高爐煤氣汽輪機組性能計算模型及其分析

于龍云, 顧立群, 李丹陽

(1.寶山鋼鐵股份有限公司電廠, 上海 201900; 2.上海電力學院, 上海 200090)

在鋼鐵企業(yè)面臨資源制約和環(huán)保壓力的今天,高爐煤氣汽輪機組是鋼鐵工業(yè)中合理利用資源和解決環(huán)境污染問題的首選方案。因此,利用高爐煤氣汽輪機組發(fā)電越來越受到節(jié)能部門的支持,推廣前景也十分樂觀。

1 汽輪機熱耗的計算模型與方法

高爐煤氣汽輪機組工作于較為復雜的電站環(huán)境中[1]。其典型熱力系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 電廠汽輪機的典型熱力系統(tǒng)示意

1.1 汽輪機熱耗計算

ASME PTC 4.1《鍋爐機組性能試驗規(guī)程》中,汽輪機熱耗的計算公式為

(1)

式中:HRM——試驗熱耗率,kJ/kWh;

PST——發(fā)電機端凈功率,MW;

GMS——主蒸汽流量,t/h;

hMS——高壓缸進汽焓,kJ/kg;

GHRH——熱再熱蒸汽流量,t/h;

hHRH——熱再熱蒸汽流量焓值,kJ/kg;

GFFW——省煤器入口給水流量,t/h;

hFFW——省煤器入口給水流量焓值,kJ/kg;

GCRH——冷再熱蒸汽流量,t/h;

hCRH——冷再熱蒸汽流量焓值,kJ/kg;

GRHS——再熱減溫水流量,t/h;

hRHS——再熱減溫水流量焓值,kJ/kg;

GSHS——過熱器減溫水流量,t/h;

hSHS——過熱器減溫水流量焓值,kJ/kg。

使用最終給水流量作為計算基準,通過高加熱平衡計算獲得主蒸汽流量和熱再熱蒸汽流量,最后計算熱耗率和高、中壓缸效率等。采用高壓部分的軸封漏汽為設計值。其中,系統(tǒng)不明泄漏量[2]為

ΔGv=ΔGDA+ΔGHW+ΔGBDT-ΔGML

(2)

式中:ΔGv——系統(tǒng)不明泄漏量,t/h;

ΔGDA——除氧器水箱水位變化當量流量,t/h;

ΔGHW——凝汽器熱井水位變化當量流量,t/h;

ΔGBDT——鍋爐疏水箱水位變化當量流量,t/h;

ΔGML——系統(tǒng)明漏量,t/h。

主蒸汽流量計算以除氧器入口的主凝結(jié)水流量為基準流量,對高壓加熱器、除氧器進行熱平衡計算,得出除氧器水箱出水流量,并對除氧器水箱出口至鍋爐過熱器出口的其他進出系統(tǒng)流量進行考慮,最終計算得出主蒸汽流量。計算公式為

(3)

式中:GCND——除氧器入口主凝結(jié)水流量,t/h;

GE4——除氧器抽汽流量,t/h;

GD3——3#高壓加熱器疏水流量,t/h;

ΔGBFPS——給水泵密封水進入系統(tǒng)流量,t/h;

ΔGVB——鍋爐側(cè)分配的不明泄漏量,t/h。

冷再熱蒸汽流量計算公式為

(4)

式中:GVL——高壓門桿漏汽流量,t/h;

GGL——高壓前后軸封漏汽流量,t/h;

GAi——1#和2#高壓加熱器抽汽流量,t/h。

熱再熱蒸汽流量為

GHRH=GCRH+GRHS

(5)

發(fā)電機端凈功率為

PST=PM-PEXC+ΔPPF

(6)

式中:PM——實際功率,MW;

PEXC——勵磁功率,MW;

ΔPPF——功率因數(shù)偏差的功率修正值,MW。

在20種典型工況下,計算汽輪機熱耗,部分計算結(jié)果的平均計算值如表1所示。

表1表明,在鍋爐主燒高爐煤氣(Blast Furnace Gas,BFG),摻燒焦爐煤氣(Coke Oven Gas,COG)、轉(zhuǎn)爐煤氣(Linz Donawitz Gas,LDG)和天然氣(Natural Gas,NG)工況下,在270 MW負荷時,熱耗最小,其次是240 MW,210 MW,180 MW;在高于270 MW的高負荷區(qū)域,摻燒輕油(Light Fuel Oil,LFO)時熱耗較低,機組經(jīng)濟性能較好。綜上,對于高爐煤氣汽輪機組,應盡量在 210 MW 負荷以上運行,如果在較高負荷區(qū)適量摻燒一些LFO等熱值較高的燃料會降低汽輪機熱耗,提高此機組的經(jīng)濟性能。

1.2 高中壓缸效率計算

通過現(xiàn)場試驗或大量歷史數(shù)據(jù),讀取高中壓缸的進口排汽壓力、出口排汽壓力、進口排汽溫度和出口排汽溫度等參數(shù),運用自定義函數(shù)swptah計算高中壓缸排汽焓、等熵焓,然后計算高中壓缸的效率。高中壓缸效率的計算式分別為

(7)

(8)

表1 汽輪機熱耗部分計算數(shù)據(jù)

式中:hhpex——高壓缸排汽焓,kJ/kg;

h′hpex——高壓缸排汽等熵焓,kJ/kg。

hRHS——中壓缸進汽焓,kJ/kg;

hipex——中壓缸排汽焓,kJ/kg;

h′ipex——中壓缸排汽等熵焓,kJ/kg。

式(7)和式(8)均可用于計算低壓缸效率。對于低壓缸,由于無法現(xiàn)場讀取準確的排汽壓力和排汽溫度等數(shù)據(jù),故通過粒子群優(yōu)化支持向量機的軟測量方法預測出排汽焓。根據(jù)排汽焓運用swptah自定義函數(shù)得到排汽壓力和溫度,進而計算出等熵焓,運用效率公式可計算低壓缸的效率。

1.3 加熱器性能計算

汽輪機加熱器性能計算運行參數(shù)主要包括加熱器上端差和加熱器下端差[3]。其中,加熱器上端差的計算公式為

Δt=tbh-tcs

(9)

式中:tbh——進口蒸汽壓力下飽和溫度,℃;

tcs——加熱器的水側(cè)出口溫度,℃。

加熱器下端差是指被加熱工質(zhì)進入疏水冷卻器時的溫度與離開疏水冷卻器的疏水溫度的差值,計算公式為

Δtxd=tss-tjs

(10)

式中:tss——加熱器疏水溫度,℃;

tjs——加熱器的水側(cè)進口溫度,℃。

加熱器溫升表示工質(zhì)在加熱器中的受熱程度,計算公式為

Δtns=tcs-tjs

(11)

1.4 凝汽器性能計算

汽輪機凝汽器性能計算運行參數(shù)主要包括循環(huán)水溫升和凝汽器端差[4]。循環(huán)水溫升計算公式為

Δtxhs=txhc-tshj

(12)

式中:txhc,tshj——凝汽器出口和進口循環(huán)水溫度,℃。

凝汽器端差計算公式為

Δtk=tbbh-txhs

(13)

式中:tbbh——背壓下飽和溫度,℃。

2 汽輪機試驗結(jié)果的修正計算

汽輪機的修正部分包括功率修正和熱耗率修正。功率修正公式為

(14)

式中:PSTC——修正至設計條件下的電功率,MW;

KPi——各電功率修正項目的修正率,%。

熱耗率修正公式為

(15)

式中:HRC——修正至設計條件下的熱耗率,MW;

KHRi——各熱耗率修正項目的修正率,%。

修正項目及具體修正公式由廠家給出的修正曲線為準。其主要修正項目包括:主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、熱再熱蒸汽溫度、再熱蒸汽壓損、低壓缸排汽壓力、最終給水溫度、補水流量、再熱減溫水流量、給水泵的焓升、小汽輪機進汽流量等。

3 電廠運行數(shù)據(jù)的二元相關(guān)性分析

在電站運行過程中產(chǎn)生了大量的實時數(shù)據(jù),成為分析機組歷史、了解機組運行狀況、評估經(jīng)濟性指標和優(yōu)化機組運行的寶貴資源。19 世紀 80 年代,英國統(tǒng)計學家 PEARSON K在基于 GALTON F思想的基礎(chǔ)上提出了Pearson相關(guān)性系數(shù)。Pearson相關(guān)性系數(shù)的數(shù)學表達式為[5]

(16)

式中:X,Y——隨機變量;

Cov(X,Y)——隨機變量X和Y的協(xié)方差。

(17)

由相關(guān)系數(shù)定義可知,|ρ(x,y)|≤1。對隨機變量X和Y來說,當X與Y不相關(guān)時,|ρ(x,y)|的值為零;當X與Y線性相關(guān)時,|ρ(x,y)|的值為1。相關(guān)系數(shù)ρ(x,y)用來表示相關(guān)程度的大小。當兩變量在同一增減趨勢上變化時,即為正相關(guān);在相反的增減趨勢上變化時,即為負相關(guān);無變化即為不相關(guān)。相關(guān)系數(shù)ρ(x,y)的取值范圍為(-1,+1),+1表示完全正相關(guān),-1則表示完全負相關(guān),0表示不相關(guān)。通過Pearson相關(guān)性系數(shù),可以獲得條件變量與目標變量之間的相關(guān)程度[6]。在統(tǒng)計學研究領(lǐng)域,一般根據(jù)樣本Pearson相關(guān)性系數(shù)絕對值大小對條件變量與目標變量之間的相關(guān)性強度進行劃分[7],如表2所示。

表2 相關(guān)強度劃分表

3.1 汽輪機性能指標Pearson分析

以2018年9月1日零點到2018年9月7日零點電廠4#燃氣機組運行數(shù)據(jù)為樣本,同樣時間間隔為10 min,共得到842組數(shù)據(jù)。部分數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 高爐煤氣燃氣機組的部分運行數(shù)據(jù)

通過Pearson相關(guān)分析法,可知汽輪機熱耗與部分汽輪機初始進口條件之間具有相關(guān)性,其相關(guān)性程度分析結(jié)果如表4所示。

表4 汽輪機熱耗相關(guān)程度

3.2 汽輪機性能指標機理分析

3.2.1 負 荷

汽輪機熱耗隨負荷變化較大,具體特性曲線如圖2所示。

由圖2可知,大多數(shù)負荷工況范圍是從180 MW到280 MW,并且在此負荷范圍下機組較為穩(wěn)定,在小于180 MW和大于280 MW的負荷工況下熱耗較大。因此,考慮高爐煤氣汽輪機組的穩(wěn)定性,負荷不小于180 MW且不大于280 MW較為穩(wěn)妥。

3.2.2 主蒸汽溫度

根據(jù)表4可得,汽輪機熱耗與主蒸汽溫度呈中等程度負相關(guān)。同時,主蒸汽溫度與許多因素有關(guān),主蒸汽溫度的控制是通過調(diào)節(jié)減溫水量來完成的。

在控制范圍內(nèi),隨著主蒸汽溫度的增加,汽輪機熱耗有所減小。主蒸汽溫度與汽輪機熱耗的特性曲線如圖3所示。

圖2 負荷與汽輪機熱耗關(guān)系曲線

圖3 主蒸汽溫度與汽輪機熱耗關(guān)系曲線

3.2.3 主蒸汽壓力

根據(jù)表4可得,汽輪機熱耗與主蒸汽壓力呈中等程度負相關(guān)。隨著負荷的不斷變化,主蒸汽壓力也隨著負荷的變化而變化,這就要求及時調(diào)整送入鍋爐的BFG質(zhì)量流量,使主蒸汽壓力維持在一定范圍內(nèi)。在該范圍內(nèi),隨著主蒸汽壓力的增加,汽輪機熱耗會逐漸減小。主蒸汽壓力與汽輪機熱耗的特性曲線如圖4所示。

3.2.4 再熱蒸汽溫度

根據(jù)表4可得,汽輪機熱耗與再熱蒸汽溫度呈弱負相關(guān)。在控制范圍內(nèi),隨著再熱蒸汽溫度的升高,汽輪機熱耗會逐漸減小,因此提高主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度對于機組的熱經(jīng)濟性是有利的。但由于鋼材的耐熱性能等因素,溫度不可能無限提高,因此基準值一般取為設計值。再熱蒸汽溫度與汽輪機熱耗特性曲線如圖5所示。

圖4 主蒸汽壓力與汽輪機熱耗關(guān)系曲線

圖5 再熱蒸汽溫度與汽輪機熱耗關(guān)系曲線

3.2.5 給水溫度

根據(jù)表4可得,汽輪機熱耗與給水溫度呈強負相關(guān)。隨著給水溫度的升高,汽輪機熱耗率明顯減小。給水溫度與汽輪機熱耗特性曲線如圖6所示。

圖6 給水溫度與汽輪機熱耗關(guān)系曲線

由于高爐煤氣機組的回熱加熱器采用汽輪機抽汽加熱給水,減少了排汽熱量損失,提高了鍋爐的給水溫度,降低了BFG燃料消耗,提高了發(fā)電廠效率。

4 結(jié) 語

為了研究高爐煤氣汽輪機組性能的計算方法,通過試驗對汽輪機熱耗進行了計算。計算完成后,再通過Pearson二變量分析法對汽輪機的熱耗進行分析,包括負荷、主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、再熱蒸汽溫度等和給水溫度等。這對高爐煤氣汽輪機組的相關(guān)研究具有一定的借鑒意義。