汽輪機(jī)缸效率和熱耗值之間關(guān)系的分析研究

李少華，姚 亮，宋東輝，許樂(lè)飛，鄭 楠

(東北電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，吉林吉林 132012)

汽輪機(jī)缸效率和熱耗值之間關(guān)系的分析研究

李少華，姚 亮，宋東輝，許樂(lè)飛，鄭 楠

(東北電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，吉林吉林 132012)

闡述了汽輪機(jī)高壓缸、中壓缸、低壓缸效率和熱耗率的計(jì)算方法，推導(dǎo)出了缸效率和熱耗率之間的關(guān)系式，并以某電廠亞臨界600 MW機(jī)組為例，采用不同工況下的熱力性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)汽輪機(jī)高壓缸、中壓缸、低壓缸效率進(jìn)行了計(jì)算，分析了不同工況下機(jī)組各缸效率變化對(duì)熱耗值的影響程度，合理評(píng)價(jià)了機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

汽輪機(jī);缸效率;熱耗率;關(guān)系分析

0 引言

目前，電廠運(yùn)行過(guò)程中僅通過(guò)汽耗率和熱耗率指標(biāo)已無(wú)法對(duì)再熱式汽輪發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行合理評(píng)價(jià)［1］，而作為反映蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)部膨脹和做功能力大小的缸效率已經(jīng)成為汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性研究的一個(gè)重要指標(biāo)。由于現(xiàn)行機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與設(shè)計(jì)運(yùn)行條件存在明顯差異，汽輪機(jī)缸本體能耗也會(huì)隨著汽輪機(jī)各缸效率偏離設(shè)計(jì)工況產(chǎn)生較大的變化，通過(guò)分析缸效率和機(jī)組熱耗率之間關(guān)系能為機(jī)組經(jīng)濟(jì)性能診斷提供依據(jù)，因此，本文闡述了汽輪機(jī)高壓缸、中壓缸、低壓缸效率和熱耗率的計(jì)算方法，并分析了不同工況下機(jī)組各缸效率變化對(duì)熱耗值的影響程度，對(duì)今后電站的節(jié)能減排有一定的指導(dǎo)意義。

1 電廠汽輪機(jī)缸效率的計(jì)算

汽輪機(jī)缸效率為蒸汽在汽輪機(jī)中的實(shí)際焓降與理想焓降之比。通過(guò)蒸汽在汽輪機(jī)中做功實(shí)際焓降和理想焓降計(jì)算汽輪機(jī)缸效率，包含蒸汽在進(jìn)汽閥和調(diào)節(jié)閥中的壓力損失，不過(guò)高壓缸、中壓缸、低壓缸的效率計(jì)算表達(dá)式是一致的，故可統(tǒng)一進(jìn)行表述［2］，即

式中:η為汽輪機(jī)缸效率;Hoi為各缸進(jìn)口蒸汽焓，kJ/kg;Hci為各缸實(shí)際出口蒸汽焓，kJ/kg;Hsoi為各缸理想蒸汽出口焓，kJ/kg。

由此可知，只要繪出汽輪機(jī)各缸的膨脹熱力曲線，就能由式(1)計(jì)算汽輪機(jī)各缸的缸效率。圖1為蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)部膨脹曲線。

2 汽輪機(jī)組熱耗率計(jì)算

在電廠經(jīng)濟(jì)性監(jiān)控中，熱耗率能夠評(píng)價(jià)不同參數(shù)汽輪機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。通常熱耗率指電廠每產(chǎn)生1 kW·h的電能所消耗的熱量，而汽輪機(jī)熱耗率為進(jìn)入汽輪機(jī)系統(tǒng)的總熱量和離開(kāi)系統(tǒng)的總熱量的差值與發(fā)電機(jī)輸出功率的比值。

圖1 蒸汽在汽輪機(jī)中的膨脹曲線

對(duì)于再熱式汽輪機(jī)組，熱耗率的計(jì)算可表示為

式中:q 為汽輪機(jī)組熱耗率，kJ/kW·h;Wqj、Wgs、Wzr、Wlz、Wzj、Wgj分別為汽輪機(jī)主蒸汽流量、給水流量、再熱器蒸汽流量、冷再蒸汽流量、再熱器減溫水流量、過(guò)熱器減溫水流量，kg/h;Hqj、Hgs、Hzr、Hlz、Hzj、Hgj分別為汽輪機(jī)主蒸汽焓值、給水焓值、再熱器蒸汽焓值、冷再蒸汽焓值、再熱器減溫水焓值、過(guò)熱器減溫水焓值，kJ/kg;Pel為發(fā)電機(jī)輸出電功率，kW。

3 汽輪機(jī)組熱耗率與缸效率的關(guān)系

在火力發(fā)電機(jī)組中，鍋爐產(chǎn)生的主蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后，以高溫高壓蒸汽的形式在汽輪機(jī)中進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換，克服各項(xiàng)損失后，由發(fā)電機(jī)輸出有效電功率。這個(gè)過(guò)程的能量傳遞方程為［3］

式中:Q為進(jìn)出汽輪機(jī)總熱量的差值(包括中間再熱輸入熱量)，kJ/h;Pt為汽輪機(jī)的理想功率，表示在單位時(shí)間內(nèi)蒸汽理想焓降全部轉(zhuǎn)換成的機(jī)械功，kW;Pi為汽輪機(jī)的實(shí)際內(nèi)功率，表示在單位時(shí)間內(nèi)蒸汽實(shí)際焓降全部轉(zhuǎn)換成的機(jī)械功，kW;Pm為汽輪機(jī)的軸端功率，kW;ηm為機(jī)械效率;ηri為缸效率;ηg為電氣效率。

由式(3)可得反平衡法熱耗率計(jì)算式為

式(4)即為汽輪發(fā)電機(jī)組熱耗率與缸效率的表達(dá)式，汽輪機(jī)組熱耗率與缸效率成反比關(guān)系。

依據(jù)文獻(xiàn)［4］按設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算得到高壓缸效率變化1%時(shí)對(duì)機(jī)組熱耗影響值的表達(dá)式為

式中:ηk為高壓缸效率;q為機(jī)組設(shè)計(jì)熱耗率，kJ/kW·h;H0k為高壓缸等熵焓降，kJ/kg;W0z為高壓缸折算流量;Wr為高壓缸排汽流量，kg/h。該式主要考慮到了機(jī)組運(yùn)行時(shí)再熱循環(huán)，把機(jī)組實(shí)際消耗熱量考慮在內(nèi)，并通過(guò)折算流量確定高壓缸實(shí)際熱耗。在忽略中壓缸冷卻蒸汽量的情況下，高壓缸折算流量的計(jì)算可表示為

式中:W0、Wm、Wz、Wl分別為主蒸汽流量、高壓門(mén)桿漏汽量、高壓缸前汽封漏汽量、一段抽汽流量，kg/h，H0、Ht、H1、H2分別為主蒸汽焓、調(diào)節(jié)級(jí)后焓、一段抽汽焓、高壓缸排汽焓，kJ/kg。

同理，依據(jù)文獻(xiàn)［4］可得中壓缸效率和熱耗率之間的關(guān)系，即中壓缸效率變化1%時(shí)機(jī)組熱耗率的變化量，可表示為

式中:η1為中壓缸效率;H01為中壓缸等熵焓降，kJ/kg;Wrz為中壓缸折算流量，kg/h。

在忽略高壓缸后軸封漏汽流量、再熱減溫水流量及中壓缸冷卻蒸汽流量的情況下，中壓缸折算流量計(jì)算可表達(dá)為

式中:W3、W4、W5分別為三段抽汽流量、四段抽汽流量、五段抽汽流量，kg/h;Hr、H3、H4、H5、H6分別為三段抽汽焓、四段抽汽焓、五段抽汽焓、中壓缸排汽焓，kJ/kg。

同理，可得低壓缸效率和機(jī)組熱耗率之間的關(guān)系式為

式中:ηp為低壓缸效率;H0p為低壓缸等熵焓降，kJ/kg;Wpz為低壓缸折算流量，kg/h。

低壓缸折算流量計(jì)算可表示為

式中:Wps、W7、W8分別為低壓缸進(jìn)汽流量、七段抽汽流量、八段抽汽流量，kg;Hps、H7、H8、Hk分別為低壓缸進(jìn)汽焓、七段抽汽焓、八段抽汽焓、低壓缸排汽焓，kJ/kg。

表1 機(jī)組基本熱力計(jì)算參數(shù)

4 計(jì)算實(shí)例

以某電廠600 MW汽輪發(fā)電機(jī)組為例，該600 MW汽輪機(jī)組是一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、空冷凝汽式汽輪機(jī)，亞臨界工作條件下具有八級(jí)非調(diào)整回?zé)岢槠?。?為該機(jī)組不同運(yùn)行工況下基本的熱力參數(shù)。

通過(guò)上述計(jì)算方法分別對(duì)不同運(yùn)行狀態(tài)和工況下高壓缸效率、中壓缸效率和低壓缸效率進(jìn)行了計(jì)算，以求得到各運(yùn)行狀態(tài)下各缸效率隨不同工況變化的趨勢(shì)。在不同運(yùn)行狀態(tài)和工況下計(jì)算得到的各缸效率如表2所示。THA運(yùn)行不同狀態(tài)不同負(fù)荷下各缸效率變化曲線如圖2所示。

表2 汽輪發(fā)電機(jī)組各缸效率的計(jì)算數(shù)據(jù) %

從表2和圖2可以看出，汽輪機(jī)高壓缸效率在定壓運(yùn)行下隨負(fù)荷變化曲線逐漸攀升，效率變化幅度較大。主要因?yàn)槠啓C(jī)定壓運(yùn)行時(shí)高壓進(jìn)汽閥門(mén)處于節(jié)流調(diào)節(jié)狀態(tài)，隨著工況負(fù)荷的提高，理想焓降基本保持不變，實(shí)際焓降變化逐漸變小，使式(1)計(jì)算的高壓缸效率提高明顯;再熱蒸汽焓值變化不大，中壓缸實(shí)際焓降和理想焓降均保持在一定數(shù)值范圍內(nèi)，故中壓缸效率基本保持不變。當(dāng)汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行時(shí)，主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度保持不變，汽輪機(jī)低壓缸內(nèi)部蒸汽的容積流量基本不變，速比、焓降趨于穩(wěn)定;隨著負(fù)荷的變小，主蒸汽壓力降低，汽輪機(jī)濕氣損失隨之減小，汽輪機(jī)缸效率仍很高。

圖2 THA運(yùn)行不同狀態(tài)不同負(fù)荷下各缸效率變化曲線

結(jié)合熱耗率公式，對(duì)汽輪機(jī)各缸效率變化1%時(shí)對(duì)應(yīng)不同運(yùn)行狀態(tài)和負(fù)荷下汽輪機(jī)組熱耗率的變化值進(jìn)行了計(jì)算，從而得到了不同運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行負(fù)荷下各缸效率與熱耗率之間的關(guān)系。THA運(yùn)行不同負(fù)荷下各缸效率變化1%對(duì)熱耗影響值的曲線如圖3所示。汽輪機(jī)各缸效率變化1%對(duì)熱耗影響的計(jì)算如表3所示。

圖3 THA運(yùn)行不同負(fù)荷下各缸效率變化1%對(duì)熱耗影響值的曲線

表3 汽輪機(jī)各缸效率變化1%對(duì)熱耗影響的計(jì)算kJ/(kW·h)

從表3和圖3可以看出，不同負(fù)荷下高壓缸、中壓缸和低壓缸效率的改變對(duì)機(jī)組熱耗的影響變化不是很大，相鄰兩個(gè)工況之間各缸效率對(duì)熱耗的影響值基本控制在0.5～1.0 kJ/kW·h。在滑壓和定壓工況運(yùn)行時(shí)，各缸效率對(duì)熱耗的影響值不太明顯，特別是在75%到滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)影響值基本趨于一致。對(duì)高壓缸和中壓缸來(lái)說(shuō)，隨著負(fù)荷的增大，缸效率變化對(duì)熱耗的影響值有減少的趨勢(shì)，而低壓缸隨負(fù)荷的增大，低壓缸效率對(duì)熱耗的影響值有增大的趨勢(shì)，低壓缸效率變化對(duì)熱耗的影響值控制在1.0～1.5 kJ/kW·h。經(jīng)過(guò)上述分析，實(shí)際運(yùn)行中可以通過(guò)對(duì)各缸效率計(jì)算指導(dǎo)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)水平實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5 結(jié)論

上述計(jì)算分析結(jié)果表明，定壓運(yùn)行狀態(tài)下汽輪發(fā)電機(jī)組的高壓缸的效率隨負(fù)荷增加的增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，且敏感，而中壓缸和低壓缸的效率基本保持不變;滑壓運(yùn)行狀態(tài)下各缸效率隨負(fù)荷變化較小，基本呈現(xiàn)出變化不大的趨勢(shì);不同工況運(yùn)行下可以通過(guò)各缸效率對(duì)機(jī)組的熱耗進(jìn)行調(diào)控，從而能夠直接對(duì)機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。

［1］沈士一.汽輪機(jī)原理［M］.北京:水利電力出版社，1992:109－110.

［2］劉凱.汽輪機(jī)試驗(yàn)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2005:61.

［3］洪文鵬，張玲，周勤，等.汽輪機(jī)各缸相對(duì)內(nèi)效率變化對(duì)熱耗率影響的計(jì)算模型［J］.東北電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2001(12).

［4］美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)，ASME PTC REPORT－1970汽輪機(jī)例行試驗(yàn)的簡(jiǎn)化方法［S］.

Analysis of relation between cylinder effect and heat consumption of steam turbine

LI Shaohua，YAO Liang，SONG Donghui，XU Lefei，ZHENG Nan
(School of Energy and Mechanical Engineering of Northeast Dianli University，Jilin 132012，China)

This paper introduces the calculation method of cylinder effect and heat consumption of high－voltage cylinder，medium－voltage cylinder and low－voltage cylinder and deduces the relation between cylinder effect and heat consumption，and taking sub－critical 600 MW unit in a power plant for example，adopts experimental data of thermal performance under different working conditions to calculate the effect of high－voltage cylinder，medium －voltage cylinder and low －voltage cylinder，and analyzes how cylinder effect influences heat consumption under different working conditions and gives reasonable evaluation on the running economy of this unit.

steam turbine;cylinder effect;heat consumption;relation analysis

TK262

A

1002－1663(2012)02－0089－04

2011－10－31

李少華(1957－)，男，1999年畢業(yè)于西安交通大學(xué)流體機(jī)械專業(yè)，博士，教授。研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)特性、防磨技術(shù)、數(shù)字電站系統(tǒng)及電站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)特性評(píng)價(jià)方法。

(責(zé)任編輯 侯世春)