減溫水對發(fā)電熱耗率影響的排汽修正定量分析方法

韓建春，荀 華

（內(nèi)蒙古電力科學研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

火電廠是以煤或其他化石燃料為主要原料,利用鍋爐、汽輪機、發(fā)電機等主要設(shè)備最終將化學能轉(zhuǎn)化為電能的龐大生產(chǎn)系統(tǒng)[1]。由于電能具有難以儲存的特點，因此火電廠的運行負荷會隨著外部電能需求量的變化而變化，另外由于鍋爐燃料很難保證維持在設(shè)計燃料不變，因此在鍋爐燃燒中不可避免地會使用到過熱器減溫水和再熱器減溫水以保證穩(wěn)定的蒸汽溫度。但減溫水的使用將不可避免地造成機組發(fā)電熱耗率的變化。對于各大汽輪機制造廠來說，由于減溫水管道屬于汽輪機本體之外的管道部分，汽輪機制造廠在提供修正曲線時往往不包含減溫水的修正，這就使得定量分析減溫水對汽輪機發(fā)電熱耗率的影響時存在較大難度。為了解決這一問題，文中通過分析過熱器減溫水、再熱器減溫水對系統(tǒng)的不同影響，得出了一種能夠精確計算其對發(fā)電熱耗率影響的計算方法。

1 減溫水對汽輪機熱力系統(tǒng)的影響

1.1 系統(tǒng)簡介

減溫水系統(tǒng)是用于防止鍋爐過熱器、再熱器超溫的管道系統(tǒng)。過熱器減溫水一般取自鍋爐給水泵出口（如圖1中X1）或省煤器入口給水管道（如圖1中X2），再熱器減溫水由于所需壓力遠低于給水壓力，一般由給水泵中間級引出（如圖1中Y）。

圖1 鍋爐減溫水系統(tǒng)

1.2 減溫水對機組熱力系統(tǒng)的影響

1.2.1 過熱器減溫水對系統(tǒng)的影響

過熱器減溫水是為了避免過熱蒸汽超溫而設(shè)計的管道系統(tǒng)。它在熱力系統(tǒng)中引出位置的不同將對熱力系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響。

當其由給水泵出口引出時，一方面由于其溫度較省煤器入口給水溫度低，使得給水在鍋爐中的平均吸熱溫度降低，從而造成工質(zhì)在鍋爐中的吸熱量大幅增加。另一方面，由于其從給水泵出口引出，在保持主蒸汽流量不變時，通過高壓加熱器的給水量將減少，高加回熱抽汽量隨之減少，機組排入凝汽器的蒸汽量增加，最終造成機組冷源損失的增加，從而使得機組發(fā)電熱耗率的增加。

當其由鍋爐省煤器入口引出時，由于其對于汽輪機內(nèi)部做功并不會產(chǎn)生影響，因此它在反映鍋爐燃料變化和燃燒情況之余對機組的發(fā)電熱耗率并不產(chǎn)生影響，因此文中只對其由給水泵出口引出的方式進行分析。

1.2.2 再熱器減溫水對系統(tǒng)的影響

再熱器減溫水一般由給水泵中間級引出。當在保持主蒸汽流量不變的情況下，它的投入一方面會使得低壓給水增加，從而造成低加及除氧器的回熱抽汽量增加，中壓缸及低壓缸的做功量減少；另一方面由于再熱減溫水溫度低于鍋爐省煤器入口給水溫度，使得工質(zhì)在鍋爐內(nèi)的吸熱量增加。這種此消彼長的疊加效應(yīng)將會造成機組發(fā)電熱耗率的增加[2]。

1.3 現(xiàn)行常用的減溫水耗差分析方法與不足

等效熱降法是當前廣泛應(yīng)用于火電廠能耗分析的一種熱力計算方法。由于等效熱降法起源于上世紀的六十年代，當時在熱經(jīng)濟性分析中計算機還未廣泛應(yīng)用，為了計算的方便快捷而采用了一些條件假設(shè)，即：在計算等效熱降時，認為新蒸汽參數(shù)、再熱參數(shù)、終參數(shù)以及各抽汽參數(shù)均為已知，且保持不變，即汽輪機膨脹過程線的變化暫時不予考慮。所有這些都是建立等效熱降概念和推導(dǎo)公式的前提條件[3-4]。但對于熱力系統(tǒng)而言，其為一個動態(tài)的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，當某一條件發(fā)生改變時其他參數(shù)或多或少都會有所變化。因此這些假設(shè)不變的條件將對分析結(jié)果的準確性產(chǎn)生影響。

首先減溫水的投入將直接影響汽輪機通流部分蒸汽的流量，根據(jù)弗留格爾公式：

式中：G、G1為工況變化前、后的流量；P0、P01為流量變化前、后級組前壓力；P2、P21為流量變化前、后級組后壓力；T0、T01為流量變化前、后級組前溫度。

在汽輪機通流截面積不變的情況下，汽輪機中蒸汽流量、壓力、溫度之間存在相互依變關(guān)系，當溫度變化幅度不大時弗留格爾公式簡化為[5-6]：

式中：G、G1為工況變化前、后的流量；P、P1為流量變化前、后抽汽壓力。

其次是減溫水的投入隨著對凝結(jié)水流量、給水流量以及抽汽壓力的影響將最終影響到機組的低壓缸排汽流量。圖2為某型汽輪機排汽流量與排汽損失的關(guān)系曲線。由此可見，低壓缸排汽流量的變化將引起低壓缸排汽損失及有用能終點焓（UEEP）的變化，因此假設(shè)汽輪機排汽焓不變將會影響到分析結(jié)果的準確性。

圖2 排汽損失曲線

2 減溫水對機組熱耗率影響的定量分析

2.1 過熱器減溫水的分析計算

2.1.1 回熱抽汽參數(shù)的確定

在系統(tǒng)運行過程中，汽輪機入口主蒸汽的溫度、壓力、流量是熱能轉(zhuǎn)換為機械能的起始參數(shù)，過熱器減溫水在過熱器中汽化后將以主蒸汽的形式進入汽輪機做功。為了能保持發(fā)電機功率的穩(wěn)定就必須保證汽輪機入口主蒸汽的溫度、壓力、流量保持穩(wěn)定，因此將汽輪機入口主蒸汽參數(shù)不變作為減溫水分析的基準，在保持汽輪機入口主蒸汽參數(shù)不變情況下，過熱器減溫水投入與停運造成的機組發(fā)電熱耗率的變化即為過熱器減溫水的定量分析結(jié)果。

當過熱器減溫水停運時，鍋爐省煤器入口主給水流量將等于主蒸汽流量，即：

式中：Ggs為鍋爐省煤器入口給水流量，kg/h；Gzq為汽輪機入口主蒸汽流量，kg/h；Ggjs為過熱器減溫水流量，kg/h。

當過熱器減溫水取自鍋爐給水泵出口（如圖1中X1）時，在保持主蒸汽參數(shù)不變，若過熱器減溫水停運，則系統(tǒng)中1號、2號、3號高壓加熱器中的給水流量將會增加，對應(yīng)的回熱抽汽流量也將增加。由于過熱器減溫水投運時的主蒸汽流量與給水流量的關(guān)系為：

式中：G'zq為過熱器減溫水投入情況下的主蒸汽流量，kg/h；G'gs為過熱器減溫水投入情況下的主給水流量，kg/h；G'gjs為過熱器減溫水投入情況下的過熱器減溫水流量，kg/h。

由式（4）、式（6）得：

考慮到機組運行過程中，加熱器上、下端差維持穩(wěn)定，因此在當過熱器減溫水停運時1號～3號加熱器抽汽計算公式如下：

式中：tgs為鍋爐省煤器入口給水溫度，℃；t1cs為1號加熱器出水溫度，℃；tics為i號加熱器出水溫度，℃；tip為i號加熱器進汽壓力對應(yīng)飽和水溫度，℃；Δtis、Δtix為i號加熱器上、下端差，℃；tiss為i 號加熱器疏水溫度，℃；tijs為i號加熱器進水溫度，℃；t(i+1)cs為（i+1）號加熱器出水溫度，℃。

通過以上計算并根據(jù)水的熱力特性即可獲得過熱減溫水停運時加熱器的進出水焓。然后利用下式計算對應(yīng)加熱器的回熱抽汽量。

式中：Gicp為i號加熱器抽汽流量，kg/h；Giss、G（i－1）)ss為i號、（i-1）號加熱器疏水流量，kg/h；hiss、h（i－1）)ss為i號、（i-1）號加熱器疏水焓，kJ/kg；hi為i號加熱器進汽焓，kJ/kg。

由式（7）和式（12）得，過熱器減溫水停運時過熱器減溫水引出口后加熱器的回熱抽汽量將會發(fā)生變化。根據(jù)弗留格爾公式得，汽輪機內(nèi)部各段抽汽參數(shù)也將變化，變化后的各級回熱抽汽參數(shù)根據(jù)弗留格爾簡化式（2）來進行確定。

2.1.2 中、低壓缸進汽參數(shù)的確定

由于汽輪機制造完成后，內(nèi)部通流面積既已確定，因此過熱器減溫水停運時高壓缸排汽壓力同樣可以利用公式（2）來確定。通過高壓缸排汽壓力及機組再熱壓損即可得到機組停運過熱器減溫水后的再熱蒸汽壓力，而再熱蒸汽溫度則為機組保持穩(wěn)定運行的基本參數(shù)，由此便得到了機組停運過熱器減溫水后的再熱參數(shù)。其后各級抽汽及低壓缸進汽參數(shù)通過公式（2）即可確定。

2.1.3 低壓缸排汽有用能終點焓（UEEP）的確定

由于過熱器減溫水影響到汽輪機內(nèi)蒸汽通流量，因此也會影響到機組的排汽焓。機組運行期間排汽壓力穩(wěn)定將保持，減溫水量的變化對機組膨脹線的形狀的影響并不大，即：

式中：ηELEP、η′ELEP分別為過熱器減溫水停運、投入運行時的低壓缸膨脹線效率，%。

但由于低壓缸排汽流量發(fā)生變化，由圖2可以看出，低壓缸的排汽損失將會發(fā)生變化，由于這一變化意味著汽輪機內(nèi)做功蒸汽的終點發(fā)生變化，所以機組發(fā)電功率也將隨之變化，這一變化的忽略將造成最終分析結(jié)果的偏差，因此應(yīng)對低壓缸有用能終點焓進行精確的修正計算。以下為低壓缸有用能終點焓的計算公式[7-8]：

式中：ELEP為膨脹線終點焓，kJ/kg；hLjq為低壓缸進汽焓，kJ/kg；為低壓缸的等熵焓，kJ/kg；UEEP為有用能終點焓，kJ/kg；X為低壓缸排汽干度；EL 為排汽損失，kJ/kg。

由式（16）可以看出，低壓缸排汽量的變化將會造成有用能終點焓的變化。依據(jù)過熱器減溫水停運后的機組低壓缸排汽量通過式（14）～式（16）即可計算出修正后的有用能終點焓。

2.1.4 過熱器減溫水停運后發(fā)電熱耗率計算

由于過熱器減溫水停運將會引起各級回熱抽汽、低壓缸排汽以及排汽有用能終點焓的變化，自然也會造成機組發(fā)電機功率及發(fā)電熱耗率的變化，準確核算過熱器減溫水停運后的發(fā)電機功率便至關(guān)重要。過熱器減溫水停運后的發(fā)電機功率需采用能量平衡法進行計算。然后再依據(jù)所得發(fā)電機功率計算過熱器減溫水停運后的發(fā)電熱耗率。計算式如下：

式中：N'為過熱器減溫水停運后的發(fā)電機電功率，kW；Gzq、hzq分別為主蒸汽流量和焓，kg/h、kJ/kg；Ghrh、hhrh分別為再熱蒸汽流量和焓，kg/h、kJ/kg；Gcrh、hhrh分別為冷再熱蒸汽流量和焓，kg/h、kJ/kg；Gicq、hicq分別為第i段抽汽流量和焓，kg/h、kJ/kg；Gpq為低壓缸排汽流量，kg/h；Ggs、hgs分別為給水流量和焓，kg/h、kJ/kg；Gzjs、hzjs分別為再熱器減溫水流量和焓，kg/h、kJ/kg；HR'為過熱器減溫水停運后的發(fā)電熱耗率，kJ/kW·h；UEEP為過熱器減溫水停運后的低壓缸排汽有用能終點焓，kJ/kg。

通過以上各步驟的計算便可得到過熱器減溫水停運后的發(fā)電熱耗率，通過與過熱器減溫水投運時的發(fā)電熱耗率的比較即可得出過熱器減溫水對機組發(fā)電熱耗率的影響程度。計算的迭代過程如圖3所示。

圖3 過熱器減溫水分析計算流程

2.2 再熱器減溫水的分析計算

再熱器減溫水一般由給水泵中間級引出進入鍋爐再熱器中。當停運再熱器減溫水時，汽輪機中壓缸入口再熱蒸汽流量將等于鍋爐再熱器入口蒸汽流量，因此在進行再熱器減溫水的分析計算時需從再熱蒸汽中減去再熱器減溫水流量，即：

式中：G'zr、Gzr分別為再熱減溫水投運及停運后的再熱蒸汽流量，kg/h；Gzjs為再熱減溫水流量，kg/h。

同時，在保持汽輪機入口主蒸汽流量不變的情況下，再熱器減溫水的停運將使得除氧器出水流量減少，隨之除氧器入口凝結(jié)水流量也將變化。要想獲得再熱器減溫水停運后除氧器入口凝結(jié)水流量的大小就需建立流量平衡方程進行計算，即：

式中：Gzjs為再熱器減溫水流量，kg/h；Gnjs為除氧器入口凝結(jié)水流量，kg/h；Ggjss為高加疏水流量，kg/h；Gcycq為除氧器回熱抽汽流量，kg/h。

當Ggjs=Gzjs= 0時，則：

由于除氧器回熱抽汽流量Gcycq受凝結(jié)水流量的影響，還需建立除氧器回熱抽汽流量的計算方程：

式中：hcyjs、hcycs、hcycq、hgjss分別為除氧器進水焓、除氧器出水焓、除氧器抽汽焓和高加疏水焓，kg/h。

聯(lián)立式（21）和式（22）計算即可獲得再熱器減溫水停運后的凝結(jié)水流量。然后依據(jù)式（8）～式（18）即可獲得再熱減溫水停運后的機組發(fā)電熱耗率，通過對比再熱減溫水投運和停運前后的發(fā)電熱耗率即可得到再熱減溫水對發(fā)電熱耗的影響情況。計算過程如圖4所示。

圖4 過熱器減溫水分析計算流程

3 應(yīng)用實例

在對某CJK350-24.2/0.4/566/566 型汽輪機進行3VWO工況性能測試期間，由于煤種問題造成鍋爐減溫水投入量偏大，為了定量分析減溫水對其發(fā)電熱耗的影響，采用文中所述方法進行了分析計算。表1為試驗測試結(jié)果，表2定量分析計算結(jié)果。其中表2中再熱器減溫水的分析計算是在過熱器減溫水分析計算的基礎(chǔ)上進行的。機組過熱器減溫水引自給水泵出口，再熱器減溫水引自給水泵中間級。

表1 某CJK350-24.2/0.4/566/566型汽輪機試驗測試結(jié)果

表2 某CJK350-24.2/0.4/566/566型減溫水定量分析結(jié)果

通過對比表1、表2，可得本次試驗中過熱器減溫水使得發(fā)電熱耗率增加96.1 kJ/（kW·h），再熱器減溫水使得發(fā)電熱耗率增加16 kJ/（kW·h）。可以看出，分析計算所得低壓缸排汽有用能終點焓較試驗工況測試時有所變化，而這一變化將引起發(fā)電功率變化。因此采用此計算方法可以更加準確地獲得減溫水對發(fā)電熱耗率的影響程度。

4 結(jié)語

通過上述分析計算方法分析和應(yīng)用，可以得出如下結(jié)論：

1）以上計算方法充分考慮了蒸汽流量對抽汽壓力的影響，并通過弗留格爾公式的應(yīng)用有效減少了因固定抽汽壓力給分析結(jié)果帶來的偏差，使得分析結(jié)果更加準確；

2）低壓缸排汽焓是汽輪機組做功的重要邊界條件，通過對低壓缸排汽焓的動態(tài)修正計算，并利用其采用能量平衡計算方法得出減溫水停運后的發(fā)電機功率，有效消除了因此而造成的分析偏差；

3）發(fā)電熱耗率的定量分析方法一直是汽輪機節(jié)能分析計算的重點和難點，通過以上方法不僅能夠有效計算減溫水在發(fā)電過程中對發(fā)電熱耗率的影響，而且還可以用于分析系統(tǒng)補水及泄漏對機組發(fā)電熱耗率的影響。此方法較等效熱降法減少了邊界條件不變的假設(shè)，有效增加了分析計算的精度，雖說較等效熱降法計算量有所增加，但基于現(xiàn)代計算機的強大計算功能，并不會影響到分析計算的效率，故此方法有廣泛的推廣應(yīng)用前景。