汽輪機(jī)及其熱力系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化

丁維棟

（內(nèi)蒙古京寧熱電有限責(zé)任公司）

0 引言

隨著能源價格不斷上升，我國政府部門提出節(jié)能減排要求，各行業(yè)逐漸提高對電站鍋爐煙氣余熱利用率的重視程度，在國際上具有健全的煙氣余熱回收利用技術(shù)。例如：德國某電廠褐煤發(fā)電機(jī)組在煙氣脫硫塔和靜電除塵器間設(shè)置煙氣冷卻器，通過煙氣來加熱鍋爐凝結(jié)水；前蘇聯(lián)在鍋爐對流豎井的下部安裝低溫省煤器來加熱水溫；在我國利用廣義余熱系統(tǒng)，將煙氣余熱應(yīng)用在日常工作，從不同方面來分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益和煙溫變量等因素，來研究回收煙氣余熱加熱凝結(jié)水的省煤效果。本文提出四種集成發(fā)電方案，針對不同集成方案來制定熱力計算模型，從不同方面來分析機(jī)組煤耗降低量、CO2排放量、節(jié)約標(biāo)煤量等因素，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來制作經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)，進(jìn)一步分析熱力計算模型，從而制定可行性方案。將影響投資成本和傳熱效果的參數(shù)作為研究對象，來優(yōu)化煙氣換熱器的設(shè)計參數(shù)。

1 煙氣的熱力學(xué)特征

根據(jù)煙氣的熱力學(xué)情況，將整個換熱過程分為三個階段：第一階段，是可凝性氣體和不凝性氣體都進(jìn)行放熱；第二階段，隨著溫度不斷下降，煙氣溫度明顯低于露點溫度時，有個別水蒸氣凝結(jié)，從而釋放大量潛在熱量，其他不凝結(jié)性氣體和水蒸氣都釋放熱能；第三階段，當(dāng)煙氣溫度下降到露點時，水蒸氣只利用凝結(jié)放熱，不凝結(jié)氣體則繼續(xù)釋放熱量。工作人員可將余熱回收過程分為潛熱和顯熱兩個環(huán)節(jié)，換熱器通常使用逆流方式進(jìn)行布置。假如低溫?zé)煔獬跏紲囟葹門CO，經(jīng)過顯熱放熱過程中，其溫度降低到Tc1，通過潛熱放熱過程溫度下降到Tc2。其中TC1表示兩個放熱過程的轉(zhuǎn)折點，Tc1以上具有熱量密度低、溫差大等特征，Tc1以下則表示出相反特征。同時，不同燃料燃燒后所產(chǎn)生的煙氣中水分不同，導(dǎo)致其冷凝溫度也存在較強(qiáng)的差異性。

2 煙氣余熱和熱煤機(jī)組混合發(fā)電系統(tǒng)的集成方式

從低壓加熱器中傳輸出適量冷凝水流到煙氣換熱器中，凝結(jié)水在煙氣換熱器中吸收大量熱量，能有效降低排煙溫度，而凝結(jié)水自身溫度被升高后，會重新流到低壓加熱器系統(tǒng)中。同時，將煙氣換熱器和低壓加熱器相互連接，能替代個別低壓加熱器作用，排擠部分低壓缸抽氣，將排擠抽氣從低壓抽氣口輸送到汽輪機(jī)中繼續(xù)進(jìn)行膨脹工作。假如機(jī)組輸出功率基本相同，會降低機(jī)組煤耗、污染排放量、熱耗等；如果機(jī)組燃料消耗量變化程度較小，機(jī)組可收集到大量發(fā)電量。經(jīng)過除塵工序后的煙氣流到煙氣換熱器中，經(jīng)過煙水換熱再進(jìn)入到脫硫塔中進(jìn)行脫硫工作。

基于此上述情況，本文采用四種集成方案：第一，將煙氣換熱器和軸封加熱器進(jìn)行相互連接，加熱軸封堵住加熱器端口的凝結(jié)水，煙氣換熱器端口和7號低壓加熱器入口相連，這種方式能有效解決機(jī)組中的抽氣，被處理的抽氣會重新回到汽輪機(jī)中；第二，將煙氣換熱器設(shè)置在7號低壓加熱器和8號低壓加熱器中間，當(dāng)水資源流過煙氣換熱器加熱時，會自動流向7號低壓加熱器；第三，煙氣換熱器和8號低壓加熱器出口進(jìn)行關(guān)聯(lián)，加熱器出口會流出大量水資源，煙氣換熱器出口和6號低壓加熱器入口交叉連接，這種方式能去除機(jī)組中的氣體；第四，將煙氣換熱器連接到7號低壓加熱器和6號低壓加熱器之間，水資源通過煙氣換熱器處理后進(jìn)入6號低壓加熱器[1]。

3 鍋爐熱力系統(tǒng)性能模型

3.1 熱力學(xué)模型

燃煤電站發(fā)電用煤在整個能源消耗中占據(jù)較高比例，能有效提升電站活力發(fā)電組效率，降低污染物的排放量，對提升我國整體能源利用率，解決目前限制我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能源問題具有至關(guān)重要的作用，對推動我國社會經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展具有重要作用。而鍋爐作為燃煤電站的主要設(shè)施，其NOX排放量和鍋爐熱效率作為目前鍋爐燃燒系統(tǒng)的重要因素，根據(jù)專業(yè)人員統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化燃燒措施，能取得較低的NOX排放和鍋爐燃燒效率，是目前最實用的優(yōu)化方式。而針對煙氣換熱器和機(jī)組集成的熱力系統(tǒng)，工作人員可通過節(jié)約型燃料運(yùn)行方式，給凝結(jié)水提供煙氣換熱器，煙氣和凝結(jié)水換熱通常是利用對流換熱。同時，凝結(jié)水在煙氣換熱器和煙氣進(jìn)行相互工作時，工作人員要合理控制煙氣入口溫度，確定煙氣換熱器結(jié)構(gòu)，假設(shè)煙氣換熱器出口溫度，根據(jù)上述這些參數(shù)來取得煙氣放熱量和總換熱量，從而優(yōu)化提前假定值。

（1）煙氣放熱量計算

煙氣釋放熱量是煙氣換熱器進(jìn)口煙氣和出口煙氣的差值，其表達(dá)公式如下：

式中，Qs為煙氣換熱器中煙氣放熱量；B為燃煤量。

（2）傳熱溫差計算

煙氣和凝結(jié)水換熱屬于逆流換熱，在不損失任何熱量的情況下，當(dāng)工作人員確定煙氣出口溫度后，煙氣放熱量和凝結(jié)水吸熱量基本相同，這時可利用能量平衡公式來計算凝結(jié)水出口溫度。

式中，T1為煙氣換熱器的煙氣入口溫度；T2為煙氣出口溫度；t1為煙氣換熱器側(cè)入口水溫；t2為煙氣換熱器水側(cè)出口水溫[2]。

3.2 鍋爐燃燒系統(tǒng)模型

能源不僅能給人們?nèi)粘Ｉ钐峁┪镔|(zhì)方面的支持，還能給社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。而我國煤炭能源儲備量占據(jù)世界首位，被廣泛應(yīng)用在我們?nèi)粘Ｉ钪?，但由于煤炭能源在使用過程中會產(chǎn)生較強(qiáng)污染性，和我國政府部門所提倡的綠色節(jié)能理念相違背。隨著該矛盾日漸激烈，創(chuàng)新低碳環(huán)保煤利用技術(shù)成為人們關(guān)注的重心。首先，構(gòu)建貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要優(yōu)化的目標(biāo)，來確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出變量，將其定義為NOX濃度和熱效率，再從不同方向來分析哪些因素會影響到輸出變量，從而確定網(wǎng)絡(luò)輸入變量，進(jìn)而控制整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元數(shù)量。同時，工作人員合理控制隱層神經(jīng)元數(shù)量，利用重復(fù)多次仿真實驗來確定具體的神經(jīng)元數(shù)量，并采用科學(xué)方式將神經(jīng)元數(shù)量控制在預(yù)期范圍中，通過編制能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)隱層神經(jīng)元的最優(yōu)取值范圍；其次，要針對貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重復(fù)測試，將測試工程情況分為測試集和訓(xùn)練集兩個方面，其中訓(xùn)練集是針對健全的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行學(xué)習(xí)，訓(xùn)練完成后利用測試集進(jìn)行測試，來檢查該種類型的審計網(wǎng)絡(luò)泛化能力是否達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如果泛化能力超過指定標(biāo)準(zhǔn)，則表述其預(yù)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，才能用在后期遺傳算法結(jié)合中[3]。鍋爐燃燒優(yōu)化是在提高鍋爐燃燒效率的同時，能降低NOX的排放量，但這兩個目標(biāo)屬于相互矛盾的存在，所以要選擇對應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，本文目標(biāo)函數(shù)為：

根據(jù)上述分析，同燃料燃燒后所產(chǎn)生的煙氣中水分不同，導(dǎo)致其冷凝溫度也存在較強(qiáng)的差異性。因此，工作人員可準(zhǔn)確計算出不可調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)和可調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)，將可調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)作為言傳算法的優(yōu)化變量，將不可調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)作為限制鍋爐運(yùn)行的基本條件[4]。

4 煙氣余熱和燃煤機(jī)組混合發(fā)電系統(tǒng)的評價指標(biāo)

4.1 安全性指標(biāo)

通過計算煙氣露點溫度發(fā)現(xiàn)，煤在燃燒過程中會釋放大量氧化亞氮元素，當(dāng)排煙溫度低于標(biāo)準(zhǔn)值時，很容易給受熱面帶來低溫腐蝕問題。為進(jìn)一步避免出現(xiàn)低溫腐蝕問題，要合理控制鍋爐低溫受熱面鍋爐和壁溫的實際數(shù)據(jù)，利用公式計算出硫酸蒸汽的酸露點溫度[5]：

式中，tDP,O為純水蒸汽露點溫度；SZS為燃料折算硫份；AZS為顏料折算灰份。

4.2 機(jī)組節(jié)約標(biāo)煤量

每年節(jié)省標(biāo)煤量為：

式中，△B為年節(jié)約標(biāo)煤量；P為機(jī)組功率；n為年工作數(shù)。

4.3 氧化亞氮減排量

基于機(jī)組輸出功率相同的條件下，利用煙氣余熱利用系統(tǒng)，能有效降低煤耗量和污染物排放量。因此，污染物排放降低數(shù)量為：

式中，當(dāng)i=1,2,3時，λi為燃煤中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；?ci表示污染物排放量。

5 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

5.1 決策變量

隨著社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，燃煤鍋爐技術(shù)逐漸普及到各行業(yè)中，被各行業(yè)高度重視。但由于在燃煤鍋爐技術(shù)運(yùn)行中經(jīng)常消耗大量能源，給我國能源儲存量帶來嚴(yán)重威脅，特別在綠色節(jié)能理念影響下，燃煤鍋爐技術(shù)節(jié)能效果成為目前企業(yè)急需解決的問題。燃燒溫度越高，燃料就能在床層中將物質(zhì)燒透，從而降低爐渣可燃燒物質(zhì)，但隨著床體溫度不斷上升，其中NOX物質(zhì)會逐漸提高。因此，在設(shè)計H型鰭片管式煙氣換熱器時，工作人員要考慮各種變量元素，如縱向節(jié)距、管外徑、管長度、鰭片間距、鰭片厚度等環(huán)節(jié)[6]。其中管壁厚和管外徑是影響磨損程度的重要因素，工作人員要結(jié)合日常生產(chǎn)實際要求來進(jìn)行選擇，本文選擇采用規(guī)格為38mm×3mm；而其他因素是影響煙氣換熱器換熱性能的主要環(huán)節(jié)。因此，決策變量向量為X=X(s1,s2,δf,hf)。決策變量數(shù)據(jù)要根據(jù)管道布置剩余距離、煙道尺寸等因素來控制。s1控制在30~200mm范圍內(nèi)；s2小于100mm；δ1低于1mm；δf不超過5mm；hf低于0。

5.2 目標(biāo)函數(shù)

針對余熱回收類規(guī)劃問題，工作人員將系統(tǒng)最高收益作為目標(biāo)函數(shù)，由于設(shè)備屬于一次性投資項目，而節(jié)能收益通常出現(xiàn)在煙氣換熱器使用階段，所以工作人員應(yīng)利用資金動態(tài)指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)。

式中，TH為每年設(shè)備所產(chǎn)生的純收入；TC為設(shè)備總投資費(fèi)用；x為投資效益；n為設(shè)備使用年限。隨著能源價格不斷上升，我國政府部門提出節(jié)能減排正常，各行業(yè)逐漸提高對電站鍋爐煙氣余熱利用率的重視程度，在國際上具有健全的煙氣余熱回收利用技術(shù)。我國煉鐵需要耗費(fèi)的能耗較高，高爐能效是由消耗和動力組成，高爐的回收相當(dāng)于二次能源的數(shù)量，在企業(yè)的能耗結(jié)構(gòu)中占據(jù)一定的成分，燃料比作為高爐能耗的70%以上，在降低焦比的同時要降低燃料比，提高熱風(fēng)爐效率，節(jié)約動力消耗，加強(qiáng)二次能源回收等措施，加強(qiáng)高爐節(jié)能作用。因此，政府部門愈發(fā)提高對鍋爐熱效率的重視程度，其利用貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法，能有效控制燃煤鍋爐技術(shù)能源消耗。其優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：

根據(jù)大量實踐數(shù)據(jù)證明，優(yōu)化后的煙氣換熱器能滿足集成系統(tǒng)節(jié)能要求。

6 結(jié)束語

綜上所述，通過分析煙氣余熱特征，提出四種不同煙氣余熱集成方案，有利于工作人員針對實際生產(chǎn)中不同情況進(jìn)行優(yōu)化，來節(jié)約日常工作所消耗的能源。同時，將氧化亞氮減排量、機(jī)組節(jié)約標(biāo)煤量作為經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)，從不同方面來分析仿真模型數(shù)據(jù)，從而制定可行性方案。