某聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)熱力性能研究

孫嘉啟,劉志煥,李江濤

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七0三研究所,哈爾濱 150078)

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)具有熱效率高、環(huán)境污染小、占地面積少、運(yùn)行靈活、可靠性高、安裝周期短等優(yōu)點(diǎn)。從電力行業(yè)發(fā)展來看,燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)具有十分廣闊的推廣前景[1],而余熱鍋爐作為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的重要組成部分,是系統(tǒng)一體化與各子系統(tǒng)匹配優(yōu)化的關(guān)鍵因素[2]。我國(guó)對(duì)于余熱鍋爐的研究基于熱平衡與能量守恒原理,建立數(shù)學(xué)模型[3-4],通過公式的數(shù)學(xué)推導(dǎo),研究蒸汽參數(shù)選擇對(duì)余熱鍋爐當(dāng)量效率及蒸汽輪機(jī)循環(huán)效率的影響[5],以提高聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)熱力性能分析

本聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)采用燃?xì)廨啓C(jī),燃?xì)獬鯗丶s為1400 ℃,ISO工況條件下容量約為300 MW。余熱鍋爐采用三壓再熱自然循環(huán)余熱鍋爐,蒸汽輪機(jī)采用雙缸向下排汽超高壓級(jí)凝汽式蒸汽輪機(jī),蒸汽輪機(jī)在ISO工況條件下容量約為150 MW。

1.1 燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)

根據(jù)天然氣氣質(zhì)條件、氣象條件,以冬季條件下純凝發(fā)電工況作為設(shè)計(jì)工況,具體參數(shù)如表1所示。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度與效率最大化目標(biāo),決定采用三壓再熱蒸汽循環(huán)的蒸汽系統(tǒng)。

表1 工況條件和燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)表

1.2 蒸汽系統(tǒng)性能參數(shù)

為了提高蒸汽輪機(jī)效率,蒸汽溫度一般盡可能取較高值,根據(jù)實(shí)際情況及金屬材料使用溫度的限制,余熱鍋爐主蒸汽溫度定為540 ℃,再熱蒸汽出口溫度定為560 ℃,中壓蒸汽溫度300 ℃左右,比其在余熱鍋爐中上游方向的燃?xì)鉁囟鹊图纯?具體數(shù)值根據(jù)效率計(jì)算確定。為了實(shí)現(xiàn)能量的階梯利用,主蒸汽壓力一般選在10 MPa以上,但出于安全及經(jīng)濟(jì)考慮,不能超過15 MPa。

2 聯(lián)合循環(huán)熱力性能匹配分析

圖1為三壓再熱余熱鍋爐的汽水循環(huán)系統(tǒng)。

圖1 三壓再熱自然循環(huán)余熱鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)Fig.1 Steam and water circulation system diagram of triple-pressure reheat natural circulation heat recovery steam generator

根據(jù)余熱鍋爐的具體結(jié)構(gòu)形式,結(jié)合熱平衡方程式及傳熱方程式進(jìn)行余熱鍋爐的初步熱平衡計(jì)算。為了計(jì)算方便,假設(shè)設(shè)備的電耗率原則上保持不變,燃?xì)廨啓C(jī)的功率、排煙溫度、排氣流量保持不變,余熱鍋爐的保熱系數(shù)為0.997,鍋爐排污率為0.5%。高壓汽缸漏汽量暫定為9 t/h,蒸汽輪機(jī)的內(nèi)效率暫定為0.88。

圖2 蒸汽輪機(jī)發(fā)電量、余熱鍋爐排煙溫度與主蒸汽壓力的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between the generating capacity of steam turbine, the temperature of heat recovery steam generator exhaust gas and the main steam pressure

由計(jì)算分析可知,隨著主蒸汽壓力的升高,余熱鍋爐的排煙溫度以0.378 ℃/MPa的速度逐漸升高,余熱鍋爐的當(dāng)量效率逐漸降低,蒸汽輪機(jī)發(fā)電量以0.834 MW/MPa的速度增大。但是,主蒸汽壓力并不能無限制提高,一旦主蒸汽壓力升高到亞臨界壓力,余熱鍋爐受熱面及蒸汽輪機(jī)必須采用新型材料,前期投入及運(yùn)行成本均會(huì)大幅增加,考慮到在極端工況下蒸汽壓力還會(huì)進(jìn)一步提高,故主蒸汽壓力設(shè)定為12.64 MPa左右。

圖3 蒸汽輪機(jī)發(fā)電量、余熱鍋爐排煙溫度與再熱蒸汽壓力的變化關(guān)系Fig.3 Relationship between the generating capacity of steam turbine, the temperature of heat recovery steam exhaust gas and the reheat steam generator pressure

圖4 蒸汽輪機(jī)發(fā)電量、余熱鍋爐排煙溫度與低壓蒸汽壓力的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between generating capacity of steam turbine, the exhaust gas temperature of heat recovery steam generator and the low steam pressure

隨著再熱蒸汽壓力的升高,余熱鍋爐的排煙溫度以1.83 ℃/MPa的速度下降,余熱鍋爐的當(dāng)量效率上升,蒸汽輪機(jī)發(fā)電量先升高后降低。隨著再熱蒸汽壓力的升高,聯(lián)合循環(huán)的各配套設(shè)備造價(jià)成倍上升,且較高的運(yùn)行參數(shù)令整個(gè)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)上升,故再熱蒸汽壓力選擇發(fā)電量極大值的壓力3.33 MPa較為合適。

隨著低壓蒸汽壓力的升高,余熱鍋爐的排煙溫度以33.7 ℃/MPa的速度大幅升高,余熱鍋爐的當(dāng)量效率逐漸減小,蒸汽輪機(jī)發(fā)電量略微增大再略微降低,但總體變化范圍不大。雖然在0.4 MPa處有發(fā)電量極大值,但考慮到熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中區(qū)域供熱器的實(shí)際運(yùn)行壓力不宜過低,故暫定為0.66 MPa。

利用上述確定的參數(shù)對(duì)余熱鍋爐進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。余熱鍋爐采用三壓帶再熱自然循環(huán)型式,具體鍋爐基本數(shù)據(jù)見表2。

表2 余熱鍋爐技術(shù)規(guī)范

3 聯(lián)合循環(huán)變工況性能分析

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的余熱鍋爐結(jié)構(gòu)及燃?xì)廨啓C(jī)變工況數(shù)據(jù),進(jìn)行余熱鍋爐熱力性能的校核計(jì)算,得到余熱鍋爐與蒸汽輪機(jī)在滑壓運(yùn)行時(shí)蒸汽參數(shù)變化對(duì)發(fā)電量的影響規(guī)律。

圖5 燃機(jī)變工況發(fā)電量與主蒸汽壓力的關(guān)系Fig.5 Relationship between generating capacity of gas turbine under variable operating conditions and the main steam pressure

在不同工況下,主蒸汽壓力提高,蒸汽輪機(jī)發(fā)電量有不同程度的增大。但隨著燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的下降,高壓欠溫不斷減小,主蒸汽壓力的變化范圍越來越小,蒸汽輪機(jī)發(fā)電量變化也趨于穩(wěn)定,但對(duì)各壓力等級(jí)的蒸汽產(chǎn)量影響趨勢(shì)卻有一定程度的增大,可見主蒸汽壓力對(duì)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的影響隨著燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的減小而減弱。

隨著燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的下降,中壓欠溫也在不斷減小,再熱蒸汽壓力的變化范圍同樣會(huì)越來越小。再熱蒸汽壓力提高,蒸汽輪機(jī)發(fā)電量有增大趨勢(shì),但在低工況時(shí),這種趨勢(shì)尤為明顯,可見再熱蒸汽壓力對(duì)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的影響隨著燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的減小而增強(qiáng)。

圖6 燃機(jī)變工況發(fā)電量與再熱蒸汽壓力的關(guān)系Fig.6 Relationship between the generating capacity of gas turbine under variable operating conditions and the reheat steam pressure

圖7 燃機(jī)變工況發(fā)電量與低壓蒸汽壓力的關(guān)系Fig.7 Relationship between generating capacity of gas turbine under variable operating conditions and the low steam pressure

無論燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)荷如何改變,隨著低壓蒸汽壓力的提高,余熱鍋爐的排煙溫度始終會(huì)大幅升高,在不同工況下,低壓蒸汽壓力提高,蒸汽輪機(jī)發(fā)電量有小幅度降低,且隨著燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的下降這種趨勢(shì)略有加強(qiáng)。在任何時(shí)候,低壓蒸汽壓力的變化都將直接影響余熱鍋爐的排煙溫度。

4 結(jié)論

在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中,燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)的匹配目標(biāo)是使系統(tǒng)的不可逆損失降到最小,能源的利用效率達(dá)到最大。通過相應(yīng)計(jì)算并結(jié)合實(shí)際情況,確定主蒸汽壓力12.64 MPa,主蒸汽溫度540 ℃,再熱蒸汽壓力3.33 MPa,再熱蒸汽溫度560 ℃,低壓蒸汽壓力0.66 MPa,低壓蒸汽溫度247.5 ℃。

提高蒸汽壓力有助于提高蒸汽輪機(jī)的發(fā)電量及聯(lián)合循環(huán)的整體效率,其中主蒸汽壓力的影響尤為明顯,而再熱蒸汽壓力與低壓蒸汽壓力則存在發(fā)電量極大值,余熱鍋爐排煙溫度也會(huì)相應(yīng)改變,提高低壓蒸汽壓力,排煙溫度急劇升高,提高再熱蒸汽壓力,排煙溫度顯著下降,提高主蒸汽壓力,排煙溫度則有所升高。

提高蒸汽溫度對(duì)于蒸汽輪機(jī)發(fā)電量的提升作用有限,余熱鍋爐排煙溫度也是略有升高。出于前期建設(shè)成本與運(yùn)行安全性考慮,各級(jí)蒸汽溫度取決于相應(yīng)的過熱器煙溫,當(dāng)余熱鍋爐結(jié)構(gòu)形式確定時(shí),蒸汽溫度的優(yōu)化余地很小。

對(duì)于結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)確定的余熱鍋爐,改變?nèi)細(xì)廨啓C(jī)工況,其蒸汽參數(shù)與設(shè)計(jì)階段有著相似的變化規(guī)律。主蒸汽壓力在燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷越高時(shí),對(duì)聯(lián)合循環(huán)的影響就越大,而再熱蒸汽壓力正好相反,在燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷越低時(shí),對(duì)聯(lián)合循環(huán)的影響越顯著。低壓蒸汽壓力對(duì)聯(lián)合循環(huán)的影響不大,但對(duì)余熱鍋爐的排煙溫度有著舉足輕重的影響。

為了計(jì)算方便,本研究假設(shè)了一些參數(shù)在匹配分析中一直保持不變,但這在實(shí)際生產(chǎn)中是不可能的,故得出的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況可能稍有差別,然而這些假設(shè)參數(shù)在匹配分析過程中對(duì)結(jié)論的影響不大。