全过程中NPSHA≥NPSHR,才可能正真的保证凝结水升压泵的运行安全。NPSHA可用下式表示:

  其中:Pd为混合式低压加热器的工作所承受的压力,Pa;H为泵入口承受的净水头,m;Δp为泵吸入管的压力降,Pa;Ps为泵入口水温对应的汽化压力,Pa;ρ为混合式低压加热器水箱至凝结水升压泵吸入管内给水的平均密度,kg/m3;g为重力加速度。要使NPSHA≥NPSHR,则:

  上式前一个括号内数值反映了混合式低压加热器稳定工况下防止凝结水升压泵汽蚀的富裕压头,在瞬态过程中几乎不发生改变,可视作一个常数。后一个括号中数值为瞬态过程中富裕压头的下降值,变化过程先从小到大、再由大变小,暂态结束时为0。因此,只要保证暂态过程中后者最大值小于前者,就能确保全过程中凝结水升压泵不发生汽蚀。

  基于上述理论,将凝结水升压泵布置在汽机房0m层,小机排汽混合式低压加热器布置在17m运转层,结合厂家提供的机组甩负荷参数,对混合式低压加热器进行瞬态计算。可得到凝结水升压泵入口的有效汽蚀余量为9.48m,大于必需汽蚀余量8.5m,保证甩负荷全过程中不发生汽蚀。

  对于采用双机回热小汽轮机的高参数大容量机组,采用混合式加热器与采用表面式加热器相比费用相近,考虑混合式加热器对稳定小汽轮排汽背压更加有利,故选用混合式加热器作为小汽轮机排汽加热器。通过混合加热器瞬态计算,验证了甩负荷过程中凝结水升压泵拥有充分的汽蚀余量,得到了合理的布置高度。