楊 洋， 許紅勝， 郭一鑫

(1. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096； 2. 東南大學(xué) 電力設(shè)計(jì)院， 南京 210096)

近年來，300 MW機(jī)組在節(jié)能中的劣勢日益凸顯，熱電聯(lián)產(chǎn)成為技術(shù)改造的突破口，但考慮電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻現(xiàn)狀，供熱機(jī)組也要參與調(diào)峰[1-3]。因此，為保證機(jī)組供熱改造后運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，對供熱機(jī)組配汽方式進(jìn)行研究十分重要。

目前，關(guān)于機(jī)組配汽方式的優(yōu)化多數(shù)圍繞純凝機(jī)組，針對供熱機(jī)組的研究相對較少，并基本都采用熱力試驗(yàn)方法，缺乏詳細(xì)理論分析[4-7]。筆者以某N300-16.7/537/537機(jī)組為研究對象，以供熱機(jī)組熱耗率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用熱平衡方法建立變工況計(jì)算模型，對機(jī)組供熱改造后不同配汽方式對應(yīng)的性能參數(shù)變化及其原理進(jìn)行分析，探討可行的機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行方式。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

熱耗率是反映機(jī)組運(yùn)行狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo)。供熱機(jī)組熱耗率的表達(dá)式為：

(1)

式中：G0為主蒸汽質(zhì)量流量，kg/h；h0為主蒸汽焓，kJ/kg；Gfw為給水質(zhì)量流量，kg/h；hfw為給水焓，kJ/kg；GR為高壓缸排汽質(zhì)量流量，kg/h；hR為再熱蒸汽焓，kJ/kg；h2為高壓缸排汽焓，kJ/kg；GJ為再熱減溫水質(zhì)量流量，kg/h；hJ為減溫水焓，kJ/kg；Ggr為工業(yè)抽汽質(zhì)量流量，kg/h；hgr為工業(yè)抽汽焓，kJ/kg；Gb為補(bǔ)水質(zhì)量流量，kg/h；hb為補(bǔ)水焓，kJ/kg；Nt為發(fā)電功率，kW。

2 變工況計(jì)算

為精確描述熱力循環(huán)內(nèi)部工質(zhì)的流量分布，以及和做功過程之間的關(guān)系，采用熱平衡法作為變工況分析計(jì)算方法[8]。為簡化熱力計(jì)算，作出假設(shè)：(1)忽略系統(tǒng)散熱損失；(2)各加熱器端差取設(shè)計(jì)值；(3)機(jī)組末級(jí)排汽壓力取設(shè)計(jì)值。

2.1 級(jí)組變工況計(jì)算

級(jí)組特性主要與級(jí)組進(jìn)出口壓力、級(jí)組流量和級(jí)組內(nèi)效率有關(guān)，級(jí)組的壓力和流量滿足弗留格爾公式[9]：

(2)

式中：G為級(jí)組質(zhì)量流量，kg/h；p1和p2分別為機(jī)組進(jìn)出口壓力，MPa；v1為級(jí)組進(jìn)口蒸汽比體積，m3/kg；下標(biāo)d表示額定工況。

級(jí)組內(nèi)效率通過已知工況數(shù)據(jù)擬合獲得。在確定各壓力級(jí)內(nèi)效率基礎(chǔ)上，可得各級(jí)抽汽焓值h2為：

h2=h1-Δhsηi

(3)

式中：h1為級(jí)組進(jìn)口蒸汽焓，kJ/kg；Δhs為級(jí)組等熵焓降，kJ/kg；ηi為級(jí)組相對內(nèi)效率。

2.2 調(diào)節(jié)級(jí)特性計(jì)算

進(jìn)行調(diào)節(jié)級(jí)特性研究時(shí)，需要將調(diào)節(jié)級(jí)分兩部分考慮：一部分是全開調(diào)節(jié)閥特性；另一部分是部分開啟調(diào)節(jié)閥特性[10]。

通過全開調(diào)節(jié)閥的流量Gn′為：

(4)

式中：p0為調(diào)節(jié)閥前壓力，MPa；v0為調(diào)節(jié)閥前比體積，m3/kg；p0′為全開閥后壓力，MPa；An′為全開閥噴嘴組面積，m2；βn′為全開閥噴嘴流量比，εnc為噴嘴組臨界壓比，過熱蒸汽的εnc取0.546；εn1為噴嘴組壓比;p21為調(diào)節(jié)級(jí)后壓力，MPa。

通過部分開啟調(diào)節(jié)閥的流量Gn″為：

Gn″=G0-Gn′

(5)

(6)

式中：p0″為部分開啟閥門后壓力，MPa；An″為部分開啟閥門噴嘴組面積，m2；βn″為部分開啟閥門噴嘴流量比；εn2為部分開啟閥門噴嘴組壓比。

根據(jù)前面級(jí)組變工況計(jì)算，得到p21；結(jié)合調(diào)節(jié)級(jí)幾何尺寸和熱力參數(shù)，參考文獻(xiàn)[11]提出的調(diào)節(jié)級(jí)新的計(jì)算模型，計(jì)算得出Gn′和全開調(diào)節(jié)閥后蒸汽焓ht′，Gn″和部分開啟調(diào)節(jié)閥后蒸汽焓ht″；最后利用下式得到調(diào)節(jié)級(jí)后蒸汽焓ht為：

(7)

2.3 給水泵汽輪機(jī)變工況計(jì)算

在給定負(fù)荷下，改變閥門開度，調(diào)節(jié)級(jí)通流面積發(fā)生變化，主蒸汽壓力和流量隨之改變，此時(shí)給水泵汽輪機(jī)的出力也發(fā)生變化。

結(jié)合管路特性和損失系數(shù)計(jì)算方法，可得給水泵出口壓力pp2為[12]：

(8)

式中：ρ為給水密度，kg /m3。

根據(jù)能量守恒定律，得給水泵汽輪機(jī)抽汽量DFPT為：

(9)

式中：pp1為給水泵進(jìn)口壓力，MPa；v為給水泵平均比體積，m3/kg；h4為進(jìn)入給水泵汽輪機(jī)的抽汽焓，kJ/kg；hpc為給水泵汽輪機(jī)排汽焓，kJ/kg；ηp為給水泵效率；ηj為給水泵汽輪機(jī)機(jī)械效率。

2.4 供熱機(jī)組變工況計(jì)算步驟

供熱機(jī)組變工況計(jì)算步驟為：

(1) 給定電負(fù)荷N和供熱量Q。

(2) 確定可行壓力區(qū)間[p0min，p0d]，下限為所有閥門全開對應(yīng)的主蒸汽壓力，上限為額定主蒸汽壓力。

(3) 在可行壓力區(qū)間內(nèi)取定初壓p0。

(4) 假定G0，初設(shè)G0=G0· (N/Nd)。

(5) 假設(shè)變工況前后各加熱器抽汽系數(shù)不變，可得各加熱器抽汽量初始迭代值GE，同時(shí)假設(shè)初始迭代時(shí)各抽汽溫度不變。

(6) 結(jié)合之前的主要模塊變工況計(jì)算模型，根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒定律，對回?zé)嵯到y(tǒng)和減溫減壓器進(jìn)行熱平衡計(jì)算，得到各加熱器抽汽量GE1。

(7) 當(dāng)|GE1-GE|/GE<ε1(ε1取0.1%)滿足誤差需要時(shí)，則根據(jù)假設(shè)得到的抽汽量正確，否則轉(zhuǎn)到步驟(6)。

(8) 計(jì)算得到供熱機(jī)組電負(fù)荷N1，如果|N1-N|/N<ε2(ε2取0.1%),則假設(shè)的G0正確，否則G0=G0· (N1/Nd)轉(zhuǎn)到步驟(5)。

(9) 迭代結(jié)束后，各參數(shù)均已求出，利用式(1)進(jìn)行供熱機(jī)組熱耗計(jì)算，并記錄采用的配汽方式。

3 計(jì)算實(shí)例及分析

該機(jī)組配有6個(gè)高調(diào)門噴嘴組，通常處于部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。為了提高效益，廠家結(jié)合當(dāng)?shù)毓I(yè)區(qū)需求，提出對機(jī)組實(shí)施供熱改造的要求。通過對當(dāng)?shù)仄髽I(yè)熱用狀況的調(diào)研，考慮熱網(wǎng)損失的影響，確定汽輪機(jī)側(cè)熱源壓力為2.2 MPa、溫度為252 ℃，單臺(tái)機(jī)組供熱蒸汽的質(zhì)量流量為60 t/h。機(jī)組采用再熱冷端抽汽供熱方式，供熱蒸汽經(jīng)過減溫減壓器達(dá)到參數(shù)要求。

3.1 計(jì)算準(zhǔn)確性驗(yàn)證

末級(jí)蒸汽質(zhì)量流量和相對內(nèi)效率的關(guān)系曲線見圖1。

圖1 末級(jí)蒸汽質(zhì)量流量和相對內(nèi)效率的關(guān)系曲線

機(jī)組變工況計(jì)算以額定工況為基準(zhǔn)。變工況計(jì)算前先根據(jù)已知工況參數(shù)，對各級(jí)組流量-相對內(nèi)效率曲線進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：除調(diào)節(jié)級(jí)和末級(jí)外，其他中間級(jí)相對內(nèi)效率基本不變，這與文獻(xiàn)[13]結(jié)論一致。由于調(diào)節(jié)級(jí)的熱力參數(shù)是通過具體模型進(jìn)行計(jì)算所得，因此只需擬合末級(jí)質(zhì)量流量和相對內(nèi)效率的曲線，中間級(jí)相對內(nèi)效率取基準(zhǔn)工況值。

為驗(yàn)證變工況計(jì)算的準(zhǔn)確性，需要將已知工況熱力參數(shù)與計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行對比，但是研究對象是供熱改造機(jī)組，缺少相關(guān)供熱工況設(shè)計(jì)參數(shù)。考慮到廠用抽汽工況與供熱抽汽工況的計(jì)算過程類似，因此可以將廠用抽汽工況(四段抽汽質(zhì)量流量為40 t/h)類比供熱工況進(jìn)行驗(yàn)證，具體計(jì)算結(jié)果見表1(N0為設(shè)計(jì)電負(fù)荷；HR0為設(shè)計(jì)熱耗率；εN為電負(fù)荷的誤差；εHR為熱耗率的誤差)。

表1 機(jī)組功率與熱耗的計(jì)算值與設(shè)計(jì)值對比

從表1中可以發(fā)現(xiàn)：機(jī)組電負(fù)荷和熱耗率的計(jì)算值與設(shè)計(jì)值誤差較小，計(jì)算準(zhǔn)確性較高，滿足工程需要。

3.2 配汽方式優(yōu)化理論分析

配汽優(yōu)化思路為：在電負(fù)荷和供熱量一定的情況下，改變調(diào)節(jié)閥開啟方式(順序閥配汽)，對機(jī)組進(jìn)行熱力計(jì)算，尋找熱耗率最低時(shí)的配汽方式；然后在不同電負(fù)荷和供熱量下重復(fù)上述過程，即可得到供熱機(jī)組在滿足參數(shù)要求的負(fù)荷范圍內(nèi)的理論最優(yōu)運(yùn)行方式。供熱機(jī)組最優(yōu)初壓與負(fù)荷之間的變化關(guān)系見圖2。

圖2 不同供熱抽汽量下最優(yōu)初壓隨機(jī)組負(fù)荷變化趨勢

從圖2中可以看出：當(dāng)供熱量一定時(shí)，最優(yōu)初壓先隨電負(fù)荷提高呈遞增趨勢，當(dāng)達(dá)到可行主汽壓力區(qū)間上限(額定壓力)時(shí)，會(huì)在一段電負(fù)荷區(qū)間內(nèi)維持不變，直到電負(fù)荷繼續(xù)提高到一定程度時(shí)突然降低，然后重復(fù)上述過程；當(dāng)電負(fù)荷一定時(shí)，機(jī)組最優(yōu)初壓隨供熱量的變化趨勢與之類似，不過變化稍緩。將最優(yōu)初壓和變工況計(jì)算記錄的配汽方式進(jìn)行對照，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)初壓隨負(fù)荷上升時(shí)對應(yīng)的配汽方式基本為4閥全開或5閥全開，而維持額定壓力不變時(shí)則基本處于4閥全開1閥節(jié)流狀態(tài)。為了分析該現(xiàn)象形成原理，筆者選取供熱抽汽質(zhì)量流量為60 t/h和機(jī)組電負(fù)荷為240 MW時(shí)的兩種案例進(jìn)行理論探討。

(1) 供熱抽汽質(zhì)量流量為60 t/h時(shí)，選取幾種典型電負(fù)荷工況對熱耗率和主蒸汽壓力關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果見圖3。

圖3 供熱抽汽質(zhì)量流量為60 t/h時(shí)熱耗率和主蒸汽壓力的曲線

分析圖3機(jī)組熱耗率和主蒸汽壓力的曲線，當(dāng)機(jī)組調(diào)節(jié)閥開度由6閥點(diǎn)逐漸減小時(shí)，主蒸汽壓力提高，機(jī)組循環(huán)熱效率上升，但調(diào)節(jié)閥開度減小初段，部分開啟閥流量較大，節(jié)流損失較大，同時(shí)主蒸汽壓力提高也帶來給水泵功耗增加，這種相反影響導(dǎo)致機(jī)組熱耗率隨調(diào)節(jié)閥開度減小反而略微上升。隨著調(diào)節(jié)閥開度繼續(xù)減小，節(jié)流壓降盡管在持續(xù)上升，但是通過部分開啟閥門流量占總流量比例逐漸降低，整體節(jié)流損失影響越來越小，并且機(jī)組循環(huán)熱效率隨主蒸汽參數(shù)的提高持續(xù)上升，最終使得機(jī)組熱耗隨調(diào)節(jié)閥開度減小又逐漸下降到5閥點(diǎn)為止。由于主蒸汽壓力提高帶來的循環(huán)熱效率上升的影響，5閥全開機(jī)組熱耗明顯低于6閥全開，甚至在一定范圍內(nèi)5閥1節(jié)流熱經(jīng)濟(jì)性都會(huì)優(yōu)于6閥全開。

同理，5閥點(diǎn)向4閥點(diǎn)過渡，4閥點(diǎn)向3閥點(diǎn)過渡，熱耗率隨壓力的變化曲線均呈先增后減的拋物線趨勢，并且調(diào)節(jié)閥全開數(shù)量越低，機(jī)組熱耗率越??；但是，由于機(jī)組主蒸汽壓力存在上限，即額定壓力，并不是所有閥點(diǎn)間都能完整過渡。對于一定負(fù)荷，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度減小到額定壓力時(shí)就停止。根據(jù)前面分析，此時(shí)的順序閥節(jié)流配汽方式不一定比部分閥全開差，這就解釋了圖2最優(yōu)初壓會(huì)出現(xiàn)一定負(fù)荷區(qū)間內(nèi)維持額定壓力不變的現(xiàn)象。在電負(fù)荷263 MW處，主蒸汽壓力從額定壓力16.67 MPa驟降到15.00 MPa(見表2)，這與機(jī)組安全運(yùn)行要求不符，需進(jìn)一步分析。

表2 60 t/h供熱工況下機(jī)組配汽優(yōu)化結(jié)果

(2) 當(dāng)電負(fù)荷為240 MW時(shí)，選取幾種典型供熱量對應(yīng)的熱耗率和主蒸汽壓力曲線進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4。

圖4 電負(fù)荷為240 MW時(shí)不同供熱量下熱耗率和主蒸汽壓力曲線

在圖4中，當(dāng)電負(fù)荷為240 MW時(shí)，機(jī)組在熱耗不同閥點(diǎn)間隨主蒸汽壓力的曲線同樣呈先增后減的拋物線形式，具體原因可參考前面分析。不過與圖3不同的是，圖4中代表著最優(yōu)方式的虛線隨主蒸汽壓力變化幅度相對較小，如電負(fù)荷為240 MW時(shí)，機(jī)組最優(yōu)配汽方式保持為4閥全開。這是因?yàn)殡娯?fù)荷一定時(shí)，在給定配汽方式條件下，供熱量變化較小時(shí)，主蒸汽抽汽量變化較小，主蒸汽壓力變化不大，最優(yōu)初壓在閥點(diǎn)和額定壓力之間轉(zhuǎn)換頻率不高，所以當(dāng)電負(fù)荷一定時(shí)，最優(yōu)配汽方式隨供熱量變化相對比較穩(wěn)定。

綜上所述，將案例分析結(jié)果延伸到整個(gè)負(fù)荷范圍，即可得到供熱機(jī)組的最優(yōu)配汽方式為部分閥全開或者額定壓力下的順序閥節(jié)流，機(jī)組理論最優(yōu)運(yùn)行方式在閥點(diǎn)滑壓和定壓運(yùn)行之間切換，與圖2最優(yōu)初壓隨負(fù)荷之間的變化規(guī)律一致；但是為了保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，在定壓轉(zhuǎn)換閥點(diǎn)滑壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)壓力驟降現(xiàn)象，對應(yīng)了圖2中的斷層曲面，此時(shí)與實(shí)際運(yùn)行安全要求不符，需要進(jìn)一步進(jìn)行分析。

3.3 實(shí)際配汽及運(yùn)行方式分析

有部分研究提供了改進(jìn)方案[14-15]，但由于對象機(jī)組噴嘴組較多，且需同時(shí)考慮電負(fù)荷和供熱量影響，實(shí)際應(yīng)用較為復(fù)雜。

對于該機(jī)組而言，理論配汽優(yōu)化得到的結(jié)果基本處于5閥點(diǎn)和4閥點(diǎn)之間，其他配汽方式如3閥1節(jié)流等出現(xiàn)較少，因此可以將問題簡化為尋找5閥點(diǎn)和4閥點(diǎn)之間的合理過渡方式；而機(jī)組為5閥點(diǎn)滑壓時(shí)基本在85%THA工況之上，處于高負(fù)荷段，節(jié)流損失相對較小，定壓與滑壓引起的熱耗相差不大，但定壓運(yùn)行具有對負(fù)荷響應(yīng)快的優(yōu)勢，所以可以嘗試高負(fù)荷段用順序閥定壓配汽替代5閥全開，使主汽壓力平穩(wěn)過渡，而與現(xiàn)代機(jī)組通常采用的定-滑-定復(fù)合滑壓運(yùn)行方式一致。

圖5顯示了該方式對應(yīng)的機(jī)組熱耗與理論分析得到的配汽方式對應(yīng)的最低熱耗率之間的對比，可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)熱耗率和負(fù)荷的關(guān)系曲面基本重合，熱耗率在負(fù)荷范圍內(nèi)最大相差不超過20 kJ/(kW·h)，證明該運(yùn)行方式較為合理，可實(shí)際利用。機(jī)組在不同電負(fù)荷下，隨著供熱量增加，熱耗率不斷下降，表明供熱彌補(bǔ)了一部分由發(fā)電降低引起的不利影響，提高了機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，供熱改造具有現(xiàn)實(shí)意義。

圖5 理論和實(shí)際操作最低熱耗隨負(fù)荷變化關(guān)系對比

因此，確定將機(jī)組在負(fù)荷范圍內(nèi)實(shí)際采用的配汽方式為4閥全開和順序閥配汽相結(jié)合的方式，對應(yīng)運(yùn)行方式為定-滑方式，即低負(fù)荷段4閥點(diǎn)滑壓，高負(fù)荷定壓。

圖6為結(jié)合實(shí)際運(yùn)行要求優(yōu)化后的配汽方式對應(yīng)的主蒸汽壓力與負(fù)荷之間的關(guān)系。

圖6 定-滑方式主汽壓力隨負(fù)荷變化關(guān)系

4 結(jié)語

(1) 給出了供熱機(jī)組變工況計(jì)算程序，通過誤差分析，驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性，為供熱改造機(jī)組性能分析提供理論方法。

(2) 利用變工況計(jì)算程序，對配汽方式優(yōu)化進(jìn)行理論分析，得到理論最優(yōu)結(jié)果為部分閥全開配汽和維持額定壓力的順序閥配汽相結(jié)合的方式，但是不同配汽方式轉(zhuǎn)換過程中存在最優(yōu)初壓驟降情況。

(3) 考慮實(shí)際運(yùn)行控制要求，確定機(jī)組運(yùn)行方式采用定-滑運(yùn)行，為機(jī)組今后運(yùn)行提供指導(dǎo)。