壓力匹配器用于大型機(jī)組汽動(dòng)給水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

仲昭勇,王麗萍,于湛銘

(1.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110180;3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院,遼寧 沈陽 110006)

目前，國(guó)內(nèi)300 MW及以上機(jī)組大多采用的是汽動(dòng)給水泵[1-3]。其中，以四級(jí)抽汽作為小汽輪機(jī)的進(jìn)汽源，以二級(jí)抽汽作為備用汽源居多[4-7]。這種方式看似合理，但也會(huì)帶來在低負(fù)荷時(shí)采取機(jī)組切換至二級(jí)抽汽，以至于由于壓力過高不得已采用節(jié)流方法而導(dǎo)致一部分能量損失，在高低壓汽源切換時(shí)很容易造成對(duì)小汽輪機(jī)的熱沖擊而影響其安全性。為避免這些情況出現(xiàn)，可在小汽輪機(jī)前加裝壓力匹配器，以解決上述出現(xiàn)的問題。

1 壓力匹配器工作原理

壓力匹配器由接受室、噴嘴、混合室和擴(kuò)散器四部分組成。工作蒸汽通過增大噴射速度提高壓力，在接受室形成一定的低壓區(qū)來吸入引射蒸汽。工作蒸汽和引射蒸汽進(jìn)入混合室不斷進(jìn)行動(dòng)量和能量交換，逐漸形成一股混合蒸汽，混合蒸汽進(jìn)入擴(kuò)散器中，其速度下降、壓力升高。

2 小汽輪機(jī)前加裝壓力匹配器

本文對(duì)某N300-16.7/537/537型單軸、高中壓合缸的凝汽式汽輪機(jī)進(jìn)行分析，由于該機(jī)組在30%～90%額定負(fù)荷之間采用滑壓運(yùn)行方式，故這里選取其中7個(gè)負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行研究。根據(jù)表1[8]所示的機(jī)組額定工況下各級(jí)抽汽參數(shù)，并采用弗留格爾公式[8]計(jì)算得出機(jī)組在滑壓運(yùn)行時(shí)各級(jí)抽汽參數(shù)如表2所示。

表1 額定工況下主汽輪機(jī)各級(jí)抽汽參數(shù)

表2 滑壓運(yùn)行時(shí)主機(jī)的各級(jí)抽汽壓力

作為驅(qū)動(dòng)給水泵的TGQ06/7-1型小汽輪機(jī)，其額定進(jìn)汽壓力為0.795 MPa。由表2可知，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降至90%及以下負(fù)荷時(shí)，四級(jí)抽汽壓力小于小汽輪機(jī)的額定進(jìn)汽壓力。根據(jù)加裝壓力匹配器方案，這里可采用高于四級(jí)抽汽壓力的蒸汽來引射四級(jí)抽汽，以得到滿足小汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力要求的混合蒸汽。從表2還可以看出，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷在40%及以下負(fù)荷時(shí)，由于三級(jí)抽汽壓力已經(jīng)低于小汽輪機(jī)的額定進(jìn)汽壓力，故也無法作為引射氣體使用。經(jīng)過綜合分析，可以確定滿足配置要求的方案有以下3種：新蒸汽引射四級(jí)抽汽(方案1)；一級(jí)抽汽引射四級(jí)抽汽(方案2)；二級(jí)抽汽引射四級(jí)抽汽(方案3)。

3 壓力匹配器引射系數(shù)確定

根據(jù)壓力匹配器工作原理及過程可知，引射系數(shù)u是壓力匹配器工作特性的一個(gè)重要參數(shù)，它表示在一定工況下，單位質(zhì)量工作流體通過噴射器時(shí)所能吸收引射流體的量[9-11]，即：

(1)

式中：GP、GH為工作蒸汽和引射蒸汽的質(zhì)量流量，kg/s。

根據(jù)索科洛夫計(jì)算方法，引入了折算等熵速度λ、折算質(zhì)量速度q及相對(duì)壓力Π，其中：

(2)

(3)

式中：wa、a*為等熵速度和臨界速度，m/s；k為流體的絕熱指數(shù)，對(duì)于過熱蒸汽取k=1.3。

(4)

文獻(xiàn)[12]對(duì)引射系數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)，其導(dǎo)出式為

(5)

其中：

K1=φ1φ2φ3

(6)

K2=φ2φ3φ4

(7)

(8)

(9)

式中：φ1、φ2、φ3、φ4分別為工作噴嘴、混合室、擴(kuò)散器和混合室入口的速度系數(shù)，取φ1=0.95，φ2=0.975，φ3=0.9，φ4=0.925；TP、TH為工作流體和引射流體的溫度，℃。

(10)

(11)

當(dāng)在混合室截面上引射流體為臨界速度時(shí)，可得該極限狀態(tài)下的u：

(12)

在混合室截面上，流體的速度不可能超過臨界速度，因此有λC3≤1。首先設(shè)定λC3的值，然后根據(jù)式(3)求得qC3，把qC3帶入式(12)可求得λC3對(duì)應(yīng)的最大引射系數(shù)：

(13)

當(dāng)給定λC3時(shí)，求解引射系數(shù)具體過程如下：取u=(uΠP)2，并根據(jù)式(13)求得qH2的值，利用式(3)和式(4)可得到對(duì)應(yīng)的λH2及ΠH2，根據(jù)式(5)求得u值，當(dāng)求出的u>(uΠP)2時(shí)取u=(uΠP)2，當(dāng)u<(uΠP)2時(shí)則把求得的u值作為設(shè)定值，按以上步驟重復(fù)計(jì)算，直至設(shè)定值與求解值相吻合為止。

根據(jù)壓力匹配器引射系數(shù)的計(jì)算方法和過程，可計(jì)算得出3種配汽方案下壓力匹配器可達(dá)到的引射系數(shù)如表3所示，并結(jié)合表2各抽汽點(diǎn)壓力可知，當(dāng)機(jī)組在30%負(fù)荷且采用方案3的配汽方式下，由于工作抽汽壓力太小，無法通過匹配器來引射流體。

表3 不同負(fù)荷下3種方案壓力匹配器可達(dá)到的引射比

4 加裝壓力匹配器后小汽輪機(jī)進(jìn)汽量計(jì)算

采用小汽輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)給水泵，故給水泵的軸功率即為小汽輪機(jī)的內(nèi)功率。根據(jù)小汽輪機(jī)內(nèi)功率計(jì)算公式[13]，可得小汽輪機(jī)所需的進(jìn)汽量：

(14)

式中：W為給水泵軸功率，kW；ηi、ηm為小汽輪機(jī)的內(nèi)效率和機(jī)械效率，分別取0.8和0.9；hc為小汽輪機(jī)的進(jìn)汽焓(即匹配器混合蒸汽焓)，kJ/kg；h為小汽輪機(jī)排汽焓，這里取2 374.5 kJ/kg。

在引射系數(shù)u一定的條件下，匹配器出口混合蒸汽焓可根據(jù)能量守恒原理來確定：

(15)

式中：hP、hH、hC為匹配器前的工作蒸汽、引射蒸汽和匹配器出口混合蒸汽焓，kJ/kg。

在式(14)中，首先根據(jù)文獻(xiàn)[14-15]的計(jì)算方法得出主機(jī)滑壓運(yùn)行下，鍋爐給水泵的軸功率如表4所示，根據(jù)表2查得各級(jí)抽汽的焓值如表5所示，以及由表3、式(15)可求得對(duì)應(yīng)小汽輪機(jī)的進(jìn)汽焓結(jié)果如表6所示。最后求得的小汽輪機(jī)所需總進(jìn)汽量如表7所示，可知在相同負(fù)荷下，滿足小汽輪機(jī)正常運(yùn)行條件下，方案1所耗蒸汽量最少。

表4 機(jī)組滑壓運(yùn)行時(shí)鍋爐給水泵軸功率計(jì)算

表5 機(jī)組滑壓運(yùn)行時(shí)各級(jí)抽汽焓

表6 機(jī)組滑壓運(yùn)行時(shí)壓力匹配器出口混合蒸汽焓

表7 機(jī)組滑壓運(yùn)行時(shí)小汽輪機(jī)所需總進(jìn)汽量

為了確定壓力匹配器工作蒸汽量和引射蒸汽量，根據(jù)其進(jìn)出口蒸汽量平衡關(guān)系可有：

G=GH+GP

(16)

結(jié)合式(1)及表3關(guān)于引射系數(shù)的計(jì)算結(jié)果和式(16)可求得在滑壓運(yùn)行下不同方案對(duì)應(yīng)的工作蒸汽和引射蒸汽的抽汽量，結(jié)果如表8所示。從表8還可看出，當(dāng)機(jī)組在30%負(fù)荷時(shí)，方案3配汽方式下GH的值為0，這是由于二級(jí)抽汽壓力太小無法引射四級(jí)抽汽所致，只能直接采用二級(jí)抽汽作為小汽輪機(jī)的驅(qū)動(dòng)力。

表8 滑壓運(yùn)行時(shí)不同方案下壓力匹配器所需抽汽量

5 加裝壓力匹配器前后小汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)能耗分析

小汽輪機(jī)前是否加裝壓力匹配器，可能對(duì)主機(jī)抽汽的能耗帶來一定影響，即在加裝壓力匹配器前后，由于采用新蒸汽、一級(jí)抽汽、二級(jí)抽汽分別直接作為小汽輪機(jī)的汽源，以及作為工作蒸汽分別引射低壓蒸汽所帶來的能耗不同：

WH=GH(hH-h′)

(17)

WH+P=GH(hH-h′)+GP(hp-h′)

(18)

式中：h′為主汽輪機(jī)排汽焓，取2 340.7 kJ/kg。

為了便于直觀比較，現(xiàn)將式(17)和式(18)關(guān)于小汽輪機(jī)在不同工況下的能耗計(jì)算結(jié)果繪以曲線圖表達(dá)。圖1給出了在加裝壓力匹配器前，分別利用新蒸汽、一級(jí)或二級(jí)抽汽單獨(dú)供小汽輪機(jī)工作時(shí)蒸汽的能耗情況?？芍?，新蒸汽的能耗最多，一級(jí)抽汽次之，二級(jí)抽汽最少。造成這一結(jié)果的原因是前者的溫度和壓力均大于后者，由此所帶來的減溫減壓損失也較多，且機(jī)組負(fù)荷越大差距也越大。從另一個(gè)角度看，圖2—圖4分別給出了在加裝匹配器后的3種方案中，采用不同高壓抽汽引射四級(jí)抽汽，與不進(jìn)行引射而僅靠同一對(duì)應(yīng)的高壓抽汽單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的能耗比較，一般前者比后者可節(jié)能10%～15%。這充分說明，加裝匹配器后會(huì)使四級(jí)抽汽這部分低品質(zhì)能量得到充分利用。此外，圖5給出了加裝匹配器后的3種方案比較結(jié)果?？梢钥闯?，無論負(fù)荷多大，3種方案中彼此之間的能耗都無明顯差異，這說明在同一機(jī)組負(fù)荷下，無論采用哪種方案，進(jìn)入小汽輪機(jī)的混合蒸汽能量都是相同的，只是采用的工作蒸汽壓力越高其引射系數(shù)越大，相對(duì)引射蒸汽的比例越小。

圖1 加裝匹配器前各級(jí)抽汽耗功量

圖2 加裝匹配器前后小汽輪機(jī)耗功量(方案1)

圖3 加裝匹配器前后小汽輪機(jī)耗功量(方案2)

圖4 加裝匹配器前后小汽輪機(jī)耗功量(方案3)

圖5 加裝壓力匹配器后多方案下小汽輪機(jī)能耗比較

6 結(jié)束語

提出在小汽輪機(jī)前加裝壓力匹配器方案，并通過熱力學(xué)分析給出了確定壓力匹配器引射系數(shù)及其出口混合蒸汽量和參數(shù)的計(jì)算方法，以采用滑壓運(yùn)行的某300 MW機(jī)組為例進(jìn)行了加裝壓力匹配器前后小汽輪機(jī)的熱力系統(tǒng)能耗比較，得出在加裝匹配器后該系統(tǒng)更具有良好的節(jié)能效果。同時(shí)也可得出，無論主機(jī)負(fù)荷大小，3種配汽方案中彼此之間的能耗無明顯差異，可為同類機(jī)組提供參考。