基于等效焓降法熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組變工況計算

戈志華，賀茂石

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

近年來，我國熱電聯(lián)產(chǎn)得到迅速發(fā)展。到2009年底，全國供熱機(jī)組總?cè)萘窟_(dá)14464萬千瓦，占火電總裝機(jī)容量約20%，占全國發(fā)電機(jī)組總?cè)萘康?7%左右。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組承擔(dān)了城市熱水采暖供熱量約30%，城市工業(yè)用汽約83%。在城市集中供熱的總面積中，有三分之一是由熱電廠滿足供熱的。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組相對于熱電分產(chǎn)，避免了冷凝損失。據(jù)測算，熱電聯(lián)產(chǎn)與熱電分產(chǎn)相比熱效率高30%，集中供熱比分散小鍋爐供熱效率高50%。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在北方采暖城市、南方工業(yè)園區(qū)及一些工業(yè)企業(yè)，都適合發(fā)展［1］。熱電聯(lián)產(chǎn)是國內(nèi)外公認(rèn)的節(jié)能減排的重要手段，是城市化發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是我國政府大力倡導(dǎo)的十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一。目前，全國擁有的在用小鍋爐約54萬多臺，“三北”地區(qū)約30億平米建筑面積仍采用分散供熱，因而發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的空間很大［2］。

對于大部分熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組來說，僅僅考慮了滿足最大供熱工況，并沒有考慮隨著外界環(huán)境溫度的變化所引起的供熱的變化;也有些機(jī)組雖然考慮了熱負(fù)荷的變化，可是并沒有考慮熱負(fù)荷的變化對于汽輪機(jī)發(fā)電功率的影響。對于大型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組來說，不僅需要研究供熱的某一部分，如熱用戶、熱網(wǎng)、供熱機(jī)，還需要把它們聯(lián)合起來系統(tǒng)的考慮;不僅需要考慮熱負(fù)荷的變化情況，也需要考慮電負(fù)荷的變化情況。根據(jù)不同的外界環(huán)境溫度，匹配不同的熱網(wǎng)參數(shù)，進(jìn)而確定合適的機(jī)組供熱抽汽參數(shù);根據(jù)不同的供熱抽汽參數(shù)，研究汽輪機(jī)的變化情況，確定其發(fā)電功率的變化，則需要進(jìn)行供熱機(jī)組的變工況計算。

在確定機(jī)組供熱抽汽參數(shù)之后，首先選定合理的基準(zhǔn)工況，利用特征通流面積和段效率不變原理［3］，確定出各段回?zé)岢槠膲毫挽手档?，再利用等效焓降法?］對整體熱力系統(tǒng)進(jìn)行計算，利用熱平衡和質(zhì)量守恒原理計算出各段回?zé)岢槠牧髁?。然后計算出汽輪機(jī)各段的段流量，與假設(shè)值相比較進(jìn)而得到真實(shí)段流量和各段回?zé)岢槠麉?shù)，進(jìn)而確定各段等效焓降和新蒸汽等效焓降，去除各種焓降損失之后得到機(jī)組的功率、汽耗率和熱耗率。

1 等效焓降法在變工況功率計算程序中的應(yīng)用原理

等效焓降法是基于熱力學(xué)的熱工轉(zhuǎn)換原理，既可用于整體熱力系統(tǒng)的計算，也可用于熱力系統(tǒng)的局部分析定量。等效焓降法不僅適用于凝汽式機(jī)組，同時也適用于供熱機(jī)組。如果把新蒸汽流量固定不變，則熱力系統(tǒng)中出現(xiàn)的任何影響經(jīng)濟(jì)性的變化，只是改變了汽輪機(jī)的功率和該變工況以后的供熱抽汽份額，各級抽汽流量不致全部變動。然而供熱機(jī)組的變工況則是指，主汽量不變，而熱負(fù)荷變化，供熱抽汽參數(shù)也隨之發(fā)生變化，從而影響汽輪機(jī)的做功。因此，就可以把等效焓降法應(yīng)用在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組變工況功率計算程序中。

1.1 供熱抽汽參數(shù)的確定

由于外界環(huán)境的變化引起室內(nèi)溫度的變化，為了滿足熱用戶的供熱要求，通過對熱網(wǎng)、熱網(wǎng)加熱器和供熱汽輪機(jī)熱力性能的分析計算，得到熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合特性［5］，如圖1所示。先通過熱用戶換熱器可計算出二次網(wǎng)供、回水溫度要求曲線。通過供熱站換熱器繼而計算出一次網(wǎng)供、回水溫度要求曲線。進(jìn)而根據(jù)熱網(wǎng)加熱器特性計算出供熱抽汽參數(shù)，再由低壓缸性能曲線聯(lián)立得到供熱機(jī)組聯(lián)合性能曲線，即可確定出供熱機(jī)組實(shí)際供熱抽汽參數(shù)和流量。

圖1 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供熱機(jī)組聯(lián)合性能曲線圖

1.2 特征通流面積不變原理

特征通流面積的概念是由徐大懋院士提出的，是根據(jù)弗留格爾公式變化得到，表征級組的通流能力，定義級組的特征通流面積F為

“0”表示級組前，“2”表示級組后，級組的概念是進(jìn)出口的流量相等。F為級組的重要特性參數(shù)，只要級組的幾何參數(shù)不改變，不論熱力參數(shù)如何變，F(xiàn)為常數(shù)，且正比于級組的通流能力。因此就可以根據(jù)額定工況求出各級組的特征通流面積F，已知變工況時某級組的初參數(shù)［6］，求出級組的出口壓力為

進(jìn)而確定該級組的出口參數(shù)即下一級組的入口參數(shù)，如此逐段進(jìn)行計算。

1.3 等效焓降法的具體應(yīng)用

在計算出各段抽汽壓力和抽汽焓之后，就可以用等效焓降法來進(jìn)行熱力系統(tǒng)的計算。具體計算公式如表1所示。

表1 等效焓降法重要計算公式

對于匯集式加熱器Ar=τr，對于疏水自流式加熱器，從i+1級知道匯集式加熱器Ar=rr，以后Ar=τr。表中的計算公式中i′(i+1)對于i+1級采用疏水泵表面式加熱器時為匯集后的熱焓。

在算出新蒸汽等效焓降之后，減去輔助循環(huán)附加成分和供熱抽汽做功損失，再加上部分成分做功增益，即可得到新蒸汽凈等效焓降，通過換算即可得到機(jī)組功率。

2 實(shí)例應(yīng)用

以哈爾濱汽輪機(jī)廠300 MW抽凝機(jī)組(其中主蒸汽流量為960 t/h，主蒸汽壓力為16.7 MPa，供熱抽汽壓力為0.49 MPa，供熱抽汽量為340 t/h)為例，根據(jù)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組聯(lián)合性能曲線首先由環(huán)境溫度確定出供熱抽汽參數(shù)，即供熱抽汽壓力和供熱抽汽量。進(jìn)而選定基準(zhǔn)工況，選定基準(zhǔn)工況的目的是為了計算出機(jī)組的各段特征通流面積和段效率，由特征通流面積和段效率不變原理可知，在進(jìn)行計算任何變工況的供熱機(jī)組的功率時，就可以帶入進(jìn)行計算。

2.1 各段抽汽參數(shù)的確定

確定各段抽汽參數(shù)是進(jìn)行熱平衡計算的基礎(chǔ)，為此在Excel上建立模型［7］，進(jìn)行各段抽汽的迭代計算，其中中壓缸各段參數(shù)計算流程圖［8］如圖2所示，高壓缸和低壓缸的計算流程和中壓缸同理。

2.2 段流量的確定

圖2 中壓缸計算流程圖

在算出各段抽汽參數(shù)之后，根據(jù)等效焓降法的原理，分別計算出1 kg給水焓升、抽汽放熱量、回?zé)峒訜崞魇杷式岛蜔峋W(wǎng)加熱器疏水焓升。再用熱平衡關(guān)系式計算出各段抽汽系數(shù)和抽汽量。進(jìn)而算出流經(jīng)各段的段流量［9］。算出的段流量和假設(shè)的段流量進(jìn)行比較，通過迭代求解，得到真實(shí)段流量。在算出段流量的同時，各段回?zé)岢槠麉?shù)也進(jìn)行了迭代計算，使得計算出的抽汽系數(shù)更加準(zhǔn)確。

2.3 機(jī)組段功率的計算及計算結(jié)果

由各段抽汽等效焓降計算公式可以得出各段抽汽等效焓降，再由抽汽效率公式計算出各段抽汽效率［10］。通過計算得出新蒸汽毛等效焓降，減去各漏汽做功損失和供熱抽汽做功損失，再加上循環(huán)水泵焓升增益、軸封冷卻器焓升增益和給水泵焓升增益，即得到新蒸汽凈等效焓降，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)功率，除去損失，得到機(jī)組電功率、汽耗率和熱耗率等參數(shù)［11］。計算結(jié)果分別如表2，表3所示。

表2 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組各段回?zé)岢槠嚓P(guān)指標(biāo)計算結(jié)果

表3 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組各項指標(biāo)計算結(jié)果

通過程序計算得出供熱抽汽壓力為0.49 MPa，供熱抽汽量為340 t/h下各段抽汽系數(shù)，即各段抽汽量和熱平衡圖中給出的各段抽汽流量的誤差在0.2%之內(nèi)。汽輪機(jī)熱平衡圖中給出的功率為264 006 kW，汽耗為 3.636 kg/kW·h，熱耗為6 408.1kJ/kW·h。由此可以看出，基于等效焓降法的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組變工況功率計算程序誤差也在0.2%之內(nèi)，表明計算程序正確可行。

2.4 不同供熱工況的計算結(jié)果及誤差

為了驗(yàn)證程序的準(zhǔn)確度，本文對不同供熱工況(工況一:340 t/h，0.49 MPa;工況二:340 t/h，0.45 MPa;工況三:200 t/h，0.49 MPa;工況四 200 t/h，0.45 MPa)進(jìn)行了計算，計算結(jié)果如表4所示?？梢娪嬎阏`差都在0.2%之內(nèi)，說明程序準(zhǔn)確可靠。

表4 不同供熱抽汽參數(shù)下變工況計算結(jié)果及誤差

3 結(jié)論

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組變工況功率計算程序是在Excel中建立模型，能比較方便快捷的計算出各個熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，并且計算結(jié)果比較精確，較常規(guī)熱量法和循環(huán)函數(shù)法在計算程序上簡單易懂，并且工作量不大。由于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組變工況功率計算程序比較少，本文用等效焓降法在Excel中編程，計算熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組變工況功率和其他熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，計算結(jié)果比較準(zhǔn)確。

［1］王振銘.熱電聯(lián)產(chǎn)的現(xiàn)狀及未來前景［N］.中國能源報，2011－6－16.

［2］胡玉清，馬先才.我國熱電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.黑龍江電力，2008，30(1):79－80.

［3］徐大懋，鄧德兵，王世勇，等.汽輪機(jī)的特征通流面積及弗留格爾公式改進(jìn)［J］.動力工程學(xué)報，2010，30(7):473－477.

［4］林萬超.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］楊勇平，林振嫻，何堅忍.熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中最佳冷源熱網(wǎng)加熱器的選擇方法［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，30(26):1－6.

［6］翟啟武.熱電聯(lián)產(chǎn)冷源領(lǐng)域節(jié)能研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2010，4.

［7］黃小兵，胥建群，周克毅，等.EXCEL在汽輪機(jī)變工況熱力核算中的應(yīng)用［J］.上海汽輪機(jī)，2002(2):49－52.

［8］閆順林，劉帥，李玉輝.汽輪機(jī)變工況優(yōu)化運(yùn)行模型的研究［J］.陜西電力，2009(7):24－27.

［9］李勇，張斯文，李慧.基于改進(jìn)等效熱降法的汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性診斷方法研究［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2009，51(5):333－337.

［10］張雄，胥建群.等效焓降法局部定量法的誤差分析［J］.能源研究與利用，2002，2.

［11］張才穩(wěn)，王聲遠(yuǎn).“等效焓降法”與常規(guī)熱平衡法一致性分析［J］.湖北電力，1999，3.