凝結(jié)水過(guò)冷度變化對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響

朱存旭，劉 承

(1．山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046021;2．大連市熱電集團(tuán)有限公司香海熱電廠，遼寧 大連 116011)

凝結(jié)水過(guò)冷度是評(píng)價(jià)凝汽器運(yùn)行優(yōu)劣的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一。由于凝汽器在設(shè)計(jì)、安裝中存在的問(wèn)題及電廠運(yùn)行人員操作不當(dāng)?shù)仍颍鲀?nèi)的凝結(jié)水溫往往低于凝汽器壓力對(duì)應(yīng)下的飽和溫度，其溫差 (Δτwc)稱(chēng)為凝結(jié)水過(guò)冷度［1］。凝結(jié)水過(guò)冷度與真空泵的運(yùn)行狀況 (真空度)、凝結(jié)水水位等因素有關(guān)。凝結(jié)水過(guò)冷度大會(huì)導(dǎo)致凝汽器內(nèi)的熱量損失增加，此時(shí)凝結(jié)水就需要在末級(jí)加熱器內(nèi)吸收更多的熱量，使末級(jí)加熱器抽汽量增加、進(jìn)入汽輪機(jī)做功的蒸汽量減少，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致凝結(jié)水水位過(guò)高和除氧不足，凝結(jié)水含氧量的增加加劇了凝結(jié)水管道的腐蝕并加大了除氧器的熱除氧負(fù)荷，對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行不利［1］。目前，計(jì)算凝結(jié)水過(guò)冷度對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響時(shí)多采用熱平衡法，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜且需要的機(jī)組參數(shù)多。本文從火電廠熱力系統(tǒng)節(jié)能角度出發(fā)，將熱力系統(tǒng)狀態(tài)方程和矩陣分析方法相結(jié)合推導(dǎo)出凝結(jié)水過(guò)冷度對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性影響的數(shù)學(xué)模型，以某電廠1 000 MW機(jī)組為例進(jìn)行理論計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析凝結(jié)水過(guò)冷度對(duì)機(jī)組熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 計(jì)算模型推導(dǎo)［2］

凝結(jié)水過(guò)冷度對(duì)系統(tǒng)影響的數(shù)學(xué)模型是建立在熱力系統(tǒng)狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上，結(jié)合熱力系統(tǒng)汽水分布狀態(tài)方程、鍋爐吸熱量方程、汽輪機(jī)功率方程推導(dǎo)出來(lái)的，其推導(dǎo)過(guò)程如下。

熱力系統(tǒng)汽水分布狀態(tài)方程［1］:

式中，［A］、［Af］、［T］分別為回?zé)嵯到y(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)及輔助水流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)矩陣; ［D0］和［Dbl］分別為主蒸汽流量、鍋爐排污量; ［Di］、［Dfi］和 ［Dfwi］分別為加熱器各級(jí)抽汽流量、輔助蒸汽流量、輔助水流量所組成的列向量;［Q0f］為外界純熱量擾動(dòng)組成的列向量;［τi］為各級(jí)加熱器給水焓升。

汽輪機(jī)功率方程［2］:

式中:H為汽輪機(jī)功率;D0為汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽流量;h0為汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽的比焓值;σ為單位質(zhì)量工質(zhì)在再熱器中的吸熱量;hc為低壓缸排氣焓值;為單位質(zhì)量加熱器抽汽少做的功;Di為各級(jí)加熱器的抽汽量;為單位質(zhì)量通流部分漏汽少做的功;Dfti為進(jìn) (出)汽輪機(jī)通流部分的蒸汽流量;Dzl為再熱蒸汽的流量;hzr為再熱蒸汽熱段蒸汽焓值。

鍋爐吸熱量方程［4］:

式中，求和下標(biāo)c表示該機(jī)組高壓缸回?zé)岢槠某槠麄€(gè)數(shù) (以下計(jì)算實(shí)例熱力系統(tǒng)中c=3);求和下標(biāo)k表示從高壓缸離開(kāi)系統(tǒng)的輔助蒸汽流個(gè)數(shù) (c和k都表示求和矩陣的階數(shù)，即 ［σ］c=［σ σ… σ］T中有c個(gè)σ元素、［σ］k= ［σ σ …σ］T中有k個(gè)σ元素);Q為鍋爐吸熱量;σ為機(jī)組再熱器吸熱量;Dfti、Drs及Dss分別為進(jìn)出汽輪機(jī)通流部分的輔汽流量、再熱減溫水流量、過(guò)熱減溫水流量;h0、hfw、hzr、hrs及 hss分別為主蒸汽比焓、主給水比焓、鍋爐排污焓值、再熱器出口焓值、再熱減溫水焓值、過(guò)熱減溫水焓值。

根據(jù)小擾動(dòng)理論可知凝結(jié)水焓hwc變化不大時(shí)αfi、αfti、Δqi變化很小，可見(jiàn)凝結(jié)水過(guò)冷不會(huì)影響系統(tǒng)其它參數(shù) (如 h0、σ、hc、αi、αftj)的變化［5］。

式 (2)兩邊同除以D0，再對(duì)末級(jí)加熱器入口水焓hwc求偏導(dǎo):

由偏微分理論可知，若末級(jí)加熱器的入口水焓變化時(shí)，1 kg新蒸汽做功量的變化值:

同理將式 (3)兩邊同除以D0，再對(duì)末級(jí)加熱器入口水焓hwc求偏導(dǎo):

將式 (4)、式 (6)代入式 (7)，化簡(jiǎn)得內(nèi)效率的絕對(duì)變化量:

內(nèi)效率的相對(duì)變化量:

將式 (1)兩邊同除以D0，再對(duì)末級(jí)加熱器入口水焓hwc求偏導(dǎo):

將式 (11)代入式 (9)即可求得內(nèi)效率的相對(duì)變化量:

表1 機(jī)組額定數(shù)據(jù)及抽汽效率

圖1 N1000－25/600/6001000機(jī)組熱力系統(tǒng)圖

表2 N1000－25/600/600(雙背壓)機(jī)組計(jì)算結(jié)果

2 機(jī)組參數(shù)

某電廠1 000 MW超超臨界機(jī)組N1000－25/600/600采用單軸四缸四排汽 (1個(gè)高壓雙流缸、1個(gè)中壓雙流缸和2個(gè)雙流低壓缸)、一次中間再熱、雙壓凝汽器、沖動(dòng)式汽輪機(jī)，該機(jī)組的熱力系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1?；?zé)嵯到y(tǒng)采用三高四低一除氧的八級(jí)加熱器［6］。

該機(jī)組額定工況下加熱蒸汽放熱量 (qi)、各級(jí)加熱器給水焓升 (τi)、疏水放熱量 (γi)、回?zé)峒訜崞鞒槠禂?shù) (αi)、抽汽效率 (ηi)見(jiàn)表1。

可知機(jī)組額定工況 (TRL)下，新蒸汽等效熱降H=1 247.2 kJ/kg、循環(huán)吸熱量Q=2 760 kJ/kg。實(shí)際循環(huán)效率ηi=0.451 9，熱耗率q=8 133.5 kJ/kWh，標(biāo)準(zhǔn)煤耗 bb=296.26 g/kWh［7］。

3 計(jì)算結(jié)果

以1 000 MW機(jī)組為例，分別應(yīng)用上述推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型和常規(guī)熱平衡法在凝結(jié)水過(guò)冷度為1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃時(shí)進(jìn)行計(jì)算，得出凝結(jié)水過(guò)冷度變化對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

當(dāng)凝結(jié)水過(guò)冷度不斷增大時(shí)，機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性不斷下降，煤耗率不斷增加，可見(jiàn)凝結(jié)水過(guò)冷度對(duì)機(jī)組的影響很大，不可忽視。實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視凝汽器內(nèi)的凝結(jié)水水位高度和保證凝汽器真空度維持在較高水平，實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［8］。

4 結(jié)論

a． 基于熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)矩陣?yán)碚?、依?jù)小擾動(dòng)原理分析了凝結(jié)水過(guò)冷度變化對(duì)機(jī)組熱經(jīng)性的影響，結(jié)合1 000 MW機(jī)組實(shí)例給出了凝結(jié)水在不同過(guò)冷度下對(duì)機(jī)組煤耗的影響。可見(jiàn)隨著凝結(jié)水過(guò)冷度的增大，機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性降低，煤耗率呈線性增加。

b． 該模型物理意義明確，具有較強(qiáng)的規(guī)律性，便于記憶，無(wú)須計(jì)算每一級(jí)加熱器的等效焓降和抽汽效率，使得分析更加簡(jiǎn)捷、快速，由于引入矩陣，適用于計(jì)算機(jī)編程。

［1］ 盧緒祥，李錄平．凝結(jié)水過(guò)冷度及其對(duì)機(jī)組性能的影響分析 ［J］．汽輪機(jī)技術(shù)，2002，44(2):117－119．

［2］ 張春發(fā)，張素香，崔映紅，等．現(xiàn)行電力行業(yè)熱經(jīng)濟(jì)性狀態(tài)方程 ［J］．工程熱物理學(xué)報(bào)，2001，11(6):665－667．

［3］ 閆順林，張春發(fā)，李永華，等．火電機(jī)組熱力系統(tǒng)汽水分布通用矩陣方程［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000，20(8):69－73．

［4］ 林萬(wàn)超．火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論［M］．西安:西安交通大學(xué)出版社，1994．

［5］ 閆順林，孫軼卿．凝結(jié)水過(guò)冷度對(duì)火電機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性影響的計(jì)算模型 ［J］．汽輪機(jī)技術(shù)，2009，51(1):175－179．

［6］ 李 巖．1 000 MW機(jī)組熱力系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性分析及優(yōu)化［D］．保定:華北電力大學(xué)，2011．

［7］ 田松峰，李 巖．1 000 MW機(jī)組噴水減溫系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性［J］．東北電力技術(shù)，2010，31(6):13－15．

［8］ 李 巖，武慶源，王 鵬．汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)改變對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響 ［J］．東北電力技術(shù)，2010，31(7):4－8．