BEST技术用于超超临界二次再热机组的可行性分析

BEST技术用于超超临界二次再热机组的可行性分析邓攀;王亚军【摘要】为降低二次再热发电机组的回热抽汽过热度，提高机组经济性，提出了采用背压抽汽汽轮机(BEST)的节能配置方案.通过介绍BEST技术在回热汽源、排汽走向、材料选用等方面的特点，详细阐述了采用BEST技术的二次再热发电机组在设计、制造、运行与控制中的技术难点，对BEST技术用于高参数二次再热发电机组的可行性进行了技术探讨和经济性分析.分析结果表明，采用BEST技术，单台机组初投资可减少约2400万元，年利润可增加约4500万元.【期刊名称】《中国电力》【年(卷)，期】2018(051)007【总页数】6页(P84-89)【关键词】燃煤发电;二次再热循环;回热系统;背压式抽汽汽轮机(BEST);双馈电机;调速箱【作者】邓攀;王亚军【作者单位】神华国华广投(北海)发电有限责任公司，广西北海536000;中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海200063【正文语种】中文【中图分类】TK2620引言背压抽汽汽轮机（backpressureextractionsteamturbine,BEST）在朗肯循环的基础上对吸热过程加以改进，系统配置中背压抽汽汽轮机作为给水泵汽轮机（小汽轮机），其汽源来自汽轮机主机抽汽，其抽汽在回热加热器内加热给水，从而提高了给水温度，减少了低温水在锅炉中的吸热。由于系统循环的平均吸热温度提高，系统的循环热效率也随之提高。随着〃一带一路”国家战略的推进，作为古代海上丝绸之路的重要始发地，广西北部湾经济区某地兴建一座煤炭能源基地，工程新建2x1000MW超超临界二次再热燃煤发电机组，汽轮机型式为超超临界压力、二次中间再热、单轴、五缸四排汽凝汽式，汽轮机额定参数为31MPa/600°C/620°C/620°C。由于该工程二次再热机组的一次再热和二次再热温度均为620C，再热之后的各级抽汽过热度大大增加，尤其是高压缸的第1级抽汽（2段抽汽）和中压缸的第1级抽汽（4段抽汽），分别有260C和325C的过热度［1-2］。针对再热后抽汽过热度过高的现象，通用的做法是增加夕卜置蒸汽冷却器来加热锅炉给水［3］,提高机组经济性，但回热系统换热温差大的问题并没有解决，为此，提出一种新型的BEST系统机组节能配置方案，即配置背压抽汽小汽轮机的二次再热机组热力系统［4］,对其应用于超超临界二次再热机组的可行性进行分析。1BEST方案简介在采用BEST小汽轮机的机组上，回热系统方案为从超高压缸排汽（一次再热机组从高压缸排汽口）弓I出一部分来，用于驱动小汽轮机，小汽轮机采用背压式机型，同时将原布置于超高压缸、高压缸内的各级抽汽系统移到小汽轮机汽缸上实现［5］。该项技术最初的提出主要是为了适应下一步将要实施的高超超临界（HUSC）700C机组而研发的［6］。采用HUSC技术后，汽轮机抽汽、回热系统的参数大幅提升，相应的抽汽管道和高压加热器的进汽参数也在提高。如二级抽汽的蒸汽温度将达到660C、抽汽压力将达到5.27MPa，过热度为393C，必须采用Ni基合金材料才能满足使用要求［7-9］,而新的Ni基合金材料在研制过程中出现的问题限制了蒸汽参数的进一步提升［10-12］，且投用后也会大大增加工程造价。如果通过采用BEST技术，二级抽汽的蒸汽温度可降低至393.7°C,只要采用20号钢即可满足使用要求，起到了降低工程造价、提高安全性的目的。同时，用过热度较低的小汽轮机抽汽和排汽替代过热度高的汽轮机抽汽来加热给水和凝结水，可减少高过热度抽汽的不可逆损失，降低排汽损失。1.1系统布置用小汽轮机、给水泵、调速箱和双馈发电机组成给水泵汽轮机组，小汽轮机一侧与给水泵直接相连，另一侧通过调速箱与双馈发电机组相连。小汽轮机汽源取自超高压缸排汽，小汽轮机设有抽汽口用于加热回热系统给水。相比传统回热系统，抽背式给水泵汽轮机回热系统（带小发电机）方案取消了2台外置式蒸汽冷却器［13-14］,但增加了1台低压除氧器，1台双馈发电机，1台调速箱。图1为常规二次再热发电机组原则性系统。1.2回热系统汽源设计除第一个高压加热器采用主机超高压缸排汽外，其余高压加热器、除氧器均采用小汽轮机抽汽。在这种系统设置中，回热系统的两级外置式蒸汽冷却器可以取消。图2为配BEST小汽轮机的二次再热机组原则性系统［15］。1.3小汽轮机抽汽数量方案分析对于小汽轮机抽汽数量，需根据给水泵所需功率、小汽轮机进汽流量、小汽轮机排汽背压等多因素综合考虑，初步设想有3抽1排、4抽1排和5抽1排3种方案，经分析比较，采用4抽1排方案时，各因素较为匹配［15］。小汽轮机与主机相配，高效点均选在THA工况，小汽轮机进汽阀保持常开，以减小节流损失。该方案小汽轮机采用蜗壳进汽、等径通流、新型叶片，同时配小发电机平衡方式，通过控制发电机的出力来调节给水泵转速，可减少BEST小汽轮机入口节流损失，提高小汽轮机效率。据小汽轮机设备厂计算，小汽轮机效率可达到90%。1.4小汽轮机汽量平衡方式在小汽轮机汽量平衡时需考虑进行排汽节流平衡、抽汽补汽平衡和配小发电机平衡。排汽节流平衡和抽汽补汽平衡存在节流损失，导致小汽轮机效率下降，经济性较差;而配小发电机平衡方式，通过控制发电机的出力来调节给水泵转速，可减少BEST小汽轮机入口节流损失，提高小汽轮机效率，同时通过发电机多发电，可减少厂用电，提高电厂的售电收益。因此，本项目拟采用配双馈发电机平衡方案。1.5小汽轮机排汽图1常规二次再热机组原则性系统Fig.1Thegeneraldouble-reheatpowergenerationunitsystem图2配BEST小汽轮机二次再热机组原则性系统Fig.2ThesystemofdoublereheatpowergenerationunitwithBEST采用BEST小汽轮机的二次再热机组小汽轮机排汽去向为5号低压加热器（表面式换热器）。在实际运行情况下，考虑到事故状态时低压加热器解列运行的工况，5号低压加热器解列将对小汽轮机汽量平衡、排汽去向造成影响，因此，将小汽轮机排汽去向改为低压除氧器，即回热系统中设置2个除氧器。回热系统配置方案如图3所示。2BEST技术特点与现有热力系统相比，BEST回热系统利用再热前的蒸汽（超高压缸排汽）驱动背压抽汽小汽轮机，从小汽轮机中抽汽加热给水，该系统有以下优点。2.1节能降耗目前普遍采用的主汽轮机抽汽回热系统中，高压加热器采用高、中压缸抽汽，蒸汽能级较高，属于高能低用，能级损失大。采用BEST技术后，减少了能级损失，保证高能级蒸汽用于发电，较低能级的蒸汽用于加热给水，提高了运行经济性；汽轮机中压缸无抽汽，可提高中压缸通流效率；BEST小汽轮机类似于非再热机组中压缸，比常规全容量给水泵汽轮机效率要高5%~6%。经理论计算，采用BEST后，汽轮机组热耗降低约40kJ/(kW・h)［16］，热耗率降低0.5%。2.2降低设备制造成本采用背压式小汽轮机，可减少主汽轮机凝汽器面积，降低汽轮机制造成本；锅炉给水温度下降，降低锅炉制造成本；由于小汽轮机设计容量增加，相应减小汽轮机高、中压缸设计容量，减少高等级材料的使用量；大幅降低抽汽温度，相关抽汽管道、阀门、加热器的材料等级可以降低，外置式蒸汽冷却器可以取消［17］，节约管道、阀门及设备的制造成本，消除高压加热器高参数带来的可靠性风险。2.3再热系统蒸汽流量减少小汽轮机汽源为超高压缸排汽，这部分蒸汽不再进入再热系统，可显著减少进入再热器的蒸汽流量，减少再热器的换热面积，减少再热器管道用量，从而降低再热系统的造价。据上海电气集团统计，再热蒸汽流量可下降15%。3实施BEST技术的关键采用BEST小汽轮机的二次再热机组中，除回热系统中，由于小汽轮机抽汽过热度较常规低，压力相差不大，对应的加热器设计难度较小，现有加热器形式能满足要求，其余的主要设备均需做大量的研发工作。图3回热系统配置方案Fig.3Thelayoutofheatregenerationsystem3.1BEST小汽轮机的设计制造BEST小汽轮机为单缸、抽汽、背压机式机组，出于抽汽的考虑采用双层缸的设计，目前国内外还没有完成的产品，只是处于概念设计阶段，主要的难点在于小汽轮机通流部分设计、结构强度、控制保护逻辑；究其本身的工作参数，该类机型本体结构设计并不具备很大的难度，但是由于通流部分的小跨距、高转速，以及大抽汽容积流量，造成了该机型的抽汽腔室要求高，腔室之间的密封难度大。另外，小汽轮机的控制保护逻辑也是全新的。3.2汽轮机设计制造汽轮机超高压（VHP）缸进口质量流量增加约5%，对于常规1000MW机组现有高压模块仍然可以覆盖调节阀全开工况（VWO）流量［3］，但通流部分需要重新设计。高压（HP）缸进口质量流量减小约20%，如仍采用双流形式，现有HP模块可以覆盖，仅通流部分需要重新设计；由于HP缸进口容积流量与一次再热中压半侧基本相当，但是进口压力高、排汽温度也高，如采用单流形式，需要进一步评估叶片以及转子轮缘强度。3.3WINDRIVE调速箱选用小汽轮机与小发电机间需要考虑可调速连接设备，使得小汽轮机在泵侧不同的输入转速下，为电机输出额定的转速。经调研了解，只有VOITH公司的WINDRIVE产品可以满足要求。该设备安装在小发电机和BEST小汽轮机之间，用以传递功率，其中70%功率通过齿轮箱传递，30%功率通过液力传递，传递功率大，调节范围宽，制造难度很大。3.4给水泵汽轮机组轴系匹配由于小汽轮机同时向给水泵和小发电机侧两侧输出负荷，在变负荷时，要通过WINDRIVE调速箱同时改变转速和扭矩（扭矩就是负荷），不好协调，而且扭矩只能改变20%左右，在轴系匹配上要做好详细计算。3.5BEST小汽轮机控制方式机组运行中需协调给水泵、小发电机轴功率与小汽轮机进汽量的平衡，同时还要满足协调除氧器、高压加热器与小汽轮机排汽参数的变量，热工控制逻辑较复杂。在机组特殊工况，如加热器切除、辅机故障减负荷（RB）、发电机甩负荷后，需要快速稳定转速，连接设备对转速的响应情况能否满足要求有待验证。3.6节能调节BEST小汽轮机的节能是一个系统工程，必须整个系统(含小汽轮机、给水泵、加热器等)全部配置合理才会节能。另外，负荷低至75%以下时，BEST技术节能效果会有明显下降。3.7双馈电机选用使用BEST小汽轮机的发电量较大，据初步估算，在100%负荷下，小发电机的功率为11MW，75%THAT况下，可达16MW。双馈发电机系统虽然整体效率较高，但目前单机最大功率仅为6MW，最多可并联2台小发电机，需调整小汽轮机的回热系统，控制其最大发电功率不超过11MW。另外，双馈电机的可靠性能否满足电厂运行要求尚需在运行中实践［18］。目前正在研究由变频技术取代双馈发电机的方案。4BEST技术的经济性相比于常规二次再热技术方案，BEST小汽轮机系统的经济性主要通过以下两个方面来体现。4.1初投资回热系统投资减少2400万元，BEST小汽轮机配套投资增加4000万元，厂房、主机、高温高压管道分别降低2000万元、1000万元、1000万元，合计初投资降低2400万元。4.2热经济收益THAT况、75%THAT况、50%THAT况热耗分别降低39kJ/(kW・h)、52kJ/(kW・h)、19kJ/(kW・h)，每年可节约成本约720万元；BEST小汽轮机拖动给水泵所多余功率，通过小发电机发电并挂入厂用电网，可有效降低厂用电率，带来的多发电的收益每年增加利润约3800万元，合计每年可增加利润4500万元。5结语目前BEST技术在国内大型火电机组上尚无投运业绩，对于小汽轮机效率、运行方式的研究仍在继续，但是随着机组运行参数不断提高，作为提高机组运行效率、减少高等级材料使用量、降低工程造价的一个有效手段，采用该项技术仍是值得重点考虑的一个方案。参考文献：【相关文献】殷亚宁.二次再热超超临界机组应用现状及发展[J].电站系统工程,2013(2):37-38.YINYaning.ApplicationstatusanddevelopmentofUSCun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