一种全高位布置汽轮发电机组的回热系统疏水优化方法

摘要

一种全高位布置汽轮发电机组的回热系统疏水优化方法，包括以下步骤：S1、根据全高位布置汽轮发电机组回热系统疏水的设计特点，为了抵消超长管道与垂直高差造成的负面影响，设计多种可行的优化方案；S2、分析机组的设计数据，S3、计算和分析S1中所提出的几种方案的经济性与安全可靠性，S4、对S3所得出的各个优化方案的经济性与安全性进行比较，得到最优解决方案。本发明针对全高位布置汽轮发电机组的回热系统的特点，通过计算多种解决方案的在不同机组负荷下的性能参数，再对各项性能参数进行分析，并结合设备投资、运行费用和安全可靠性的因素，对各种解决方案进行全方面的比较，得到回热系统疏水的最优方案，以提高机组的安全性与经济性。

说明书

技术领域

本申请涉及汽轮机设计优化技术领域，尤其涉及一种全高位布置汽轮发电机组的回热系统疏水优化方法。

背景技术

汽轮机回热系统是火电厂热力系统中的最基本和最核心部分，回热加热器是现代火电厂用以提高热经济性的主要设备，其运行性能直接影响到整个机组的热经济性。根据20世纪90年代德国发起的高效洁净燃用褐煤发电的研究成果，超超临界机组实际热效率与当时普通的亚临界600MW机组相比提高了7.7％，其中回热系统热经济性提升带来的效益占到了1/7左右。由此可见，在重视提高机组容量和参数的同时，还应注重对汽轮机回热系统的优化。且优化汽轮机的热力系统与提高机组参数相比，具有投资小、技术风险小、实现相对容易等优点。

对于发电机组的回热系统来说，其基本的疏水方式有两种，即疏水逐级自流和采用疏水泵方式；

所谓疏水逐级自流的疏水方式是指回热系统采用疏水逐级自流进行疏水，是利用相邻加热器之间的压力差将加热器的疏水依次从压力高的加热器中自流入压力较低一级的加热器中，最后一级加热器的疏水自流入除氧器或汽轮机的凝汽器/凝结水箱。上一级加热器的疏水进入下一级加热器并释放热能。

所谓采用疏水泵的疏水方式，是指回热系统采用疏水泵进行疏水，大多是利用疏水泵将疏水直接送入该加热器出口的主凝结水管道中。

此种方式下热经济性高于疏水逐级自流的疏水方式。由于设有疏水泵，增加了厂用电量，使系统复杂化，从而降低了安全可靠性。系统中水泵多，使得系统复杂，投资增加，且多耗厂用电，检修费用和运行费用均增加，运行可靠性亦较差。

所以表面式加热器一般不全部采用疏水泵疏水方式，只在疏水量比较大的低压加热器末级或次末级采用疏水泵，而其余均采用逐级自流的疏水方式；现代大容量机组的回热系统则几乎全部采用疏水逐级自流的方式。

对于全高位布置的汽轮发电机组，其回热系统的各级加热器、除氧器、凝结水箱/凝汽器布置在高差极大的垂直空间内，由于布置的局限，可能出现上一级加热器的布置位置明显低于下一级加热器的情况；彼此之间距离较远，加热器之间的疏水管道往往也极长；以上原因使得各级加热器疏水的流动需要克服超长管道所造成的沿程阻力和高差造成的影响；特别是对于最末几级低压加热器，抽汽压力低、疏水压力低，该类影响会尤为明显，若采取常规的疏水逐级自流方式，可能出现以下问题：

(1)影响经济性

部分疏水汽化影响疏水调节阀的通流能力，导致疏水因疏水系统流动不畅而通过危急疏水系统直接排入凝汽器，其所携带的热量没有被充分利用，又增加了冷源损失，降低了经济性。

(2)影响安全性

对于火电厂末级和次末级低加，由于其抽汽压力小，疏水处于饱和水与饱和蒸汽临界点附近，运行参数变化对疏水流动状态影响大。在设计过程中，如因厂房位置所限造成管道走向变化大、急转弯多、疏水汇合点选择不合理等原因，极易造成疏水汽化，引起疏水管道振动，最终使得管道焊口撕裂，疏水管道疲劳破坏，材料失效。末级低加疏水管道处于负压区，如振动造成焊口裂纹易使机组真空变差，溶氧升高，加剧设备、系统的氧化腐蚀。更有甚者，疏水管道的焊口拉裂会造成机组真空下降，机组被迫停运。疏水管道振动产生的噪音，会对电厂工作人员身体健康产生不利影响。因疏水管道振动引起的疏水泄漏可能导致人员烫伤，造成人身伤害事故。

发明内容

本申请实施例提供一种全高位布置汽轮发电机组的回热系统疏水优化方法，将疏水异常加热器的疏水管道直接接入凝汽器/凝结水箱，不再进入下一级低压加热器。

本申请实施例还提供一种全高位布置汽轮发电机组的回热系统疏水优化方法，在疏水异常加热器的疏水管道上增加疏水泵，根据疏水汇入点的不同，可以细分为两种：B1方案将疏水适当升压并汇入下一级加热器疏水段，B2方案将疏水适当升压并导入本级加热器出口主凝结水管道。

本申请实施例还提供一种全高位布置汽轮发电机组的回热系统疏水优化方法，疏水异常加热器的疏水管道上增加一条支管并配备相应的阀门，当高负荷工况时，与下一级疏水的压差能克服沿程阻力和高差造成的影响，疏水流入下一级加热器疏水段，低负荷工况时，与下一级疏水的压差不能克服沿程阻力和高差造成的影响，疏水直接流入凝汽器/凝结水箱。

本申请实施例采用下述技术方案：全高位布置汽轮发电机组的回热系统疏水优化方法，旨在解决全高位布置汽轮发电机组的回热系统的原始设计造成的疏水不畅问题。本发明针对全高位布置汽轮发电机组的回热系统的特点，通过计算多种解决方案的在不同机组负荷下的性能参数，再对各项性能参数进行分析，并结合设备投资、运行费用和安全可靠性的因素，对各种解决方案进行全方面的比较，得到回热系统疏水的最优方案，以提高机组的安全性与经济性。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

(1)准确性好

本发明的计算中考虑了多种影响因素，包括：疏水汇入系统后排挤加热器的抽汽量，对机组发电量的影响；加装设备的运行费用；各优化方案需要增加设备、改造管道的费用；

综合考虑以上影响因素后选择最优解决方案，可让结果更准确。

(2)实施方法简单

本发明不需要改建已有的加热器和抽汽管道，不改变机组主要设备的布置，只需要增加疏水泵、疏水管道、相关阀门即可(视具体优化方案而定)，运行调节方法也很简单，不涉及复杂的系统、设备和运行调节方法，实施方法简单。

本发明的优化计算过程也清晰明了，对其中一些复杂的因素进行了合理的简化处理，可用计算机执行。

(3)提升机组的经济性

本发明通过比较分析后，选取备选方案中经济性最佳的方案进行实施，明显提升了机组的经济性。

(4)提升机组的安全性

本发明通过优化疏水方式，解决了全高位布置汽轮发电机组回热系统疏水不畅引发的的疏水汽化、引起疏水管道振动、管道疲劳破坏和焊口撕裂、机组真空变差、溶氧升高进而加剧设备和系统的氧化腐蚀、管道噪音和疏水泄漏危害人身安全等一系列问题，明显提升了机组的安全性。

总之，本发明通过分析比较得到最优方案，解决了全高位布置汽轮发电机组回热系统疏水不畅的问题，具有良好的准确性，实施方法简单，明显提升了机组的经济性与安全性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

附图1为全高位布置汽轮发电机组回热系统的示意图；

附图2为基准方案与各备选方案的系统示意图。

附图标记：1、1号高加；2、2号高加；3、3号高加；4、4号高加；5、除氧器；6、6号低加；7、7号低加；8、8号低加；9、9号低加；10、疏水扩容器；11、凝结水箱；12、汽轮发电机组本体；13、低压缸排汽管道。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以建设两台660MW超超临界直接空冷机组，汽轮机发电机组本体12全高位布置，汽轮机组的高压缸、中压缸、低压缸、低压缸排汽管道13和发电机由同一轴系连接，整体布置在65米高的工作平台上为例。回热系统各级加热器、除氧器5、凝结水箱11、疏水扩容器10，根据具体需要布置在不同的高度上，详细情况见附图1。

附图1中可见，8、9号安装低加高度约为58米，6、7号低加位于35.3米层，除氧器5位于27米层，凝结水箱11位于13.7米层。

以回热系统疏水逐级自流为基准方案，其主要设计数据见下表：

选取机组额定工况的数据进行计算与比较；具体实施过程如下：

步骤1，实设计多种可行的优化方案；

根据全高位布置汽轮发电机组回热系统疏水的设计特点，为了抵消超长管道与垂直高差造成的负面影响，设计多种可行的优化方案，具体包括以下几种：

A方案，将疏水异常加热器的疏水管道直接接入凝汽器/凝结水箱11，不再进入下一级低压加热器，参见附图2；

B方案，在疏水异常加热器的疏水管道上增加疏水泵，根据疏水汇入点的不同，可以细分为两种：B1方案将疏水适当升压并汇入下一级加热器疏水段，B2方案将疏水适当升压并导入本级加热器出口主凝结水管道，参见附图2；

C方案，疏水异常加热器的疏水管道上增加一条支管并配备相应的阀门，当高负荷工况时(与下一级疏水的压差能克服沿程阻力和高差造成的影响)，疏水流入下一级加热器疏水段，低负荷工况时(与下一级疏水的压差不能克服沿程阻力和高差造成的影响)疏水直接流入凝汽器/凝结水箱11，参见附图2；

步骤2分析机组的设计数据，寻找和确定回热系统疏水设置不合理处；

全高位布置发电机组回热系统疏水的流动能否克服沿程阻力和高差造成的影响，需要通过以下步骤：

步骤2.1根据机组的设计数据，得到不同负荷工况下机组各级加热器的疏水压力；计算式为：

p

式中，p

以机组额定工况为例，计算结果见下表：

步骤2.2计算各级加热器疏水管段的压力总损失，计算式为：

p

式中，p

式(2)中疏水管段流动压力损失p

p

式中，∑p

各加热器疏水管段压力总损失为：6号加热器疏水段为0.00219MPa，7号加热器疏水段为0.236MPa，8号加热器疏水段为0.00226MPa；

步骤2.3，比较各级加热器间的疏水压力差和疏水管段压力总损失；

由步骤2.1和步骤2.2计算所得数据可知，6号低加疏水压力与7号低加疏水压力之差为0.209MPa，而疏水管道总压损为0.00219MPa；7号低加疏水压力与8号低加疏水压力之差为0.240MPa，而疏水管道总压损为0.236MPa；8号低加疏水压力与9号低加疏水压力之差为0.068MPa，而疏水管道总压损为0.00226MPa；

6号低加至7号低加、8号低加至9号低加的疏水压力差高于疏水管段压力总损失，则此两级加热器间的疏水可正常流动，无需优化；7号低加至8号低加的疏水压力差几乎等于疏水管段压力总损失，疏水无法正常流动，需进行优化；

步骤2.4，通过步骤2.3的比较分析，可见额定工况下7号低加至8号低加的疏水压力差也低于疏水管段压力总损失，则备选方案C应剔除，优化方案应从剩余方案中选取；

步骤3，计算和分析步骤1中所提出的几种方案的经济性与安全可靠性，为评估提供依据；

为方便分析，将机组典型布置情况下的各级加热器疏水逐级自流方式作为经济性计算的基准方案，各方案均与之进行比较；计算时使用热力学分析中常用的等效焓降原理；

步骤3.1，进行A方案的经济性分析；

由附图2中可见，A方案是将7号加热器的疏水管道直接接入凝结水箱11，不再进入8号低压加热器；按照等效焓降的原理，若维持各级低加进出水温度不变，则需要增加8、9号低加进汽量，进汽量的计算式为：

式中，D

8、9号低加进汽量增加，会使得汽轮机内的作功蒸汽减少，影响发电量，可上网电量变化值与之相等，计算式为：

式中，h

方案A不增加设备，只是疏水管道走向需要改变，故不存在新增的采购、安装、维护费用。

步骤3.2，进行B1方案的经济性分析；

由附图2中可见，B1方案是在7号低加疏水管道上增加疏水泵，将疏水适当升压后汇入8号低加疏水段；

与基准方案相比，疏水升压造成的疏水焓升值很小，计算中可忽略该项影响，因此B1方案中回热系统各项参数(特别是各加热器进汽量、进出水温度、疏水温度)与基准方案相同；

与基准方案相比，B1方案增加了疏水泵，其耗电量使得可上网电量减少，计算式为：

式中，

方案B1增加一台疏水泵及相应的阀门、管道，为保证足够的倒灌高度以避免汽蚀，疏水管道走向也需要改变；以上设备的采购、安装、维护费用也需要考虑。

步骤3.3，进行B2方案的经济性分析；

由附图2中可见，B2方案是在7号低加疏水管道上增加疏水泵，将疏水适当升压后汇入7号低加出口凝结水管道；按照等效焓降的原理，首先，汇入的疏水使得6号低加进水温度发生变化(7号低加出水温度不变)，使得6号低加进汽量发生变化；其次，流经7、8、9号低加的凝结水量减少，使其进汽量发生变化；

6、7号低加满足以下关系式：

式中，τ为疏水泵升压引起的疏水焓升，kJ/kg；h

联立式(8)、(9)、(10)，计算可得

8、9号低加进汽量的计算式为：

式中各参数的定义与数值均与前文相同；

6、7、8、9号低加进汽量变化，会使得汽轮机内的作功蒸汽改变，影响发电量，计算式为：

B2方案疏水泵的耗电量计算式为：

式中，为B2方案所配疏水泵的扬程，

采用B2方案后，可上网电量发生变化，计算式为：

方案B1增加一台疏水泵及相应的阀门、管道，为保证足够的倒灌高度以避免汽蚀，疏水管道走向也需要改变；以上设备的采购、安装、维护费用也需要考虑。

步骤4，对步骤3所得出的各个优化方案的经济性与安全性进行比较，得到最优解决方案；

经济性方面的比较：

计算机组采用不同优化方案后的净收益；采用A方案，不涉及新设备的采购、安装、维护，则其净收益为：

采用B1方案，涉及新设备的采购、安装、维护，则净收益为：

采用B2方案，涉及新设备的采购、安装、维护，则净收益为：

上式中，Y为机组可运行年数；H为年利用小时数；E

将前文求得的值分别代入式(16)至(18)。

因此，从经济性方面来看，B2方案最佳，A方案最差；

安全性方面的比较：

(1)各方案均可解决全高位布置汽轮发电机组的回热系统的原始设计造成的疏水不畅而引发的一系列安全问题；

(2)对于A方案，其只适当延长疏水管道并改变了流向，没有增加潜在的故障源，安全性最高；

(3)对于B1、B2方案，由于需要加装疏水泵及配套再循环管路、阀门等一系列设备，增加了潜在的故障源，运行调整也更为复杂；加强设备维护、确保各项联锁、保护可靠的情况下，安全性与A方案差距不大；

(4)对于C方案，其增加一条疏水支管并增加配套疏水调门，增加了潜在的故障源，安全性虽低于A方案，但明显高于B1、B2方案；

由以上内容可知，B2方案安全性与B1方案相当，而经济性方面略优于B1方案；B2方案经济性明显好于A方案(即使疏水泵故障停运时，疏水走危急疏水管道，经济性方面也与A方案持平)，安全性则略差于A方案；

综合考虑经济性与安全性，B2方案应为针对锦界三期建设的全高位布置汽轮发电机组的最优方案；

本发明提供的全高位布置汽轮发电机组的回热系统疏水优化方法，旨在解决全高位布置汽轮发电机组的回热系统的原始设计造成的疏水不畅问题。本发明针对全高位布置汽轮发电机组的回热系统的特点，通过计算多种解决方案的在不同机组负荷下的性能参数，再对各项性能参数进行分析，并结合设备投资、运行费用和安全可靠性的因素，对各种解决方案进行全方面的比较，得到回热系统疏水的最优方案，以提高机组的安全性与经济性。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。