以二氧化碳作介質(zhì)的冷凝汽輪機(jī)排汽的節(jié)能分析

劉國(guó)風(fēng)

（通化市誠(chéng)信建設(shè)工程監(jiān)理公司，吉林通化134003）

以二氧化碳作介質(zhì)的冷凝汽輪機(jī)排汽的節(jié)能分析

劉國(guó)風(fēng)

（通化市誠(chéng)信建設(shè)工程監(jiān)理公司，吉林通化134003）

以100MW高壓凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組為例，對(duì)采用以二氧化碳為介質(zhì)的帶膨脹機(jī)的排汽冷凝系統(tǒng)進(jìn)行了循環(huán)過(guò)程的熱力計(jì)算，得出這種系統(tǒng)通過(guò)二氧化碳膨脹機(jī)回收汽輪機(jī)排汽中的部分能量，不僅能夠減少汽輪機(jī)系統(tǒng)的冷源損失，還能減少冷卻水的消耗量，減少系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)力消耗，并與現(xiàn)在常用的汽輪機(jī)排氣冷卻水系統(tǒng)在熱效率、冷卻水用量、冷卻水系統(tǒng)用電量等方面進(jìn)行了對(duì)比分析。

二氧化碳；膨脹機(jī)；汽輪機(jī)；冷源損失

0 前言

汽輪機(jī)是火力發(fā)電廠的重要設(shè)備，在其他工業(yè)領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)汽輪機(jī)的排汽是進(jìn)入凝汽器中，被冷卻水冷卻成凝結(jié)水后再重新返回鍋爐進(jìn)行加熱。排汽中的凝結(jié)熱被冷卻水帶出凝汽器后通過(guò)冷卻塔排入到大氣中，從而產(chǎn)生汽輪機(jī)的冷源損失。汽輪機(jī)的冷源損失是大多數(shù)火力發(fā)電廠和工業(yè)用汽輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)能量損失中最大的一項(xiàng)，由此造成燃料的熱能利用率較低，同時(shí)冷卻汽輪機(jī)的排汽也消耗了大量的水資源和運(yùn)行動(dòng)力。如何減少汽輪機(jī)的冷源損失和排汽冷卻水的消耗量，降低水資源對(duì)火力發(fā)電的制約是熱力工作者一直思考的問(wèn)題。本文對(duì)以二氧化碳作冷卻介質(zhì)的帶膨脹機(jī)的汽輪機(jī)排汽冷凝系統(tǒng)進(jìn)行了基本的熱力計(jì)算和節(jié)能分析，希望對(duì)解決上述問(wèn)題有所幫助。

1 循環(huán)流程描述

以二氧化碳作冷卻介質(zhì)的帶膨脹機(jī)的汽輪機(jī)排汽冷凝系統(tǒng)如圖1所示，壓—焓圖如圖2。汽輪機(jī)排汽進(jìn)入汽輪機(jī)排汽凝汽器后，通過(guò)管束向管束內(nèi)相對(duì)溫度較低的液態(tài)二氧化碳放熱，而后凝結(jié)成水排出汽輪機(jī)排汽凝汽器。管束內(nèi)的液態(tài)二氧化碳吸熱后溫度升高氣化，進(jìn)而溫度進(jìn)一步升高，變成過(guò)熱狀態(tài)的氣態(tài)二氧化碳，之后排出汽輪機(jī)排汽凝汽器，進(jìn)入二氧化碳膨脹機(jī)中膨脹做功，膨脹功回收利用以提高系統(tǒng)的熱效率，減少系統(tǒng)的冷源損失。氣態(tài)二氧化碳膨脹做功后，溫度、壓力、比焓都相應(yīng)降低，而后進(jìn)入二氧化碳冷凝器中，在這里被相對(duì)溫度較低的冷卻水或空氣冷凝成液態(tài)二氧化碳，再被二氧化碳加壓泵加壓后重新進(jìn)入汽輪機(jī)排汽凝汽器中進(jìn)行循環(huán)。由于二氧化碳膨脹做功后，將從汽輪機(jī)排汽中吸收的部分熱量以功的形式放出，比焓降低，所以在二氧化碳冷凝器中所需要的冷卻水量比直接用冷卻水去冷凝汽輪機(jī)排汽所需要的冷卻水量要少，因而減少了冷卻水消耗量，冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行動(dòng)力也相應(yīng)減少。此循環(huán)過(guò)程中，控制的關(guān)鍵參數(shù)是膨脹機(jī)排汽后二氧化碳冷凝器前的二氧化碳的溫度和壓力，溫度應(yīng)在30℃左右，壓力在7．213 7MPa，因?yàn)橹挥性诖藚?shù)下，二氧化碳才可能被正常氣溫下的冷卻水冷凝，并且此時(shí)二氧化碳接近臨界狀態(tài)，凝結(jié)熱比較小，消耗的冷卻水量也相應(yīng)較少，偏離這兩個(gè)參數(shù)，系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性就會(huì)減少，甚至不可能運(yùn)行。下面的計(jì)算和分析也是以此參數(shù)為基準(zhǔn)進(jìn)行推導(dǎo)和計(jì)算的，在此加以說(shuō)明。

圖1 系統(tǒng)流程圖

2 系統(tǒng)循環(huán)熱力計(jì)算

2．1 系統(tǒng)計(jì)算說(shuō)明

本計(jì)算以某100MW高壓凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組為例進(jìn)行計(jì)算。該機(jī)組進(jìn)口蒸汽溫度為535℃，壓力為8．82MPa，原系統(tǒng)出口蒸汽溫度為40℃，壓力為7．384 9kPa。為了提高二氧化碳的吸熱能力和做功能力，減少二氧化碳和冷卻水的循環(huán)量，將采用以二氧化碳為介質(zhì)的排汽冷凝系統(tǒng)，出口蒸汽溫度提高到95℃，壓力為84．6kPa（注：在實(shí)際應(yīng)用中，可以采取兩種方法，一是將汽輪機(jī)排汽溫度提高到100℃以上，使凝汽器汽側(cè)處于微正壓狀態(tài)，這樣可以取消凝汽器的抽真空系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，但需對(duì)汽輪機(jī)低壓部分進(jìn)行改造；二是將汽輪機(jī)排汽溫度提高到80℃，出凝汽器二氧化碳溫度為70℃左右，汽輪機(jī)低壓部分不必進(jìn)行改造，這樣既可以在夏季用水進(jìn)行冷卻，也可以在冬季用二氧化碳進(jìn)行冷卻）。為方便計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)循環(huán)作如下假設(shè)：1）忽略二氧化碳在管路、凝汽器、冷凝器中的阻力損失，阻損耗能在二氧化碳加壓泵處統(tǒng)一考慮；2）忽略二氧化碳在管路中的散熱損失；3）汽輪機(jī)出口蒸汽濕度按0．1計(jì)算；4）現(xiàn)階段大型空氣系統(tǒng)的空氣膨脹機(jī)和壓縮天然氣系統(tǒng)的天然氣膨脹機(jī)的等熵效率都在0．85［1－3］以上，高爐煤氣TRT發(fā)電系統(tǒng)中高爐煤氣膨脹機(jī)的等熵效率在0．83［1］以上，由于缺少大型二氧化碳膨脹機(jī)的等熵效率資料，參考以上數(shù)據(jù)，本文中二氧化碳膨脹機(jī)的等熵效率按0．8進(jìn)行計(jì)算，此值偏于保守，但可以彌補(bǔ)計(jì)算中未考慮因素和有關(guān)計(jì)算不準(zhǔn)確所產(chǎn)生的能量損失，使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際；5）二氧化碳加壓泵的效率按0．70進(jìn)行計(jì)算；6）二氧化碳的等熵指數(shù)按二氧化碳在壓力等于10MPa，溫度在25～100℃之間的平均值計(jì)取，取K＝1．428［1］，該數(shù)據(jù)未能精確計(jì)取，它將影響二氧化碳加壓泵出口壓力的計(jì)算和焓值的大小，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù)，在此予以說(shuō)明；7）加壓泵出口壓力按以下公式進(jìn)行推算：ΔT＝T1［1－（p2／p1）（k－1）／k］，結(jié)果見(jiàn)表1～2，這里不再計(jì)算。二氧化碳各點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表1，汽輪機(jī)進(jìn)出口蒸汽和凝結(jié)水參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 系統(tǒng)壓—焓示意圖

表1 二氧化碳參數(shù)表［4］

表2 水和水蒸氣參數(shù)表［4］

2．2 系統(tǒng)性能指標(biāo)計(jì)算

2．2．1 汽輪機(jī)出口t＝95℃時(shí)的排汽凝結(jié)熱

2．2．2 求二氧化碳質(zhì)量流量

2．2．3 求膨脹機(jī)輸出功量

2．2．4 求循環(huán)水量

2．2．5 求二氧化碳循環(huán)泵耗功量

式中：1．15為考慮管道損失而取的系數(shù)；H＝p／（ρg）＝（12．88－7．21）×106／［（593．31＋821．64）× 9．81／2］＝817m。

2．2．6 求二氧化碳系統(tǒng)循環(huán)凈輸出功量

2．2．7 求二氧化碳系統(tǒng)獨(dú)立循環(huán)的熱效率

2．2．8 二氧化碳系統(tǒng)獨(dú)立循環(huán)的冷源損失

系統(tǒng)冷源損失量＝m1×（h3－h(huán)4）＝929．70kJ／kg；系統(tǒng)冷源損失率＝929．70／204 2．57＝0．455 2。

從以上計(jì)算可以看出，二氧化碳獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)的熱效率比較低，主要原因是二氧化碳的臨界溫度在31℃附近，為保證常溫狀態(tài)下的冷卻水能將二氧化碳冷凝，膨脹機(jī)出口二氧化碳溫度不能太低，否則將難以被常溫水冷凝，因此降低了二氧化碳的做功區(qū)間，致使系統(tǒng)的熱效率比較低。同時(shí)控制二氧化碳在接近臨界狀態(tài)下進(jìn)行冷凝也是為降低二氧化碳的凝結(jié)熱，降低系統(tǒng)的冷源損失，減少冷卻水用量。因?yàn)槿绻苟趸荚谂R界狀態(tài)下進(jìn)行冷凝，凝結(jié)熱為0，理論上冷源損失為0，冷卻水用量也相應(yīng)為0，但上面計(jì)算由于是二氧化碳在接近臨界狀態(tài)下進(jìn)行冷凝而不是臨界狀態(tài)，冷源損失仍達(dá)45%左右，冷卻水用量還是比較大的。另外，本計(jì)算中膨脹機(jī)出口二氧化碳是按過(guò)熱狀態(tài)進(jìn)行考慮的，在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)適當(dāng)提高膨脹機(jī)出口二氧化碳的壓力，采用帶液膨脹機(jī)或全液膨脹機(jī)，則可進(jìn)一步減少冷卻水消耗量甚至不用冷卻水，這樣節(jié)水效益會(huì)更加可觀，同時(shí)還可以增加膨脹機(jī)的做功區(qū)間，提高膨脹機(jī)的做功能力。因此，提高二氧化碳獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)熱效率的主要手段：一是盡量使二氧化碳在臨界狀態(tài)下進(jìn)行冷凝，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的冷源損失；二是可以采用帶液膨脹機(jī)或全液膨脹機(jī)，減少冷卻水溫度對(duì)膨脹機(jī)出口二氧化碳溫度的制約，增加二氧化碳的做功區(qū)間；同時(shí)，提高膨脹機(jī)和加壓泵的效率，盡量縮短管道長(zhǎng)度，減少節(jié)流管件，減少管道阻力損失，這些也是提高系統(tǒng)熱效率的有效手段。

3 系統(tǒng)節(jié)能分析

以采用二氧化碳作冷卻介質(zhì)的帶膨脹機(jī)的冷凝系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱為新系統(tǒng)）與出口蒸汽溫度為40℃，壓力為7．38 49kPa的原系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，分析時(shí)不考慮蒸氣的回?zé)岷驮贌?。汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率按ηoe＝ηoiηm＝0．87×0．99＝0．86取值。

3．1 節(jié)能分析

1）原系統(tǒng)汽輪機(jī)出口蒸汽焓值為h6′＝h2′×0．9＋h3′×0．1＝2 573．15×0．9＋167．53×0．1＝2 332．59kJ／kg。

2）原系統(tǒng)凈輸出功為w4＝（h1′－h(huán)6′）×ηoe＝（3 476．81－2 332．59）×0．86＝984．03kJ／kg。

3）原系統(tǒng)的熱效率為η2＝w4／（h1′－h(huán)3′）＝984．03／（3 476．81－167．53）＝0．297 4（因未考慮回?zé)岷驮贌?，所得系統(tǒng)的熱效率較低，實(shí)際情況比此值要高）。

4）原系統(tǒng)的冷源損失率為γ2／（h1′－h(huán)3′）＝2 405．98×0．9／（3476．81－167．53）×100%＝65．43%。

5）新系統(tǒng)汽輪機(jī)出口蒸汽焓值為h7′＝h4′×0．9＋h5′×0．1＝2 667．61×0．9＋398．09×0．1＝2 440．66kJ／kg。

6）新系統(tǒng)凈輸出功為w5＝（h1′－h(huán)7′）×ηoe＋w3＝（3 476．81－2 440．66）×0．86＋412．79＝1 303．88kJ／kg。

7）新系統(tǒng)的熱效率為η3＝w5／（h1′－h(huán)5′）＝1 303．88／（3 476．81－398．09）＝0．423 5。

8）新系統(tǒng)的冷源損失率為（γ1－w3／ηoe）／（h1′－h(huán)5′）＝（2 042．57－412．79／0．86）／（3 476．81－398．09）×100%＝50．75%。

在輸出功相同的情況下，新系統(tǒng)比原系統(tǒng)節(jié)約燃料為（1－η2／η3）×100%＝29．8%，冷源損失減少（65．43%－50．75%）＝14．68%，節(jié)能效果還是比較顯著的。對(duì)一臺(tái)100MW的發(fā)電機(jī)組，在上述參數(shù)下，原系統(tǒng)汽輪機(jī)蒸汽消耗量為365．84t／h，新系統(tǒng)汽輪機(jī)蒸汽消耗量為276．10t／h，膨脹機(jī)輸出功率＝276．10×1 000÷3 600×549．51＝42MW，按鍋爐效率90%，管道效率98%，發(fā)電機(jī)效率98%，一年運(yùn)行7 000h計(jì)算，在與原系統(tǒng)輸出功相同的情況下，則每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約99 400t，這里不再細(xì)算。順便說(shuō)一下，對(duì)于壓水堆核電站，由于汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽壓力和溫度都比較低，蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)的焓降也比較低，因此采用這種系統(tǒng)后節(jié)能效益會(huì)更大，低壓缸部分流通的蒸汽全程凈輸出功可增加60%左右，以進(jìn)入高壓缸的蒸汽量為基準(zhǔn)，凈輸出功可增加30%左右，同時(shí)，汽輪機(jī)低壓缸排汽溫度提高后，還可降低汽輪機(jī)排汽的蒸汽濕度，延長(zhǎng)汽輪機(jī)的使用壽命。

3．2 節(jié)水分析

1）汽輪機(jī)出口t＝40℃時(shí)的排汽凝結(jié)熱為

γ2＝2 405．98×0．9＝2 165．38kJ／kg。

2）原系統(tǒng)循環(huán)冷卻水用量為m3＝γ2／（cΔt）＝2 165．38／（4．187×8）＝64．64kg／kg。

在與原系統(tǒng)輸出功相同的情況下，原系統(tǒng)耗水量為（365．84×64．64）＝23 648t／h，新系統(tǒng)耗水量為（276．10×44．40）＝12 259t／h，比原系統(tǒng)少耗水（23 648－12 259）＝11 389t／h，新系統(tǒng)比原系統(tǒng)節(jié)水率＝（11 389／23 648）×100%＝48．1%。對(duì)一臺(tái)同上條件的100MW發(fā)電機(jī)組，在與原系統(tǒng)輸出功相同的情況下，按循環(huán)水泵揚(yáng)程為21m，機(jī)組一年運(yùn)行7 000h計(jì)算，則每年可減少循環(huán)水量為（11 389×7 000）＝7 972．3萬(wàn)t，減少補(bǔ)給水量約159萬(wàn)t，減少循環(huán)水泵用電量579萬(wàn)kw·h。如果考慮燃料供應(yīng)系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)以及鍋爐給水系統(tǒng)的運(yùn)行動(dòng)力也相應(yīng)減少，則節(jié)省用電量會(huì)更加可觀。

4 結(jié)語(yǔ)

如果具備適宜的氣候條件，能夠精確控制二氧化碳的冷凝溫度和壓力，采用性能優(yōu)良的膨脹機(jī)和加壓泵，采用以二氧化碳作介質(zhì)的汽輪機(jī)排汽冷凝系統(tǒng)，使二氧化碳在臨界溫度附近冷凝，可以明顯提高機(jī)組的熱效率，降低汽輪機(jī)排汽的冷卻水消耗量，減少機(jī)組的運(yùn)行動(dòng)力消耗，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。對(duì)于以海水作為冷卻水的濱海熱電廠和原子能發(fā)電廠，由于天然海水溫度比較低，可以穩(wěn)定的對(duì)處于臨界溫度下的二氧化碳進(jìn)行冷凝，因此更具有實(shí)用意義。

［1］全國(guó)勘查設(shè)計(jì)注冊(cè)工程師公用設(shè)備專業(yè)管理委員會(huì)秘書(shū)處．全國(guó)勘查設(shè)計(jì)注冊(cè)公用設(shè)備工程師動(dòng)力專業(yè)考試復(fù)習(xí)教材［M］．3版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

［2］陳光明，陳國(guó)邦．制冷與低溫原理［M］．2版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

［3］江楚標(biāo)．透平膨脹機(jī)發(fā)展與動(dòng)態(tài)［J］．深冷技術(shù)，2001（5）：1－9．

［4］AP1700．物質(zhì)物性在線計(jì)算與查詢平臺(tái)［S／OL］．［2016－06－01］．http：www．a(chǎn)p1700．com／Matclassl／．htm．

The Energy Saving Analysis to Condenses Turbine Steam Exhausting Based on Carbon Dioxide as Media

LIU Guo－feng
（Tonghua Chengxin City Construction Project Superuision Company，Tonghua Jilin 134003，China）

Take the 100MW high－pressure steam turbine generator as example，calculation of thermodynam－ic cycle has been made to exhausting condensed system in expander based on carbon dioxide as media．The results show that this system is to recycle part of the exhausting energy in steam turbine by carbon dioxide expander．It can not only decrease the cold source loss in steam turbine，but also decreases cooling water consumption and the dynamics exhausting during the running of this system．The paper has also made an a comparison and analysis to the thermal efficiency，the amount of cooling water，cooling water system power consumption，and so on in frequently－used steam－exhausting and water－cooling system．

carbon dioxide；expander；steam turbine；cold source loss

TK269．1

A

1009－8984（2016）02－0060－04

10．3969／j．issn．1009－8984．2016．02．014

2016－01－20

劉國(guó)風(fēng)（1968－），男（漢），吉林通化，工程師主要研究熱能工程與管理。