基于分析的背壓式機(jī)組的性能指標(biāo)探索

蔡小燕，楊紅霞

(上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海 200240)

熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目在供熱供電產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)以及節(jié)能減排方面具有巨大潛能，各國(guó)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的裝機(jī)容量在發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量中的比例正逐步提高。文獻(xiàn)[1]明確規(guī)定熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目應(yīng)優(yōu)先采用背壓式汽輪機(jī)機(jī)組，并提出了鼓勵(lì)發(fā)展背壓式熱電機(jī)組的相應(yīng)支持政策。在此背景下，采用背壓式汽輪機(jī)的新建熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目如何確定進(jìn)汽參數(shù)，如何進(jìn)行不同方案的橫向比較是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)電廠都基于熱量法計(jì)算汽輪機(jī)側(cè)熱耗率、總熱效率和煤耗率。針對(duì)煤耗率指標(biāo)，不同熱電分?jǐn)偡ㄓ?jì)算出來(lái)的發(fā)電煤耗率及供熱煤耗率差異較大，因此如何確定熱電分?jǐn)偙?，一直有很大的?zhēng)議[2]。

本文以采用純背壓式汽輪機(jī)的熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目為例，基于熱量法進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)熱耗、總熱效率、總煤耗率無(wú)法體現(xiàn)背壓式汽輪機(jī)通流效率提高和進(jìn)汽參數(shù)提高帶來(lái)的全廠性能收益。本文分析煤耗率時(shí)，嘗試基于熱量法及方法來(lái)計(jì)算總煤耗率指標(biāo)，不進(jìn)行熱電分?jǐn)偅荚趯で蟾鼮楹侠淼臒峤?jīng)濟(jì)指標(biāo)。然后基于方法提出了汽輪機(jī)耗、總效率及總煤耗率3個(gè)指標(biāo)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這3個(gè)指標(biāo)能夠準(zhǔn)確評(píng)估汽輪機(jī)及全廠的性能水平。本文的分析可以為熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目?jī)?yōu)化提供指導(dǎo)，給相關(guān)工程應(yīng)用提供一些參考。

1 熱量法

基于熱力學(xué)第一定律的熱量法，是一種單純的汽水流量平衡和能量平衡的方法，原理簡(jiǎn)單易懂，至今仍在廣泛應(yīng)用[2]。特別是在凝汽式電站中，通常通過(guò)計(jì)算汽輪機(jī)熱耗、全廠熱效率等來(lái)評(píng)價(jià)汽輪機(jī)及電廠的熱經(jīng)濟(jì)性。目前國(guó)內(nèi)熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)比較多，本文將采用汽輪機(jī)熱耗、總熱效率(燃料利用系數(shù))、總煤耗率這3個(gè)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行汽輪機(jī)和全廠的熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)[3-4]。

對(duì)于純背壓式機(jī)組，汽輪機(jī)熱耗q0的計(jì)算如下：

q0=[(D0×h0-Dgs×hgs)-(Dpq×hpq-

Dhs×hhs)]·(3 600Pe)-1

(1)

式中：q0為熱耗，kJ/(kW·h)；Pe為發(fā)電機(jī)端功率，kW；D0為主蒸汽流量，kg/s；Dgs為鍋爐給水流量，kg/s；Dpq為排汽供熱蒸汽流量，kg/s；Dhs為供熱回水流量，kg/s；h0為主蒸汽比焓，kJ/kg；hgs為鍋爐給水比焓，kJ/kg；hpq為排汽供熱蒸汽比焓，kJ/kg；hhs為供熱回水比焓，kJ/kg。

對(duì)于純背壓式機(jī)組，總熱效率及總煤耗率的計(jì)算方法如下：

(2)

Qfuel=B×q

(3)

(4)

式中：ηtp為總熱效率；Qfuel為鍋爐燃料的熱量，kW，B為機(jī)組的總的煤耗量，kg/s，q為燃料的低位發(fā)熱量，kJ/kg，b為機(jī)組的總煤耗率，g/(kW·h)。

對(duì)于純背壓機(jī)組，排汽被用來(lái)供熱，所含能量并沒(méi)有作為損失離開(kāi)電站，機(jī)組無(wú)冷源損失。從公式(1)可以看出，當(dāng)汽輪機(jī)缸效率提高時(shí)，汽輪機(jī)做功能力增加，這同時(shí)導(dǎo)致排汽供熱焓降低，從而造成該公式中分子分母均提高，最終導(dǎo)致熱耗差異并不明顯，可見(jiàn)用熱耗來(lái)進(jìn)行汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性考核并不合理。

將鍋爐、汽輪機(jī)、回?zé)嵯到y(tǒng)看成一個(gè)系統(tǒng)，基于能量守恒定律，扣除鍋爐效率、管道效率、汽輪機(jī)側(cè)漏汽、發(fā)電機(jī)效率、機(jī)械損失等因素帶來(lái)的能量損失，系統(tǒng)其他能量全部用來(lái)生成熱及電兩種產(chǎn)品，所以ηtp及b僅能體現(xiàn)燃料能量在數(shù)量上的有效利用程度，即反映高效率的大鍋爐取代低效率的小鍋爐進(jìn)行供熱帶來(lái)的全廠收益，而無(wú)法反映熱電聯(lián)廠項(xiàng)目的真實(shí)能量利用水平。

對(duì)于抽汽背壓機(jī)組，3個(gè)指標(biāo)的計(jì)算方法和公式(1)～(4)類似，只需要在分母上考慮抽汽提供的熱量，所以問(wèn)題和背壓式機(jī)組一致，熱耗和總熱效率指標(biāo)無(wú)法體現(xiàn)汽輪機(jī)及全廠的真實(shí)性能水平。

熱量法基于熱力學(xué)第一定律，僅能反映能量的“量”，不能反映能量的“質(zhì)”。而方法基于熱力學(xué)第二定律，考慮能量利用的方向性，能夠客觀全面地反映能量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中的真實(shí)利用情況[5]。

e=h-h0-T0(s-s0)

(5)

E=e·D

(6)

式中：e為比，即單位質(zhì)量穩(wěn)流工質(zhì)的，kJ/kg；h為工質(zhì)的比焓，kJ/kg；T0為環(huán)境溫度，K；h0為環(huán)境的比焓，kJ/kg；s0為環(huán)境的熵，kJ/(kg·K)；s為工質(zhì)的熵，kJ/(kg·K)；E為穩(wěn)流工質(zhì)的量，kW；D為穩(wěn)流工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s。

qe=[(D0×e0-Dgs×egs)-(Dpq×epq-

Dhs×ehs)]·(3 600Pe)-1

(7)

式中：qe為耗，kJ/(kW·h)；e0為主蒸汽比，kJ/kg；egs為鍋爐給水比，kJ/kg；epq為排汽供熱蒸汽比，kJ/kg；ehs為供熱回水比，kJ/kg。

(8)

Efuel=B×ef

(9)

(10)

式中：ηtpe為總效率；Efuel為鍋爐燃料的量，kW；ef為燃料的比；kJ/kg；be為機(jī)組基于方法的總煤耗率，g/(kW·h)。

從背壓式機(jī)組的3個(gè)指標(biāo)的計(jì)算公式可以看出，蒸汽參數(shù)不同，其比大小也不一樣，排汽供熱蒸汽相對(duì)環(huán)境的做功能力降低，其比也降低，方法體現(xiàn)了熱和電兩種產(chǎn)品的差異。抽背機(jī)組汽輪機(jī)耗、總效率、總煤耗率的計(jì)算方法類似，在分母上考慮抽汽帶來(lái)的量變化即可。

3 案例介紹

某熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，要求1臺(tái)純背壓式汽輪機(jī)機(jī)組實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，排汽供熱壓力為1.6 MPa，排汽量約350 t/h，排汽溫度約300 ℃，汽輪機(jī)配2臺(tái)高壓加熱器和1臺(tái)除氧器，給水溫度約225 ℃，排汽供熱后回水補(bǔ)至除氧器，回水溫度為44 ℃。該項(xiàng)目以熱定電，其熱力系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 某熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目熱力系統(tǒng)圖

針對(duì)該項(xiàng)目，在滿足供熱要求的前提下，本文做了6個(gè)方案：

1)常規(guī)次高壓參數(shù)為4.9 MPa、435 ℃，汽輪機(jī)缸效率為78.9%；

2)在方案1的基礎(chǔ)上進(jìn)行通流優(yōu)化，將缸效率提升至82.8%；

3)常規(guī)高壓進(jìn)汽參數(shù)為8.83 MPa、535 ℃，汽輪機(jī)缸效率為82.8%；

4)在方案3的基礎(chǔ)上進(jìn)行汽輪機(jī)通流優(yōu)化，將缸效率提升至85.4%；

5)將進(jìn)汽參數(shù)提升至10 MPa、565 ℃；

6)進(jìn)一步將進(jìn)汽參數(shù)提升至12 MPa、600 ℃。

為了準(zhǔn)確比較進(jìn)汽參數(shù)帶來(lái)的性能水平的變化，將方案4、方案5、方案6的汽輪機(jī)缸效率保持在一致水平。熱力設(shè)計(jì)完成后，各方案的熱力參數(shù)如表1所示，其中進(jìn)汽量均為489 t/h，供熱量各方案稍有差異。因進(jìn)汽參數(shù)及缸效率的影響，各方案下的排汽溫度也稍有不同。

表1 不同方案下的熱力參數(shù)

4 案例分析

案例分析時(shí)假定鍋爐效率為0.9，管道效率為0.99，燃煤為標(biāo)煤，其低位發(fā)熱量為29 270 kJ/kg，假設(shè)環(huán)境參數(shù)為20 ℃、0.101 325 MPa。鍋爐燃煤量基于熱量法，根據(jù)鍋爐效率、管道效率、煤的熱值進(jìn)行計(jì)算。分析計(jì)算時(shí)將鍋爐、汽輪機(jī)、回?zé)嵯到y(tǒng)看成一個(gè)系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)的輸入為燃料能量輸入，輸出為發(fā)電機(jī)功率及排汽供熱能量，其排汽供熱能量假設(shè)得到100%利用，暫不考慮給水泵耗功及其他廠用電，并將漏汽、發(fā)電機(jī)損失、機(jī)械損失均視為系統(tǒng)內(nèi)部損失。

根據(jù)公式(1)、公式(2)、公式(4)、公式(7)、公式(8)和公式(10)，基于兩種方法，計(jì)算6個(gè)方案下的熱耗、耗、總熱效率、總效率及總煤耗率，如圖2至圖4所示。

表2 熱量及量的計(jì)算結(jié)果

圖2 各方案下熱耗及耗

圖3 各方案下的總熱效率和總效率

圖4 兩種方法下各個(gè)方案的總煤耗率

從圖2可以看出，方案1和方案2由于缸效率從78.9%提高到82.8%，汽輪機(jī)熱耗幾乎無(wú)變化，汽輪機(jī)耗降低了3.1%；方案3和方案4缸效率從82.8%提高到85.4%，汽輪機(jī)熱耗幾乎無(wú)變化，汽輪機(jī)耗降低了2%，可見(jiàn)熱耗無(wú)法反映相同進(jìn)汽參數(shù)及供熱要求下汽輪機(jī)缸效率提高帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)收益，而耗可以對(duì)此進(jìn)行明顯反映。

從圖2的方案4、方案5、方案6可以看出，在汽輪機(jī)缸效率一致的情況下，隨著蒸汽參數(shù)的提高，汽輪機(jī)的熱耗也呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，下降幅度相對(duì)較小，而耗呈現(xiàn)的下降趨勢(shì)更為明顯，當(dāng)主蒸汽參數(shù)從8.83 MPa、535 ℃提高至10 MPa、565 ℃時(shí)，在汽輪機(jī)缸效率不變的情況下，其耗降低約1.2%。由此可以看出耗可以更顯著地體現(xiàn)進(jìn)汽參數(shù)提高帶來(lái)的汽輪機(jī)性能的提升。

從圖3及圖4可以看出，6個(gè)方案下當(dāng)汽輪機(jī)缸效率和進(jìn)汽參數(shù)提高時(shí)，總熱效率為93.2%～93.5%，總煤耗為131.6～131.9g/(kW·h)，差別很小，可見(jiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目中采用基于熱量法的總熱效率、總煤耗無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)汽輪機(jī)通流效率變化、蒸汽參數(shù)提高帶來(lái)的全廠性能收益，這也是國(guó)內(nèi)采用熱電分?jǐn)偡ㄓ?jì)算發(fā)電煤耗率及供熱煤耗率的重要原因。而總效率從36.27%提高至41.68%，基于方法的總煤耗率由330.7 g/(kW·h)降低至287.7 g/(kW·h)，可以看出這2個(gè)指標(biāo)能夠更為明顯、準(zhǔn)確地對(duì)汽輪機(jī)通流效率、蒸汽參數(shù)提高帶來(lái)的全廠性能收益作出評(píng)價(jià)，真實(shí)地反映了全廠能量的階梯利用。而且當(dāng)蒸汽參數(shù)提高時(shí)，實(shí)際收益會(huì)比案例中計(jì)算的結(jié)果更明顯。

5 結(jié) 論

發(fā)展背壓式供熱機(jī)組將是今后熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的主要趨勢(shì)。本文以某純背壓機(jī)組的熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目為例，分析了采用熱量法來(lái)評(píng)價(jià)全廠性能所存在的問(wèn)題，并提出采用方法來(lái)分析的方案，可以得出以下結(jié)論，為工程實(shí)踐提供參考：

1)熱量法無(wú)法真實(shí)體現(xiàn)采用背壓機(jī)組的熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的真實(shí)性能水平，同樣也無(wú)法體現(xiàn)采用抽汽背壓機(jī)組的熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的性能水平。熱耗指標(biāo)無(wú)法體現(xiàn)缸效率變化和進(jìn)汽參數(shù)變化帶來(lái)的性能差異?？偀嵝室仓饕从沉隋仩t側(cè)及管道的損失，無(wú)法反映汽輪機(jī)性能提升及進(jìn)汽參數(shù)提高帶來(lái)的全廠收益。基于熱量法的煤耗率更無(wú)法體現(xiàn)上述內(nèi)容，這也是采用熱電分?jǐn)偡ǖ闹匾颉?/p>