330 MW亞臨界汽輪機(jī)缸效率變化對(duì)機(jī)組熱耗影響定量分析

張佳佳，董霖，陳真，張志勇，盧杰

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州430000)

0 引言

隨著國(guó)家淘汰落后產(chǎn)能和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，居民和商業(yè)用電比重逐步增加，用電負(fù)荷峰谷差持續(xù)增加，在電網(wǎng)容量有限的情況下，火電機(jī)組將更頻繁地參與深度調(diào)峰[1]。低負(fù)荷下，火電機(jī)組的煤耗將顯著增加，其中，汽輪機(jī)組方面影響比重較大。影響汽輪機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的因素主要有負(fù)荷率、通流部分效率、運(yùn)行參數(shù)、系統(tǒng)泄漏、回?zé)嵯到y(tǒng)等[2－3]。對(duì)于汽輪機(jī)本身來說，影響熱耗比重較大的因素為通流部分效率及運(yùn)行參數(shù)，為了準(zhǔn)確分析不同負(fù)荷下機(jī)組熱耗情況，需要定量分析缸效率對(duì)機(jī)組熱耗的影響及運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化方式[4－5]。

不同負(fù)荷下，高壓缸效率變化較大，中壓缸效率變化不大，低壓缸效率有一定的變化[6－8]。劉武峰[9]采用公式推導(dǎo)的方法獲得缸效率變化對(duì)機(jī)組熱耗影響的計(jì)算公式；萬忠海等[10]借助等效焓降法理論，通過一定的簡(jiǎn)化，將缸效率的變化轉(zhuǎn)化為汽缸不同能級(jí)間回?zé)岢槠┝鲉栴}進(jìn)行處理；楊濤等[11]分析了通流部分變化對(duì)缸效率的影響；王運(yùn)民[12]對(duì)汽輪機(jī)工況發(fā)生變化時(shí)，抽汽壓力、溫度發(fā)生的變化做了定量分析。本文以設(shè)備廠家提供的熱平衡圖為原始數(shù)據(jù)，采用線性化方法分析汽輪機(jī)缸效率變化對(duì)機(jī)組熱耗的影響，在保證精度的同時(shí)，計(jì)算方法相對(duì)簡(jiǎn)潔，便于現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。

1 線性化分析計(jì)算方法

在系統(tǒng)中，物理量之間的關(guān)系并非真正線性的，不能應(yīng)用迭加原理，使分析處理問題復(fù)雜化。為了克服非線性系統(tǒng)帶來的問題，常需引入“等效”線性系統(tǒng)來代替非線性系統(tǒng)，小偏差法即為一種常用的線性化分析方法[13－14]。由此獲得的汽輪機(jī)缸效率變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗影響的計(jì)算公式如下。

高壓缸效率變化1%對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響:

中壓缸效率變化1%對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響:

低壓缸效率變化1%對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響:

其中，當(dāng)量吸熱量R表達(dá)式為:

當(dāng)量?jī)?nèi)功率表達(dá)式為:

式中，下標(biāo)H、I、L分別表示高、中、低壓缸；βi為各通流段相對(duì)流量，βi＝Gi/G0，Gi為各通流段流量，G0為主蒸汽流量；為各段等效焓降；為各段效率；βc、βr為冷凝器、再熱器相對(duì)蒸汽流量，βc＝αc，βr＝αr；i0為主蒸汽焓；為凝結(jié)水焓；i01、in為再熱器出口、進(jìn)口焓；αek、iek為高壓第k段相對(duì)抽汽量和抽汽焓；αrj、irj為中、低壓第j段相對(duì)抽汽量和抽汽焓。

2 計(jì)算實(shí)例及分析

2.1 汽輪機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

以某汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的330 MW亞臨界機(jī)組為對(duì)象進(jìn)行計(jì)算。其中，中壓缸末級(jí)抽汽為五段抽汽，低壓缸排汽壓力為5·39 kPa。

2.2 各缸效率變化對(duì)機(jī)組熱耗變化影響

依據(jù)上述計(jì)算方法，分別對(duì)高、中、低壓缸效率變化對(duì)機(jī)組熱耗的影響進(jìn)行計(jì)算，不同工況下，變化1%，高、中、低壓缸效率變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響見表1。圖1—3分為高、中、低壓缸效率變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響，圖4為THA工況下高、中、低缸效率變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響。

圖4 THA工況下，缸效率變化1%時(shí)，對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響

表1 變化1%，高、中、低壓缸效率變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響 kJ/(kW·h)

圖1 高壓缸效率變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗影響

圖2 中壓缸效率變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗影響

圖3 低壓缸效率變化對(duì)機(jī)組熱耗影響

THA、75%THA、50%THA工況下，變化1%，高壓缸效率對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響為14·20～16·12 kJ/(kW·h)，中壓缸效率對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響為25·56～25·75 kJ/(kW·h)，低壓缸效率對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響為32·65～33·10 kJ/(kW·h)，高壓缸影響最小，低壓缸影響最大。缸效率變化量與汽輪機(jī)熱耗變化量成正比關(guān)系。

隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，變化1%，高壓缸效率變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響逐漸增加，且幅度逐步增大，相比THA工況，75%THA工況下熱耗增加5·9%，50%THA工況下熱耗增加13·5%；相比THA工況，75%THA工況下，中壓缸效率變化導(dǎo)致熱耗略微降低，50%THA工況下，熱耗略微增加；相比THA工況，75%THA、50%THA工況下，低壓缸效率變化導(dǎo)致熱耗略微降低。

3 缸效率變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗影響變化分析

缸效率變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響主要體現(xiàn)在兩方面，一是對(duì)功率的影響，二是對(duì)系統(tǒng)吸熱量的影響。其中，系統(tǒng)吸熱量影響包含兩方面，對(duì)于中、低壓缸來說，缸效率變化使得相應(yīng)的回?zé)岢槠手蛋l(fā)生變化，進(jìn)而引起鍋爐吸熱量的變化；對(duì)于高壓缸來說，除了相應(yīng)抽汽焓值變化產(chǎn)生的影響外，還有再熱循環(huán)對(duì)系統(tǒng)吸熱量的影響。

以中壓缸為例，缸效率變化對(duì)功率的影響為:

對(duì)系統(tǒng)吸熱量的影響為:

通過計(jì)算得到缸效率提高1%，上述兩因素對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響見表2。

表2 不同工況下，缸效率變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗影響 kJ/(kW·h)

由表2可知，通過功率變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗產(chǎn)生的影響顯著大于通過系統(tǒng)吸熱量變化產(chǎn)生的影響，尤其是中、低壓缸。

以THA工況為例，通過功率變化對(duì)機(jī)組熱耗產(chǎn)生的影響方面，高壓缸功率變化占總功率變化比為28·90%，中壓缸功率變化占總功率變化比為32·72%，低壓缸功率變化占總功率變化比為38·38%。

表3提供了不同負(fù)荷工況下各缸軸功率占比情況。由表3可知，THA工況下，高、中、低壓缸軸功率占比分別為29·90%、32·72%、38·38%，與表2中缸效率變化對(duì)機(jī)組熱耗影響(對(duì)功率的影響)的數(shù)值一致。由此可以得出，各缸效率變化對(duì)機(jī)組熱耗的影響取決于各缸軸功率的占比。

表3 不同工況下，高、中、低壓缸軸功率占比%

通過吸熱量變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗產(chǎn)生的影響方面，高壓缸影響較大，主要是因?yàn)槠渲邪嗽贌嵫h(huán)對(duì)系統(tǒng)吸熱量的影響。

高壓缸效率變化對(duì)吸熱量的影響表達(dá)式為:

變換成與中、低壓缸相同的形式為:

式中，等號(hào)右側(cè)第一項(xiàng)表示高壓缸回?zé)岢槠兓瘜?duì)系統(tǒng)吸熱量的影響；第二項(xiàng)表示高壓缸效率變化時(shí)，高壓缸排汽焓變化使再熱器中吸熱量產(chǎn)生變化占系統(tǒng)當(dāng)量吸熱量的份額。

表4列出了不同工況下，高壓缸效率變化1%時(shí)，系統(tǒng)吸熱量的變化情況。由表4可知，再熱器吸熱部分占比較大，且隨著負(fù)荷降低，比例逐漸增大；抽汽回?zé)岵糠终急容^小，且隨著負(fù)荷降低，比例逐漸降低。缸效率變化1%產(chǎn)生的抽汽回?zé)岵糠值奈鼰崃?，高壓缸高于中壓缸，高于低壓缸?/p>

表4 不同工況下，高壓缸效率變化1%對(duì)系統(tǒng)吸熱量影響的分配

中、低壓缸抽汽回?zé)岵糠謹(jǐn)?shù)據(jù)較小，且低壓缸數(shù)據(jù)為負(fù)值，是因?yàn)橹?、低壓缸效率變化雖引起低壓排汽焓變化，但并未引起背壓變化(背壓主要取決于循環(huán)水系統(tǒng))，因而，凝結(jié)水焓并未發(fā)生變化。

4 結(jié)論

1)THA、75%THA、50%THA工況下，變化1%，高壓缸效率對(duì)機(jī)組熱耗的影響在14·20～16·12 kJ/(kW·h)，中壓缸效率對(duì)機(jī)組熱耗的影響在25·56～25·75 kJ/(kW·h)，低壓缸效率對(duì)機(jī)組熱耗的影響在32·65～33·10 kJ/(kW·h)，高壓缸影響最小，低壓缸影響最大。

2)隨著負(fù)荷的降低，高壓缸效率變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響逐漸增加，中、低壓缸效率變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗影響變化較小。

3)缸效率變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗影響主要通過功率變化及吸熱量變化來實(shí)現(xiàn)。通過功率變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗產(chǎn)生的影響較為顯著，尤其是中、低壓缸。高壓缸效率變化對(duì)系統(tǒng)吸熱量產(chǎn)生的影響包括抽汽回?zé)岵糠旨霸贌岵糠?，再熱部分占比較大，且隨著負(fù)荷的降低而逐漸增加。

4)在相同負(fù)荷下，高、中、低壓缸效率變化通過功率變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗產(chǎn)生的影響占比，與高、中、低壓缸軸功率占比情況一致。