基于火電機(jī)組統(tǒng)一模型的汽輪機(jī)級(jí)組效率能耗分析

郭佳雷， 張 俍， 龐 樂(lè)

（1.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030；2.江蘇徐塘發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇 邳州 221300）

基于火電機(jī)組統(tǒng)一模型的汽輪機(jī)級(jí)組效率能耗分析

郭佳雷1， 張 俍2， 龐 樂(lè)1

（1.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030；2.江蘇徐塘發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇 邳州 221300）

以火電機(jī)組統(tǒng)一模型為基礎(chǔ)，以熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析基本方程為依據(jù)，結(jié)合汽輪機(jī)變工況計(jì)算模型，進(jìn)行了汽輪機(jī)級(jí)組內(nèi)效率變化對(duì)機(jī)組能耗影響的分析。以東汽1 000 MW機(jī)組為研究對(duì)象，計(jì)算機(jī)組在不同負(fù)荷下級(jí)組內(nèi)效率改變時(shí)機(jī)組的能耗影響，總結(jié)各級(jí)組內(nèi)效率對(duì)機(jī)組供電煤耗率影響的強(qiáng)弱順序及各缸級(jí)組內(nèi)效率對(duì)能耗影響隨機(jī)組負(fù)荷改變的變化規(guī)律，對(duì)火電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行有積極的指導(dǎo)意義。

汽輪機(jī)；變工況；級(jí)組效率；供電煤耗率；能耗分析

0 引言

汽輪機(jī)汽缸相對(duì)內(nèi)效率是反映汽缸通流部分性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)，汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)和機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中都將其作為一項(xiàng)重要的監(jiān)測(cè)參數(shù)來(lái)測(cè)量。當(dāng)缸效率變化時(shí)，往往需要進(jìn)一步測(cè)定級(jí)組的相對(duì)內(nèi)效率，并計(jì)算出級(jí)組效率變化引起的機(jī)組能耗變化值。此外，汽輪機(jī)通流部分進(jìn)行的技術(shù)改造也需要測(cè)定汽缸及級(jí)組的相對(duì)內(nèi)效率對(duì)機(jī)組能耗的影響，以便評(píng)價(jià)通流部分改造的經(jīng)濟(jì)性及安全性。

本文在閻順林教授提出的火電機(jī)組統(tǒng)一模型的基礎(chǔ)上[1，2]，以熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析基本方程為依據(jù)，結(jié)合汽輪機(jī)變工況計(jì)算，進(jìn)行了汽輪機(jī)級(jí)組內(nèi)效率變化對(duì)機(jī)組能耗影響的分析。并以東汽1 000 MW機(jī)組為研究對(duì)象，計(jì)算機(jī)組在不同工況下汽輪機(jī)級(jí)組內(nèi)效率變化對(duì)機(jī)組的能耗影響，總結(jié)得到各級(jí)組內(nèi)效率對(duì)機(jī)組煤耗影響的強(qiáng)弱順序及各缸級(jí)組內(nèi)效率對(duì)能耗影響隨機(jī)組負(fù)荷的變化規(guī)律。

1 級(jí)組效率對(duì)能耗影響的計(jì)算模型

1.1 統(tǒng)一物理模型

以能量平衡方程和質(zhì)量平衡方程為基礎(chǔ)，建立火電機(jī)組統(tǒng)一物理模型見(jiàn)圖1。其中，hii為第i個(gè)小汽輪機(jī)的排汽焓；hi為第i+1個(gè)小鍋爐的出口工質(zhì)焓；Qbi為第i個(gè)小鍋爐的輔助汽水熱量代數(shù)和；Di為汽輪機(jī)的第i級(jí)名義抽汽量；Dbi為第i個(gè)小鍋爐中工質(zhì)流量；Dti為第i個(gè)小汽輪機(jī)中參與做功的蒸汽流量。Gi為進(jìn)出第i級(jí)單元控制體水流量之和；hwi為進(jìn)出第i級(jí)控制體冷介質(zhì)的焓；Qli為進(jìn)入第i級(jí)控制體的名義加熱量；hij為第j級(jí)抽汽進(jìn)出第i級(jí)控制體的焓。在沒(méi)有特別說(shuō)明的情況下，本文中“小汽輪機(jī)”、“小鍋爐”均指統(tǒng)一模型中小汽輪機(jī)和小鍋爐模型。

圖1 火電機(jī)組統(tǒng)一模型

1.2 級(jí)組效率方程

在火電機(jī)組統(tǒng)一模型中，每個(gè)小汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率即汽輪機(jī)級(jí)組效率，任一小汽輪機(jī)i的相對(duì)內(nèi)效率ηi0為：

式中∶hi1，hi2，Δhit分別為基準(zhǔn)工況下小汽輪機(jī) i

進(jìn)、出蒸汽焓值和理想比焓降。

1.3 汽水分布方程

利用熱力學(xué)第一定律建立能量平衡式，得到通用汽水分布線性方程組[2]：

其中的每一個(gè)方程，例如第i個(gè)方程表示：1—i股抽汽在第i個(gè)加熱器中放熱量和進(jìn)出第i個(gè)加熱器輔助能量之和等于給水或凝結(jié)水在第i個(gè)加熱器中的焓升。其中，當(dāng)i＜j時(shí)，aij取值為0；當(dāng)i=j時(shí)，aij為單位抽汽放熱量；當(dāng)i〉j時(shí)，aij為單位疏水放熱量；τi為單位凝結(jié)水或給水焓升。

抽汽量的遞推解為：

1.4 循環(huán)吸熱量方程

循環(huán)吸熱量Q表示在機(jī)組的整個(gè)循環(huán)中，工質(zhì)從廣義鍋爐吸收的熱量，即：

1.5 汽輪機(jī)比內(nèi)功方程

汽輪機(jī)比內(nèi)功是機(jī)組在循環(huán)中，在各個(gè)小汽輪機(jī)中所做的比內(nèi)功之和，即：

1.6 小汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率變化對(duì)能耗影響

當(dāng)汽輪機(jī)級(jí)組效率ηri發(fā)生變化，分別由ηr1，等變?yōu)榈葧r(shí)，供電煤耗率bs也發(fā)生相應(yīng)的變化，由bs變?yōu)樽兓繛棣s。表示成多元函數(shù)的泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)形式為：

2 小汽輪機(jī)效率變化計(jì)算

以火電機(jī)組統(tǒng)一模型為基礎(chǔ)，以熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析基本方程為依據(jù)，采用基于熱力系統(tǒng)變工況理論的計(jì)算方法[3]，計(jì)算分析模型中小汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率對(duì)機(jī)組能耗的影響。

2.1 小汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率計(jì)算規(guī)定

令每個(gè)小汽輪機(jī)為一個(gè)級(jí)組。小汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率變工況計(jì)算遵循以下規(guī)定：

（1）級(jí)組效率變化時(shí)，主蒸汽流量D0等主蒸汽參數(shù)保持不變。

（2）各軸封及閥門的泄漏量以設(shè)計(jì)值為計(jì)算依據(jù)。

（3）各加熱器上下端差取設(shè)計(jì)值；抽汽壓損取設(shè)計(jì)值或運(yùn)行值。

（4）末級(jí)小汽輪機(jī)由于蒸汽參數(shù)變化引起溫度變化，效率也發(fā)生變化，可采用文獻(xiàn)[4]中的計(jì)算方法來(lái)確定。

2.2 小汽輪機(jī)進(jìn)出汽參數(shù)的確定

小汽輪機(jī)的通流能力決定于級(jí)組前后壓力，其關(guān)系滿足弗留格爾公式[5]?？捎筛チ舾駹柟接?jì)算出小汽輪機(jī)i的出汽參數(shù)，即小汽輪機(jī)i的出汽壓力

式中：pi1，pi2為基準(zhǔn)工況下小汽輪機(jī)i進(jìn)、出壓力；Di1為基準(zhǔn)工況下流經(jīng)小汽輪機(jī)i的蒸汽流量；Ti1為基準(zhǔn)工況下小汽輪機(jī)i的進(jìn)汽溫度。

2.3 給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽量的確定

給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽量Dx為：

式中：H是單位給水增加能量；hx為給水泵汽輪機(jī)的進(jìn)汽焓；hxc為給水泵汽輪機(jī)的排汽焓；ηx為給水泵汽機(jī)內(nèi)效率；ηp為給水泵效率；Gq為工質(zhì)流量。

2.4 凝汽器壓力的確定

對(duì)凝汽器變工況研究的目的是確定變工況后汽輪機(jī)的排汽壓力。汽輪機(jī)的排汽壓力與凝汽器內(nèi)主凝結(jié)區(qū)的蒸汽凝結(jié)溫度有著密切的聯(lián)系。蒸汽凝結(jié)溫度ts為：

式中：tw1為循環(huán)水入口溫度；Δt=520·（Dc/Dw）；凝汽器端差δt由雪格里雅耶夫提出的經(jīng)驗(yàn)公式求出。至此可以求出凝汽器壓力[6]：

3 各汽機(jī)級(jí)組相對(duì)內(nèi)效率對(duì)機(jī)組能耗影響分析

以東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N1000-25.0/600/600型汽輪機(jī)為研究對(duì)象，采用火電機(jī)組統(tǒng)一模型的方法計(jì)算在70%THA，50%THA，40%THA和THA滑壓工況下級(jí)組內(nèi)效率變化對(duì)機(jī)組能耗的影響。

3.1 1 000 MW超超臨界機(jī)組參數(shù)

N1000-25.0/600/600型汽輪機(jī)為一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)。鍋爐效率93%，管道效率99%，汽動(dòng)給水泵效率 83%，小汽機(jī)效率 81%；1—3段抽汽壓損為3%，4—8段抽汽壓損為5%；各基準(zhǔn)工況運(yùn)行參數(shù)如表1所示，加熱器端差設(shè)計(jì)值如表2所示。

表1 1 000 MW機(jī)組基準(zhǔn)工況運(yùn)行參數(shù)

表2 1 000 MW機(jī)組加熱器端差設(shè)計(jì)值

3.2 各級(jí)組效率變化對(duì)機(jī)組能耗的影響

在不同基準(zhǔn)工況下，各級(jí)組的內(nèi)效率單獨(dú)降低1%，求出單一級(jí)組效率變化對(duì)機(jī)組供電煤耗率的影響，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 級(jí)組的內(nèi)效率降低1%對(duì)供電煤耗率的影響

可以看出，各級(jí)組內(nèi)效率降低，機(jī)組供電煤耗率上升，但上升幅度有較大差異；高壓缸（級(jí)組1—2）、低壓缸（級(jí)組7—9）的級(jí)組效率變化對(duì)機(jī)組能效影響較強(qiáng)，中壓缸（級(jí)組3—6）級(jí)組效率變化對(duì)機(jī)組能效影響較弱；級(jí)組1由于做功量最大，對(duì)供電煤耗率的影響很大；級(jí)組7—9由于重?zé)嵯禂?shù)依次減小，級(jí)組內(nèi)效率變化對(duì)機(jī)組能效影響逐漸變強(qiáng)，其中，級(jí)組9位于膨脹過(guò)程線末端，重?zé)嵯禂?shù)為零，因此對(duì)能耗影響最強(qiáng)。

3.3 不同工況下各缸級(jí)組內(nèi)效率對(duì)機(jī)組能耗的影響

為比較不同工況下各缸的級(jí)組內(nèi)效率對(duì)機(jī)組煤耗率的影響，在不同工況下，把同一缸內(nèi)的所有級(jí)組內(nèi)效率改變相同的幅度，計(jì)算機(jī)組供電煤耗率的變化量。

圖3—5分別為40%THA，50%THA，70%THA及THA工況下HP（高壓缸）、IP（中壓缸）、LP（低壓缸）內(nèi)級(jí)組效率同步變化對(duì)機(jī)組供電煤耗率的影響圖線；圖6為各缸級(jí)組內(nèi)效率同步增加的能耗分析。

圖3 高壓缸內(nèi)效率同步變化對(duì)機(jī)組供電煤耗率的影響

圖4 中壓缸內(nèi)效率同步變化對(duì)機(jī)組供電煤耗率的影響

圖5 低壓缸內(nèi)效率同步變化對(duì)機(jī)組供電煤耗率的影響

圖6 不同工況下各缸級(jí)組效率變化對(duì)級(jí)組供電煤耗率影響對(duì)比

通過(guò)圖3—5可知，級(jí)組效率的能耗隨效率變化基本呈線性關(guān)系。低壓級(jí)組效率的能耗變化最大，THA工況下，LP級(jí)組7—9內(nèi)效率升高1%，機(jī)組供電煤耗率降低約1.106 g/kWh；高壓缸級(jí)組效率的能耗變化幅度次之，THA工況下，HP級(jí)組1—2內(nèi)效率升高1%，機(jī)組供電煤耗率降低約0.452 g/kWh；中壓缸級(jí)組效率的能耗變化最小，THA工況下，IP級(jí)組3—6內(nèi)效率升高1%，機(jī)組供電煤耗率降低約0.331 g/kWh。

隨機(jī)組負(fù)荷降低，高、低壓缸級(jí)組效率對(duì)機(jī)組能耗的影響逐漸增加，中壓缸級(jí)組效率對(duì)機(jī)組能耗的影響逐漸減?。坏拓?fù)荷時(shí)高壓缸級(jí)組效率對(duì)機(jī)組能耗的影響變化較快，高負(fù)荷時(shí)中壓缸級(jí)組效率對(duì)機(jī)組能耗的影響變化較快，低壓缸級(jí)組效率對(duì)機(jī)組能耗的影響隨機(jī)組負(fù)荷平穩(wěn)下降。

各缸級(jí)組內(nèi)效率同步增加對(duì)機(jī)組供電煤耗率的影響程度與各缸功率呈正相關(guān)。由于N1000-25.0/600/600型汽輪機(jī)的低壓缸功率最大，高壓缸次之，低壓缸最小，并且低壓缸位于機(jī)組末端，重?zé)嵯禂?shù)很小，因此低壓級(jí)組效率對(duì)機(jī)組能耗的影響最大，高壓缸級(jí)組次之，中壓缸級(jí)組最小。

4 結(jié)論

（1）分析汽輪機(jī)級(jí)組效率變化對(duì)機(jī)組的能耗影響時(shí)，將火電機(jī)組統(tǒng)一模型分析方法與基本方程相結(jié)合，得出40%THA，50%THA，70%THA和THA工況下級(jí)組內(nèi)效率變化時(shí)機(jī)組供電煤耗率的變化規(guī)律。

（2）級(jí)組效率對(duì)機(jī)組供電煤耗率的影響隨效率變化基本呈線性關(guān)系；級(jí)組內(nèi)效率降低，機(jī)組供電煤耗率上升；高壓缸、低壓缸級(jí)組效率變化對(duì)機(jī)組能效影響較強(qiáng)，中壓缸級(jí)組效率變化對(duì)機(jī)組能效影響較弱。因此，在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注低壓缸和高壓缸內(nèi)的級(jí)組效率，進(jìn)行主汽壓力和冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化，以提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

（3）各缸級(jí)組內(nèi)效率同步增加對(duì)機(jī)組供電煤耗率的影響程度與各缸功率呈正相關(guān)。隨機(jī)組負(fù)荷降低，高、低壓缸級(jí)組效率對(duì)機(jī)組能耗的影響逐漸增加，中壓缸級(jí)組效率對(duì)機(jī)組能耗的影響逐漸減小。因此，機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)更應(yīng)關(guān)注高、低壓缸級(jí)組效率，高負(fù)荷時(shí)加強(qiáng)中、低壓缸的性能檢測(cè)。

（4）雖然機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中參數(shù)波動(dòng)對(duì)機(jī)組能耗的影響更為復(fù)雜，但是在工程誤差允許范圍內(nèi)，本文提出的汽輪機(jī)各缸級(jí)組變化對(duì)機(jī)組供電煤耗率影響的分析模型可以用作機(jī)組各缸級(jí)組效率對(duì)機(jī)組能耗影響的定量及定性分析，并指導(dǎo)機(jī)組經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行。

[1]閻順林，郭佳雷.汽輪機(jī)熱力性能考核指標(biāo)的通用方程[J].熱能動(dòng)力工程，2009，24（1）∶65-67.

[2]閻順林，胡三高，徐鴻，等.火電機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性分析的統(tǒng)一物理模型和數(shù)學(xué)模型[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（23）∶37-41.

[3]閻順林，王俊友，李太興，等.汽輪機(jī)低壓缸排汽焓在線計(jì)算新模型的研究及應(yīng)用[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2007，35（4）∶84-86.

[4]林萬(wàn)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]曹祖慶.汽輪機(jī)變工況特性[M].北京∶水利電力出版社，1991.

[6]周蘭欣，張學(xué)鐳，陳素敏.凝汽器壓力應(yīng)達(dá)值的確定方法[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2002，44（3）∶149-151.

（本文編輯：徐 晗）

Analysis on Energy Consumption of Stage Group Efficiency of Steam Turbine Based on the Unified Model for Coal-fired Power Generating Units

GUO Jialei1，ZHANG Liang2，PANG Le1
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.Jiangsu Xutang Power Generation Co.，Ltd.，Pizhou Jiangsu 221300，China）

On the basis of the basic equations for economic analysis of thermodynamic system and in combination with unified model of coal-fired generating units，the paper analyzes influence of stage group efficiency change of steam turbine on energy consumption of the units.Taking 1 000 MW units produced by DFSTW as research object，the paper calculates the impact of efficiency change in stage group under different load on energy consumption of units and summarizes the sequence that how much the efficiency in stage group influences coal consumption rate as well as variation law that the impact of efficiency in stage group of cylinder on energy consumption varies in accordance to units load change，providing positive reference for economic and safe operation of coal-fired power generating units.

steam turbine；variable condition；stage group efficiency；coal consumption rate；energy consumption analysis

TK267

B

1007-1881（2015）12-0043-04

2015-06-30

郭佳雷（1983），男，工程師，從事汽輪機(jī)及相關(guān)輔機(jī)熱經(jīng)濟(jì)性研究。