100 MW級蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)變工況運(yùn)行特性

姜林 ，楊浩冉 ，郭紫巖 ，劉雙 ，張婕妤 ，黃戰(zhàn)平 ，周興 ,4,?

（1.三河發(fā)電有限責(zé)任公司, 河北 廊坊 065201；2.河北省燃煤電站污染防治技術(shù)創(chuàng)新中心, 河北 廊坊 065201；3.河北師范大學(xué) 中燃工學(xué)院, 河北 石家莊 050024；4.河北師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,河北省無機(jī)納米材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050024）

0 引 言

在全球范圍內(nèi)的能源消費(fèi)中，化石能源的消費(fèi)占80%以上。其中煤炭、天然氣和石油分別為30.0%、23.7%和32.6%，而風(fēng)能、地?zé)崮芎吞柲艿刃履茉磧H占總能源消費(fèi)的13.7%[1]。世界范圍內(nèi)煤炭、化石等燃料的燃燒，排放出大量的二氧化碳?xì)怏w，致使溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重，從而引起國際上廣泛的關(guān)注[2]。在發(fā)電領(lǐng)域中，火力發(fā)電技術(shù)以燃煤為主，排放大量的二氧化碳[3]。此外還產(chǎn)生氮氧化物、硫化物、煙塵等污染物。為解決化石燃料燃燒所引發(fā)的環(huán)境問題，哥本哈根會議[4]和巴黎氣候大會[5]均進(jìn)一步確定了控制溫室氣體排放的戰(zhàn)略目標(biāo)。

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC）是將煤氣化技術(shù)和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)有機(jī)結(jié)合成一體的新型發(fā)電系統(tǒng)。IGCC系統(tǒng)不僅可以降低環(huán)境污染，還可以方便地進(jìn)行CO2捕集，因此具有二氧化碳排放量低、發(fā)電效率高等優(yōu)點(diǎn)[6]。為實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和二氧化碳減排的目標(biāo)，世界上多個(gè)國家開始對IGCC發(fā)電場站進(jìn)行研究與實(shí)踐。世界上第一座IGCC示范電廠[7]于1994年在荷蘭建成，之后中國[8]、美國[9]、日本[10]等國家相繼建成IGCC示范電站。隨著IGCC技術(shù)的不斷發(fā)展與改進(jìn)，裝機(jī)容量逐漸上升。據(jù)調(diào)查現(xiàn)有的裝機(jī)容量情況為：中國GreenGen的IGCC發(fā)電站為265 MW[11]，美國Kemper IGCC 發(fā)電站為524 MW[12]，日本Nakoso IGCC發(fā)電站為250 MW[13]。

IGCC發(fā)電站主要包括氣化島、空分島和動(dòng)力島三部分。其中動(dòng)力島（燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)）是該系統(tǒng)的研究重點(diǎn)[14]。IGCC聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中，主要包括燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)[15]。本文主要側(cè)重聯(lián)合循環(huán)的底循環(huán)中的蒸汽輪機(jī)。工況的改變會使系統(tǒng)的效率發(fā)生很大的變化。當(dāng)大氣溫度升高到一定值時(shí)，壓氣機(jī)的壓縮比將有所下降，則會導(dǎo)致壓縮機(jī)效率降低。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)溫差也是影響系統(tǒng)效率的因素之一，節(jié)點(diǎn)溫差是蒸發(fā)器出口煙氣溫度與蒸發(fā)器內(nèi)汽水溫度之差，節(jié)點(diǎn)溫差越小，能回收更多的熱量，余熱鍋爐的效率就越高，但是會增加鍋爐換熱面積，進(jìn)而增加煙氣流動(dòng)的阻力，增加了燃?xì)廨啓C(jī)排氣的背壓，減少了燃汽輪機(jī)的出力，這將導(dǎo)致聯(lián)合循環(huán)整體效率的下降。即使機(jī)組的轉(zhuǎn)速和燃?xì)獬鯗乇３趾愣ˋ.Ganjehkaviri等[16]提出了具有雙壓余熱蒸汽發(fā)生器的聯(lián)合循環(huán)電廠的熱力學(xué)模型，研究了蒸汽輪機(jī)出口蒸汽干度對輸出功率的影響。結(jié)果表明，蒸汽干度為88%的系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)、效率和環(huán)境方面是實(shí)際可靠的。Yousef S.H.Najjar等[17]通過建立模型來模擬不同負(fù)荷下蒸汽輪機(jī)的性能及效率對高壓汽輪機(jī)、低壓汽輪機(jī)等蒸汽循環(huán)部件進(jìn)行評估，分析了各部件的劣化率及其對蒸汽輪機(jī)發(fā)電功率和熱效率的影響。Mansur Aliyu等[18]通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對三壓聯(lián)合循環(huán)電廠進(jìn)行熱力學(xué)分析，通過研究運(yùn)行參數(shù)對汽輪機(jī)輸出功率和效率的影響，發(fā)現(xiàn)低壓汽輪機(jī)出口處的過熱壓力、再熱壓力和蒸汽質(zhì)量顯著影響汽輪機(jī)的輸出功率和效率。A.Ganjehkaviri等在文獻(xiàn)[16]中分析汽輪機(jī)出口蒸汽質(zhì)量對輸出功率的影響，提出了能量效率和?效率兩個(gè)評價(jià)指標(biāo)，針對不同工況下的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行比較分析，為系統(tǒng)的優(yōu)化和能源的有效利用提供指導(dǎo)。

結(jié)合當(dāng)前對聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，本文以IGCC系統(tǒng)為背景，針對底循環(huán)進(jìn)行建模計(jì)算。分析蒸汽流量、給水溫度、過熱蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度對蒸汽輪機(jī)的輸出功率、蒸汽的吸熱負(fù)荷和系統(tǒng)熱效率的影響，得到各變量變化時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行曲線。結(jié)合分析結(jié)論，給出給水溫度、給水流量、過熱蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度的取值依據(jù)，使系統(tǒng)總輸出功率和熱效率達(dá)到較高水平，從而達(dá)到優(yōu)化蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的目的。

1 余熱鍋爐與燃?xì)廨啓C(jī)（底循環(huán)）工作過程

IGCC聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中余熱鍋爐與蒸汽輪機(jī)共同構(gòu)成了聯(lián)合循環(huán)的底循環(huán)如圖1[15]所示。

圖1 底循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行流程圖Fig.1 Operation flowchart of the bottom circulation system

三壓再熱余熱鍋爐內(nèi)部沒有高中低三種壓力的省煤器、蒸發(fā)器和過熱器，通過回收燃?xì)廨啓C(jī)排放的廢氣廢熱，在蒸發(fā)器中將水加熱成飽和蒸汽，并在過熱器中進(jìn)一步加熱成過熱蒸汽，通入對應(yīng)汽輪機(jī)中絕熱膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電裝置產(chǎn)電[19]。

蒸汽輪機(jī)機(jī)組中蒸汽工質(zhì)的理想T-S圖如圖2所示，高壓、中壓和低壓蒸汽的T-S圖分別為圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)所示。

圖2 蒸汽輪機(jī)高壓、中壓和低壓蒸汽的T-S圖Fig.2 High-pressure、medium pressure and low-pressure steam T-S diagram of steam turbine

2 模型建立

本文主要考慮高壓、中壓和低壓過熱蒸汽的參數(shù)與機(jī)組輸出功率的影響關(guān)系，忽略一些次要的因素，具體假設(shè)條件如下所示：

1）余熱鍋爐生產(chǎn)的高壓過熱蒸汽直接進(jìn)入高壓汽輪機(jī)中等熵膨脹做功，不考慮該過程中的能量損失，即 hSH=hHi。

2）中壓過熱蒸汽的壓力、再熱器運(yùn)行壓力和高壓汽輪機(jī)排汽壓力三者相同，高壓汽輪機(jī)排汽與中壓過熱蒸汽在再熱器中混合，加熱為再熱蒸汽，其中tSI＜tHo＜tIi，即 hSI＜hHo＜hIi。

3）再熱蒸汽直接進(jìn)入中壓汽輪機(jī)中等熵膨脹做功，中壓汽缸排汽的壓力與低壓過熱蒸汽相同，一并混合后進(jìn)入低壓汽輪機(jī)中膨脹做功，其中hIo=hLi。

4）低壓汽輪機(jī)排汽狀態(tài)為背壓5 kPa下的飽和蒸汽。

5）不考慮蒸汽進(jìn)入各級壓力汽缸時(shí)的溫差，認(rèn)為溫度不變。

由式（1）～式（12）可計(jì)算出中高低壓蒸汽吸熱量QH、QI和QL；高中低壓汽輪機(jī)輸出功率WH、WI和WL；底循環(huán)總輸出功率P。依據(jù)圖3所示的建模邏輯運(yùn)行圖，將高中低壓蒸汽流量、給水溫度、和再熱蒸汽溫度約束定為變量，結(jié)合上述公式在MATLAB中編寫計(jì)算代碼，分析當(dāng)各變量取值變化時(shí)對總輸出功率、效率以及相應(yīng)評價(jià)指標(biāo)的影響。

圖3 建模邏輯運(yùn)行圖Fig.3 Modeling logic operation diagram

2.1 能量守恒

余熱鍋爐與蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)所構(gòu)成的底循環(huán)部分存在能量平衡關(guān)系，高壓、中壓和低壓蒸汽進(jìn)入該底循環(huán)時(shí)，余熱鍋爐與蒸汽輪機(jī)的能量平衡關(guān)系如下：

高中低壓蒸汽吸熱負(fù)荷量計(jì)算式為：

2.2 蒸汽輪機(jī)輸出功率與效率

高中低壓蒸汽輪機(jī)的理論輸出功率計(jì)算式為：

式中：

WH1、WI1、WL1-高中低壓蒸汽輪機(jī)的理論輸出功率（MW）；

hIo-中壓蒸汽輪機(jī)排汽焓值（kJ/kg）；

hLo-低壓蒸汽輪機(jī)排汽焓值（kJ/kg）。高壓、中壓和低壓蒸汽輪機(jī)的實(shí)際輸出功率計(jì)算式為：

式中：

ηH、ηI、ηL-高中低壓蒸汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率。

蒸汽輪機(jī)總輸出功率計(jì)算式為：

底循環(huán)熱效率計(jì)算式為：

3 結(jié)果與討論

結(jié)合華能天津IGCC示范電站中所使用的三壓再熱聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù)[20]，本文中所用參數(shù)如表1所示。其中，高壓、中壓和低壓過熱蒸汽以及再熱蒸汽的焓值通過基于IAPWS IF-97標(biāo)準(zhǔn)的水與蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算軟件和插值法求得。

在常規(guī)的后期剪輯工作中，大多數(shù)客戶使用單機(jī)位的素材進(jìn)行剪輯，其流程是在大洋非編資源管理器中選擇所需的素材，然后通過預(yù)覽窗口確定入出點(diǎn)，拖拽添加到故事版時(shí)間線上，多個(gè)單機(jī)位素材通過一系列添加插入等操作，完成基本的故事版結(jié)構(gòu)，每段片段素材均帶有前期攝影機(jī)或收錄設(shè)備的現(xiàn)場聲音，這種單機(jī)位素材的剪輯方法，僅需反復(fù)調(diào)整素材的入出點(diǎn)和故事前后關(guān)系即可。如果拍攝場景為復(fù)雜場景，前期使用多臺攝錄設(shè)備同步記錄，那么針對這種不同機(jī)位的后期剪輯，傳統(tǒng)的方法需要反復(fù)根據(jù)畫面動(dòng)作、場景、任務(wù)口型等校正時(shí)間碼，實(shí)現(xiàn)故事版所有素材的同步播放，保證音頻的一致性，然后分別對每路軌道開關(guān)進(jìn)行畫面選擇。

3.1 參考工況

本文將表1中的數(shù)據(jù)作為參考工況。參考工況下系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如表2所示。

表1 IGCC聯(lián)合循環(huán)中汽輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)Tab.1 IGCC combined cycle steam turbine operating parameters

表2 參考工況下底循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)Tab.2 Refer to the operating parameters of the bottom circulation system under the working conditions

3.2 蒸汽流量變化

高壓、中壓和低壓蒸汽流量均以5 kg/s的增量逐步增加，每個(gè)變量連續(xù)取9個(gè)值，組成9組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表3、圖4所示，且圖4右側(cè)縱軸為整個(gè)蒸汽輪機(jī)的熱效率。從圖中可以觀察到輸出功率隨流量的增加均增大，但高壓蒸汽流量的變化對總輸出功率的影響最大，低壓蒸汽流量的變化次之，中壓蒸汽流量的變化對總輸出功率的影響最小。蒸汽輪機(jī)的熱效率隨著高壓蒸汽流量的增加而升高，隨著中壓和低壓蒸汽流量的增加而降低。中壓蒸汽流量增加時(shí)，熱效率降低幅度很小，趨于平緩穩(wěn)定；低壓蒸汽流量增加時(shí)，熱效率從23.98%降低至20.79%，對熱效率的影響較大。對于中壓蒸汽流量的取值，不僅要考慮熱效率，還要考慮輸出功率。在熱效率降低相對不大的情況下，可折中考慮中壓蒸汽流量值來保證一定的輸出功率。

表3 變工況9組數(shù)據(jù)參數(shù)Tab.3 Variable working conditions 9 sets of data parameters

圖4 高中低壓蒸汽流量變化結(jié)果比較圖Fig.4 Comparison of high, medium, and low pressure vapor flow variation results

通過上述對蒸汽流量變化的分析，增加高壓蒸汽流量，減小低壓蒸汽流量，折中取值中壓蒸汽流量，可以充分利用回收的熱能，在具有較高熱效率前提下，使蒸汽輪機(jī)輸出更高的功率。

3.3 給水溫度變化

低壓汽輪機(jī)排汽的能量很低，會經(jīng)過凝汽器后冷凝成凝結(jié)水，泵入余熱鍋爐中作為給水進(jìn)行余熱鍋爐的汽水循環(huán)。凝汽器提供的負(fù)荷變化時(shí)會影響給水溫度，當(dāng)給水溫度變化時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行特性如圖5所示。

圖5 給水溫度變化的影響曲線Fig.5 Influence curve of feed water temperature change

輸出功率不隨給水溫度發(fā)生變化，而蒸汽吸熱負(fù)荷會隨著給水溫度的升高而降低。這是因?yàn)橛酂徨仩t出口蒸汽的參數(shù)是確定的，當(dāng)其他變量不變的情況下，給水溫度只影響從該溫度升高至余熱鍋爐出口蒸汽溫度這個(gè)過程所吸收的熱量，而不影響做功量。根據(jù)圖5可以看出蒸汽輪機(jī)的熱效率從23.74%升高至24.95%，所以給水溫度越高，輸出相同的功率所需要吸收的熱負(fù)荷就越小，越有利于減少熱能的消耗。

3.4 過熱熱蒸汽溫度變化

三壓再熱余熱鍋爐中分別設(shè)置有高壓、中壓和低壓過熱器，用于生產(chǎn)高壓、中壓和低壓過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)中做功。這里研究討論了當(dāng)高壓過熱蒸汽溫度發(fā)生變化時(shí)，對總的輸出功率和吸熱負(fù)荷的影響，以及對熱效率的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 過熱蒸汽溫度變化的影響曲線Fig.6 Influence curve of temperature change in superheated steam

由圖6可以看出總的輸出功率、吸熱負(fù)荷和熱效率隨高壓過熱蒸汽溫度升高而增大，但是增幅極小，可見高壓過熱蒸汽溫度變化對系統(tǒng)的影響很小。這是因?yàn)楦邏哼^熱蒸汽在9.2 MPa下飽和蒸汽溫度為305 ℃，隨著定壓加熱使溫度上升為過熱蒸汽后，其焓值的增量隨溫度變化很小，所以輸出功率和吸熱負(fù)荷的增量均很小。

由圖6可以看出熱效率是逐步上升的，所以高壓過熱蒸汽溫度可以適當(dāng)選高一些，在吸收相同熱負(fù)荷的情況下，輸出功率會相對增大。

3.5 再熱蒸汽溫度變化

高壓汽缸排汽與中壓過熱蒸汽混合后，由再熱器加熱成參數(shù)更高的再熱蒸汽，這里主要研究當(dāng)再熱蒸汽溫度變化時(shí)對總輸出功率、吸熱負(fù)荷和熱效率的影響。

如圖7所示，總輸出功率和吸熱負(fù)荷隨再熱蒸汽溫度增加幅度較小，而熱效率的增加幅度較大，從22.08%升高至25.59%。由此可知，當(dāng)再熱蒸汽溫度大幅度增加時(shí)，輸出功率和吸熱負(fù)荷雖然不會大幅度增加，但是仍然處于增加的趨勢，且熱效率增加趨勢明顯。故再熱蒸汽溫度可以適當(dāng)取得高一些。

圖7 再熱蒸汽溫度變化的影響曲線Fig.7 Influence curve of reheat steam temperature change

3.6 過熱蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度影響比較

高壓過熱蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度均以10 ℃的增量逐步增加，每個(gè)變量連續(xù)取9個(gè)值，即圖中數(shù)據(jù)組 1-9分別為：480 ℃、490 ℃、500 ℃、510 ℃、520 ℃、530 ℃、540 ℃、550 ℃、560 ℃。由其組成數(shù)據(jù)組分析，如圖8所示。

圖8 過熱蒸汽和再熱蒸汽溫度變化結(jié)果比較圖Fig.8 Comparison of superheated steam and reheated steam temperature changes

圖中可以直觀地看出高壓過熱蒸汽溫度變化對輸出功率和吸熱負(fù)荷的影響不大，熱效率也趨于平緩；再熱蒸汽溫度增加會使輸出功率和吸熱負(fù)荷以一定增幅變大，熱效率明顯升高。這是因?yàn)楦邏哼^熱蒸汽的焓值隨溫度升高的增量很小，所以對輸出功率的影響不大。雖然再熱蒸汽的焓值隨溫度升高的增量也很小，但是再熱蒸汽的流量是高壓汽缸排汽與中壓過熱蒸汽的加和，因此對輸出功率的影響較大一些。

基于上述分析，高壓過熱蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度越高，蒸汽輪機(jī)的熱效率就越高。在吸收相同熱負(fù)荷的情況下，能夠輸出更高的功率。但是由于輸出功率和吸熱負(fù)荷隨這兩個(gè)變量變化的幅度很小，所以在設(shè)定高壓過熱蒸汽和再熱蒸汽溫度時(shí)，要考慮高參數(shù)蒸汽對設(shè)備的影響。在不增加設(shè)備成本、不會對設(shè)備運(yùn)行造成破壞的前體下，可以適當(dāng)提高高壓過熱蒸汽和再熱蒸汽的溫度。

3.7 優(yōu)化后的工況

根據(jù)上述對蒸汽流量、給水溫度、高壓過熱蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度這四個(gè)變量的分析，得到了各變量對蒸汽輪機(jī)輸出功率和運(yùn)行熱效率的影響情況。將優(yōu)化工況與參考工況的運(yùn)行特性進(jìn)行對比，如圖9所示。

圖9 參考工況與優(yōu)化工況對比圖Fig.9 Comparison chart of reference and optimization conditions

如圖9所示，在輸出功率基本不變的情況下，優(yōu)化工況的吸熱負(fù)荷比參考工況減小了45.7 kW，而熱效率由23.82%變成26.92%。這是由于提高了高壓蒸汽流量和給水溫度，降低了中壓蒸汽流量。這大大降低了吸熱負(fù)荷，并保持了較高的輸出功率，從而使得蒸汽輪機(jī)的熱效率升高。通過對運(yùn)行參數(shù)的合理取值，可以在一定范圍內(nèi)保持較高的熱效率，在輸出一定功率的情況下減少對熱能的輸入，有利于能源的節(jié)約與高效利用。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用MATLAB進(jìn)行計(jì)算代碼的編寫與運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果用origin繪制成柱狀圖和點(diǎn)線圖進(jìn)行分析研究。當(dāng)每個(gè)變量發(fā)生變化時(shí)，分析其對蒸汽輪機(jī)總輸出功率、熱效率和蒸汽總吸熱負(fù)荷的影響，具體結(jié)論如下：

1） 增加高壓蒸汽流量，減小低壓蒸汽流量，折中取值中壓蒸汽流量，可以充分利用回收的熱能，在具有較高熱效率前提下，使蒸汽輪機(jī)輸出更高的功率。

2） 給水溫度升高時(shí)，輸出功率不隨給水溫度發(fā)生變化，而蒸汽吸熱負(fù)荷會隨著給水溫度的升高而降低。較大給水溫度可以減少熱能的輸入。

3） 高壓過熱蒸汽和再熱蒸汽溫度升高，蒸汽輪機(jī)的熱效率就越高，但輸出功率和吸熱負(fù)荷變化幅度很小。在不增加設(shè)備成本和不會對影響設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，可以適當(dāng)提高高壓過熱蒸汽和再熱蒸汽的溫度。