影響燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐效率因素分析

楊倩玉，姜 陽，王 雷

(沈陽工程學院 能源與動力學院，遼寧 沈陽 110136)

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)是將燃氣輪機循環(huán)與蒸汽輪機循環(huán)相結(jié)合起來的一種效率更高的循環(huán)方式。余熱鍋爐是聯(lián)合循環(huán)電廠的關(guān)鍵設(shè)備之一，處于燃氣循環(huán)和蒸汽循環(huán)的交接點上，其效率對上游的燃氣輪機循環(huán)和下游的蒸汽輪機循環(huán)及聯(lián)合循環(huán)的整體效率都有較大的影響，因此分析余熱鍋爐運行參數(shù)與效率之間的關(guān)系對分析聯(lián)合循環(huán)的整體效率具有十分重要的意義[1-3]。

影響余熱鍋爐效率的熱力參數(shù)很多，包括燃氣輪機排煙溫度、節(jié)點溫差、接近點溫差等煙氣側(cè)參數(shù)，以及給水溫度、主蒸汽壓力及溫度、再熱蒸汽壓力及溫度等汽水側(cè)參數(shù)，這些參數(shù)對余熱鍋爐效率的影響程度是不同的。因此，分析余熱鍋爐效率對各熱力參數(shù)的敏感程度，找出對余熱鍋爐效率影響較大的熱力參數(shù)，對實現(xiàn)機組運行優(yōu)化和技術(shù)改造具有重要的技術(shù)參考價值。

1 三壓再熱余熱鍋爐熱效率計算模型

1.1 汽水系統(tǒng)熱力過程

三壓再熱蒸汽系統(tǒng)相對于單壓、雙壓蒸汽系統(tǒng)更加復雜，參數(shù)也要多很多，各個參數(shù)之間的聯(lián)系更加復雜。三壓再熱汽水系統(tǒng)是由高壓汽水系統(tǒng)和中低壓補汽系統(tǒng)組成，汽水系統(tǒng)熱力過程如圖1所示，對應的T-Q圖如圖2所示[4]。

1.2 余熱鍋爐效率計算模型

根據(jù)圖2，可以得到各個煙溫區(qū)的熱平衡式。

進入余熱鍋爐的煙氣溫度到高壓節(jié)點溫差對應的煙氣溫度，該煙氣溫區(qū)的熱平衡式為

Mrh(hrhh-hrhc)

(1)

圖1 三壓再熱汽水系統(tǒng)熱力過程

圖2 三壓再熱汽水系統(tǒng)T-Q圖

MsI(hs0I-hsatwI)+MsH(hsatwH-hwcH1)

(2)

中壓節(jié)點對應的煙氣溫度到低壓節(jié)點對應的煙氣溫度，該煙氣溫區(qū)的熱平衡式為

MsI(hsatwI-hwc′L)+MsH(hwcH1-hwc′L)

(3)

低壓節(jié)點對應的煙氣溫度到余熱鍋爐出口煙氣溫度，該煙氣溫區(qū)的熱平衡式為

Ms0I(hwc′L-hfw)+MsH(hwc′L-hfw)

(4)

配制化學鍍鎳溶液：六水合硫酸鎳30.00 g/L(換算成鎳的質(zhì)量濃度為6.701 g/L)，檸檬酸10 g/L，乳酸10 mL/L，次磷酸鈉36 g/L。吸取11份1 mL的化學鍍鎳溶液，分別置于300 mL燒杯中，加水80 mL稀釋，各加10%的二乙基二硫代氨基甲酸鈉溶液0.8 mL，然后用稀鹽酸或氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)成不同的pH，再向各燒杯中補加水至100 mL。沉淀60 min后用定量濾紙過濾，以原子吸收分光光度法測定各濾液中鎳的質(zhì)量濃度，結(jié)果列于表1。

(5)

(6)

2 實例計算

以1臺三壓再熱余熱鍋爐的汽水系統(tǒng)為例，利用熱效率計算模型，對余熱鍋爐熱力參數(shù)與效率之間的關(guān)系進行詳細地定量計算，找出余熱鍋爐效率隨各熱力參數(shù)變化的關(guān)系，并分析余熱鍋爐效率對各熱力參數(shù)的敏感程度，找到對鍋爐效率影響最大的熱力參數(shù)[5-9]。

2.1 燃氣輪機、余熱鍋爐、管道及汽輪機參數(shù)

燃氣輪機參數(shù)、余熱鍋爐參數(shù)、管道壓損與溫降參數(shù)、汽輪機參數(shù)如表1～表4所示。

表3中的Δph、Δth分別是從余熱鍋爐到高壓缸進口的壓損系數(shù)與溫降；δprh為高壓缸排汽到再熱器出口壓損系數(shù)；δprhc、Δtrhc為高壓缸排汽到再熱器進口的壓損系數(shù)與溫降。

表1 燃氣輪機參數(shù)(環(huán)境溫度t0=15 ℃)

表2 余熱鍋爐參數(shù)

表3 管道壓損與溫降參數(shù)

表4 汽輪機參數(shù)

2.2 計算結(jié)果及分析

2.2.1 汽水側(cè)參數(shù)對鍋爐效率的影響

1)高、中、低壓蒸汽溫度對鍋爐效率的影響

圖3為高壓蒸汽溫度對余熱鍋爐效率的影響，圖4為中壓蒸汽溫度對余熱鍋爐效率的影響，圖5為低壓蒸汽溫度對余熱鍋爐效率的影響。

圖3 高壓蒸汽溫度對余熱鍋爐效率的影響

圖4 中壓蒸汽溫度對余熱鍋爐效率的影響

由圖3、圖4、圖5可知，在高、中、低壓力范圍內(nèi)，余熱鍋爐的效率都隨著蒸汽溫度的升高而下降。由表5可知，在低壓狀態(tài)下，余熱鍋爐效率的敏感程度最大；中壓狀態(tài)下其次；高壓狀態(tài)下，余熱鍋爐效率的敏感程度最小，可忽略不計。

圖5 低壓蒸汽溫度對余熱鍋爐效率的影響

高壓范圍內(nèi)中壓范圍內(nèi)低壓范圍內(nèi)ΔηΔt0.000 412 380.003 356 4320.065 379 76

圖6 高壓蒸汽壓力對余熱鍋爐效率的影響

2)高、中、低壓蒸汽壓力對鍋爐效率的影響

圖6為高壓蒸汽壓力對余熱鍋爐效率的影響，圖7為中壓蒸汽壓力對余熱鍋爐效率的影響，圖8為低壓蒸汽壓力對余熱鍋爐效率的影響，表6為單位壓力的增加對效率的影響。

圖7 中壓蒸汽壓力對余熱鍋爐效率的影響

圖8 低壓蒸汽壓力對余熱鍋爐效率的影響

高壓范圍內(nèi)中壓范圍內(nèi)低壓范圍內(nèi)ΔηΔt4.557 675×10-51.260 382×10-51.799 402×10-5

由圖6、圖 7、圖8及表6可知，在高壓力范圍內(nèi)，余熱鍋爐的效率都隨著蒸汽壓力的升高而下降，且余熱鍋爐效率的敏感程度最大；在中、低壓狀態(tài)下，余熱鍋爐的效率都隨著蒸汽壓力的升高而升高，低壓狀態(tài)下其效率隨壓力升高而下降的幅度其次，中壓狀態(tài)下其效率隨壓力升高的幅度最小。

2.2.2 煙氣側(cè)參數(shù)對鍋爐效率的影響

圖9為高、中、低壓節(jié)點溫差對余熱鍋爐效率的影響。由圖9可知，在中壓狀態(tài)下，余熱鍋爐的效率隨著節(jié)點溫差的升高而逐漸上升；在高、低壓范圍內(nèi)余熱鍋爐的效率隨著節(jié)點溫差的升高而下降，且在低壓范圍內(nèi)效率的敏感程度最大。

圖10為高、中、低壓接近點溫差對余熱鍋爐效率的影響。由圖10可知，在高壓范圍內(nèi)，余熱鍋爐的效率與接近點溫差無關(guān)；在中壓范圍內(nèi)，余熱鍋爐的效率隨接近點溫差的升高而升高，但變化幅度不大；在低壓范圍內(nèi)，余熱鍋爐的效率隨著節(jié)點溫差的升高而下降，且敏感程度最大。

圖9 高、中、低壓節(jié)點溫差對余熱鍋爐效率的影響

圖10 高、中、低壓接近點溫差對余熱鍋爐效率的影響

2.2.3 上、下游循環(huán)參數(shù)對鍋爐效率的影響

圖11為上游循壞參數(shù)對余熱鍋爐效率的影響。由圖11可知，燃氣輪機的排氣溫度升高，則為余熱鍋爐提供的熱量增加，使得溫差增加則傳熱效率增加，余熱鍋爐吸入熱量使得爐內(nèi)的蒸汽升溫升壓，則余熱鍋爐的效率也隨之提高。

圖11 燃氣輪機排煙溫度對余熱鍋爐效率的影響

圖12 汽輪機排汽壓力對余熱鍋爐效率的影響

圖12為下游循壞參數(shù)對余熱鍋爐效率的影響。由圖12可知，隨著汽輪機排汽壓力的升高，余熱鍋爐外側(cè)的燃氣輪機排煙溫度的溫差降低，使余熱鍋爐傳熱效率降低，余熱鍋爐的效率也隨之降低。

3 結(jié) 論

以某三壓再熱燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組余熱鍋爐為研究對象，通過MATLAB計算數(shù)據(jù)得到余熱鍋爐效率隨各熱力參數(shù)變化關(guān)系曲線。由此可知，在高壓狀態(tài)下，余熱鍋爐效率隨壓力的升高而下降，且敏感程度最大；在低壓狀態(tài)下，余熱鍋爐效率隨溫度的升高而下降，且敏感程度最大。在低壓范圍內(nèi)，節(jié)點溫差和接近點溫差敏感程度最大。燃氣輪機排煙溫度及汽輪機排汽壓力對余熱鍋爐的效率也有一定的影響。通過調(diào)整這些敏感參數(shù)，深入挖掘?qū)е码姀S運行經(jīng)濟性下降的原因，為實現(xiàn)機組運行優(yōu)化和技術(shù)改造提供理論依據(jù)與技術(shù)參考。