引言

燃煤發(fā)電技術(shù)仍然是目前主要的發(fā)電生產(chǎn)技術(shù)手段,在超超臨界燃煤機(jī)組的應(yīng)用下,發(fā)電生產(chǎn)能耗及污染物排放得到顯著降低。但隨著蒸汽參數(shù)的提高,燃煤機(jī)組的熱力性能及結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生變化,有必要對(duì)燃煤機(jī)組的蒸汽熱力系統(tǒng)進(jìn)行研究,通過(guò)構(gòu)建合理的分析模型,提高機(jī)組熱力循環(huán)效率,進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗。

1燃煤機(jī)組蒸汽熱力系統(tǒng)分析模型

1.1無(wú)再熱機(jī)組分析模型

在研究燃煤機(jī)組的蒸汽熱力系統(tǒng)前,為方便理解熱力系統(tǒng)模型推導(dǎo)過(guò)程,先以無(wú)再熱機(jī)組為例,并忽略輔汽熱力系統(tǒng),構(gòu)建原始分析模型。燃煤機(jī)組的鍋爐設(shè)備主要根據(jù)熱平衡原理運(yùn)行,即鍋爐中的蒸汽流量與蒸汽吸熱量的乘積等于其熱力值。在等效恰降法原理下,如果向加熱器中加入純熱量,進(jìn)入該級(jí)的抽汽量就會(huì)減少一定份額。如果假設(shè)抽汽份額保持不變,就相對(duì)于增加一定量的蒸汽做功,實(shí)際的抽汽份額為兩股流量差。對(duì)于回?zé)峒訜崞鞫?汽水模型分為3種,即上級(jí)加熱器疏水、凝汽器給水、汽輪機(jī)抽汽。其中,只有凝汽器給水受到加熱,其余汽水均放出熱量。若假設(shè)3種汽水都受到加熱,熱量為外部供應(yīng),并定義受到加熱為正,放出熱量為負(fù),然后對(duì)氣流方向進(jìn)行統(tǒng)一定義。在此條件下,如流量計(jì)算結(jié)果為負(fù)值,說(shuō)明與假定方向相反?？筛鶕?jù)該原則,將鍋爐和加熱器統(tǒng)一到同一個(gè)加熱模型中,對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。

1.2一次再熱機(jī)組分析模型

基于上述模型分析思路,在對(duì)一次再熱機(jī)組進(jìn)行研究時(shí),根據(jù)熱平衡原理,鍋爐的熱平衡式可表示為Q0=D0g0,其中Q0不是真實(shí)鍋爐吸熱量,鍋爐實(shí)際吸熱量為蒸汽在水冷壁中的吸熱量與在過(guò)熱器中的吸熱量之和,具體可表示為

其中Dk為抽汽口位于高壓缸第人級(jí)的抽汽量。對(duì)各級(jí)加熱器抽汽效率進(jìn)行計(jì)算時(shí),應(yīng)扣除再熱器對(duì)該級(jí)抽汽做功的影響。假設(shè)鍋爐各加熱面具有相同的加熱效率,蒸汽流從再熱器中吸收熱量為g,做功能力增加為70g。

1.3二次再熱機(jī)組分析模型

在二次再熱機(jī)組熱力計(jì)算過(guò)程中,與一次再熱機(jī)組的區(qū)別主要在于二次再熱機(jī)組通過(guò)采用兩級(jí)蒸汽再熱,能夠提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。在二次再熱機(jī)組高低壓加熱器中都設(shè)置有蒸汽冷卻器,采用外置式冷卻器,對(duì)抽汽過(guò)熱部分的熱量進(jìn)行跨級(jí)利用,這也導(dǎo)致二次再熱機(jī)組蒸汽熱力系統(tǒng)相較于一次再熱機(jī)組更加復(fù)雜。要對(duì)二次再熱機(jī)組的蒸汽熱力系統(tǒng)進(jìn)行研究,同樣需要建立熱平衡方程,同時(shí)應(yīng)考慮輔助汽水對(duì)熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響,按具體變量定義,填寫到矩陣方程中。如果原系統(tǒng)的熱力循環(huán)效率為70,那么去除輔助汽水參數(shù)影響后,實(shí)際循環(huán)效率為70'。建立二次再熱機(jī)組分析模型后,可以對(duì)4504M或w0004M機(jī)組進(jìn)行驗(yàn)算,并與其他熱平衡算法比較,確保模型計(jì)算結(jié)果的正確性。

2燃煤機(jī)組蒸汽熱力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

2.1一次再熱機(jī)組的系統(tǒng)優(yōu)化

2.1.1熱平衡計(jì)算

在燃煤機(jī)組的蒸汽熱力系統(tǒng)中,主蒸汽參數(shù)是蒸汽膨脹的起點(diǎn),排氣參數(shù)則是蒸汽膨脹的終點(diǎn),對(duì)其膨脹過(guò)程線進(jìn)行擬定是確定機(jī)組熱力循環(huán)效率的關(guān)鍵步驟。以典型的10004M機(jī)組參數(shù)為例,通過(guò)綜合考慮汽輪機(jī)運(yùn)行條件、葉片尺寸、供水方式等因素,確定排氣壓力取值范圍。蒸汽膨脹過(guò)程是在各級(jí)氣缸中完成的,氣缸的相對(duì)內(nèi)效率是蒸汽膨脹線斜率的決定因素,其自身受級(jí)效率、散熱損失和漏氣等方面的影響,如果蒸汽參數(shù)發(fā)生改變,其相對(duì)內(nèi)效率也會(huì)發(fā)生改變。通過(guò)采用上述方法構(gòu)建的模型在確定機(jī)組蒸汽熱力系統(tǒng)參數(shù)后,可以將其整理為矩陣方程,定義蒸汽流量的正負(fù)方向,計(jì)算輔汽矩陣與輔汽流量的乘積,然后計(jì)算汽輪機(jī)絕對(duì)內(nèi)效率,最后計(jì)算蒸汽熱力系統(tǒng)?效率。

2.1.2熱力系統(tǒng)性能分析

在熱力系統(tǒng)的性能分析過(guò)程中,需要改變主蒸汽參數(shù)取值,分析一系列參數(shù)值對(duì)于汽輪機(jī)的絕對(duì)內(nèi)效率影響關(guān)系。壓力可取值范圍為23~274Pa,取值間隔為w4Pa,溫度可取值范圍為580~620℃,取值間隔為10℃。通過(guò)采用專用軟件得出絕對(duì)內(nèi)效率與壓力變化關(guān)系曲線。在初壓一定的情況下,絕對(duì)內(nèi)效率會(huì)隨溫度升高而提升:在初溫一定的情況下,絕對(duì)內(nèi)效率會(huì)隨壓力升高而提升。且初始溫度和壓力越高,另一個(gè)變量提升對(duì)于絕對(duì)內(nèi)效率的影響作用越小,當(dāng)初始溫度和壓力超過(guò)一定值后,另一個(gè)變量提升反而會(huì)導(dǎo)致絕對(duì)內(nèi)效率下降。因此,需要確定對(duì)機(jī)組熱力系統(tǒng)最有利的初溫和初壓條件。

2.1.3蒸汽參數(shù)優(yōu)化選擇

在燃煤機(jī)組蒸汽熱力系統(tǒng)的蒸汽參數(shù)優(yōu)選過(guò)程中,可基于?效率最大化原則進(jìn)行主蒸汽參數(shù)確定。根據(jù)水蒸氣恰?關(guān)系,在一定溫度下存在固定壓力值使水蒸氣?值最大。那么在給水參數(shù)確定的前提下,如果給定水溫,汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)?效率會(huì)在某個(gè)蒸汽壓力值下達(dá)到最大值,可以將此時(shí)的蒸汽壓力值作為最優(yōu)壓力值。若主蒸汽溫度為600℃,壓力為25MPa,與30MPa時(shí)的?效率相同,且明顯高于35MPa時(shí)的?效率,則蒸汽最優(yōu)壓力值應(yīng)取25MPa。如果蒸汽溫度較高,比如在650℃時(shí),則應(yīng)選擇更高的30MPa作為最優(yōu)壓力值。

2.2二次再熱機(jī)組的系統(tǒng)優(yōu)化

2.2.1二次再熱循環(huán)模型分析

如果蒸汽參數(shù)值在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再次提高一個(gè)等級(jí),汽輪機(jī)末級(jí)蒸汽濕度會(huì)明顯下降,影響發(fā)電效率及機(jī)組運(yùn)行安全性。采用二次再熱蒸汽熱力系統(tǒng),可以有效解決這一問(wèn)題,目前我國(guó)已經(jīng)具備二次再熱機(jī)組生產(chǎn)技術(shù)條件。在對(duì)二次再熱機(jī)組進(jìn)行研究時(shí),同樣需要建立分析模型,并將主蒸汽參數(shù)與排氣參數(shù)分別作為蒸汽膨脹的起點(diǎn)、終點(diǎn)。在一次再熱機(jī)組主蒸汽壓力25MPa的基礎(chǔ)上,擬定其壓力值提高至31MPa,機(jī)組主蒸汽溫度仍為600℃,再熱溫度為610℃。按照上述方法確定各級(jí)回?zé)嵯到y(tǒng)恰升,采用平均分配法設(shè)計(jì)回?zé)嵯到y(tǒng)。通過(guò)分析主蒸汽壓力和溫度變化對(duì)絕對(duì)內(nèi)效率值的影響,完成曲線擬合工作,分析再熱和回?zé)岱桨傅臒崃π阅芩?。在該條件下,采用九級(jí)回?zé)嵯到y(tǒng),二次再熱系統(tǒng)獲得的收益更大。

2.2.2MC循環(huán)改造

限制超超臨界機(jī)組發(fā)展的一個(gè)主要問(wèn)題是汽輪機(jī)末級(jí)蒸汽濕度過(guò)大,容易影響機(jī)組安全性。通過(guò)引進(jìn)二次再熱機(jī)組,可解決末級(jí)濕氣損失問(wèn)題,但需要考慮可能出現(xiàn)的高中壓缸排汽溫度、抽汽氣流溫度過(guò)高的問(wèn)題。隨著系統(tǒng)主蒸汽壓力、溫度的提升,二次再熱機(jī)組的過(guò)熱現(xiàn)象會(huì)造成大量的?效率損失,甚至降低機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)這一問(wèn)題,可采用MC循環(huán)改造方案,在高壓缸排汽系統(tǒng)中設(shè)置單獨(dú)的小汽輪機(jī),代替中壓缸抽汽,解決抽汽過(guò)熱問(wèn)題。

2.2.3再熱壓力的最優(yōu)化選擇

在二次再熱機(jī)組的再熱壓力最優(yōu)化選擇過(guò)程中,需要建立再熱壓力選擇模型,擬定回?zé)嵯到y(tǒng)參數(shù)。假設(shè)各級(jí)抽汽壓力的損失系數(shù)為0.95,可根據(jù)各級(jí)抽汽壓力確定加熱器內(nèi)汽側(cè)的平均壓力,然后根據(jù)設(shè)計(jì)端差確定加熱器的水側(cè)出口溫度,并根據(jù)水側(cè)壓力,計(jì)算加熱器出口恰,根據(jù)平均分配原則,確定兩級(jí)加熱器恰升。最后根據(jù)絕對(duì)內(nèi)效率與主蒸汽參數(shù)關(guān)系,確定一次和二次再熱壓力的最優(yōu)取值,改善二次再熱機(jī)組的運(yùn)行效率。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述,在燃煤機(jī)組蒸汽熱力系統(tǒng)研究過(guò)程中,需要采用數(shù)學(xué)模型分析方法,準(zhǔn)確計(jì)算燃煤機(jī)組熱力性能參數(shù)值。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),合理選擇蒸汽參數(shù)及再熱壓力,可以提高燃煤機(jī)組蒸汽熱力系統(tǒng)的熱力循環(huán)效率,幫助電力企業(yè)降低能耗,提高經(jīng)濟(jì)效益。因此,應(yīng)提高對(duì)燃煤機(jī)組蒸汽熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的重視程度。