王 敏，劉 帥，王 琦，劉淑玲，高 波，周 欣，閔海華，曲偉國(guó)，郝麗華

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院第三設(shè)計(jì)院，天津 300074）

生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目
——熱機(jī)離線擾動(dòng)分析*

王 敏，劉 帥，王 琦，劉淑玲，高 波，周 欣，閔海華，曲偉國(guó)，郝麗華

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院第三設(shè)計(jì)院，天津 300074）

選取大型凝汽機(jī)組為主要研究對(duì)象，探討不同負(fù)荷下初溫、初壓等主要運(yùn)行參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)能耗的影響，以火電機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性分析統(tǒng)一物理模型和數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立初溫、初壓對(duì)煤耗影響的單因素?cái)_動(dòng)模型并對(duì)其進(jìn)行定性分析。以求在熱力系統(tǒng)能耗分析中，使計(jì)算過(guò)程更加快速、準(zhǔn)確，計(jì)算模型可適應(yīng)多種不同火電機(jī)組。

凝汽機(jī)組；熱經(jīng)濟(jì)性分析；擾動(dòng)；模型

汽輪機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，不可避免地會(huì)發(fā)生運(yùn)行參數(shù)偏離標(biāo)準(zhǔn)值的現(xiàn)象。當(dāng)偏離值的大小不超過(guò)其允許范圍時(shí)，雖不會(huì)引起危險(xiǎn)，但會(huì)導(dǎo)致機(jī)組經(jīng)濟(jì)性變化。作為回?zé)嵯到y(tǒng)局部定量技術(shù)分析的簡(jiǎn)捷方法，如等效焓降法、順序擾動(dòng)解除法等，已成為火電廠能損分析的首選理論和方法。然而，小擾動(dòng)理論存在著許多局限性，只能解決火電廠的部分能損分析問(wèn)題，對(duì)于引起汽輪機(jī)膨脹過(guò)程線變化的主汽壓、主汽溫等大擾動(dòng)參數(shù)的耗差分析卻無(wú)法適用。筆者引入系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，以火電機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)分析統(tǒng)一物理模型［1］為基礎(chǔ)，導(dǎo)出了凝汽機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)的耗差分析模型，為垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的在線監(jiān)測(cè)提供了理論依據(jù)。

1 模型的基礎(chǔ)

1）標(biāo)準(zhǔn)煤耗率方程：

式中：B為電廠煤耗量；Pe為發(fā)電機(jī)輸出有效功率；q1為燃煤的低位發(fā)熱量；ηb為鍋爐效率；ηp為管道效率；ηt為循環(huán)熱效率；ηm為機(jī)械效率；ηg為發(fā)電機(jī)效率。

2）機(jī)組循環(huán)吸熱量方程及其微分表達(dá)式：循環(huán)吸熱量表示在機(jī)組的整個(gè)循環(huán)中，工質(zhì)從廣義鍋爐吸收的熱量，即，

式中：Dbi為進(jìn)入第i號(hào)小鍋爐中的工質(zhì)流量；hi-1為第 i號(hào)小鍋爐的出口工質(zhì)的焓；h（i-1）（i-1）為第i號(hào)小鍋爐進(jìn)口工質(zhì)的焓；Qbi為第i號(hào)小鍋爐輔助汽水放熱量；Db1*為虛擬第1號(hào)小鍋爐的工質(zhì)流量；htj為調(diào)節(jié)級(jí)出口工質(zhì)的焓；htj0為調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)口工質(zhì)的焓；Qb1*為虛擬第1號(hào)小鍋爐輔助汽水放熱量。

3）機(jī)組比內(nèi)功方程及其微分表達(dá)式：比內(nèi)功是機(jī)組在循環(huán)中，在各個(gè)小汽輪機(jī)中所做的比內(nèi)功之和［2］，即，

式中：Dttj為第tj號(hào)小汽機(jī)中的工質(zhì)流量；h0為第1號(hào)小汽機(jī)進(jìn)口的焓值；htj為第1號(hào)小汽機(jī)的出口焓值，也是第tj號(hào)小汽機(jī)的進(jìn)口焓值；Dt1為第1號(hào)小汽機(jī)中的工質(zhì)流量；h11為第tj號(hào)小汽機(jī)的出口焓值；Dtj為第i號(hào)小汽機(jī)中的工質(zhì)流量；hi-1為第i號(hào)小汽機(jī)的入口焓值；hii為第i號(hào)小汽機(jī)的出口焓值。

2 模型的建立和分析

2.1 模型建立的背景和方法

在耗差分析中，各參數(shù)的變化量都是指在某一工況下的運(yùn)行值與其應(yīng)達(dá)值之間的差值，可認(rèn)為是在定功率（同一工況）的條件下，分析各參數(shù)相對(duì)于其應(yīng)達(dá)值的變化量對(duì)機(jī)組煤耗的影響。而汽輪機(jī)內(nèi)功率P和發(fā)電機(jī)輸出有效功率Pe的關(guān)系如下：

式中：ηg為發(fā)電機(jī)效率；ηm為汽輪機(jī)機(jī)械效率。

當(dāng)機(jī)組各參數(shù)擾動(dòng)時(shí)，ηg和ηm的變化很小，因此當(dāng)電功率基本保持不變時(shí)，可以認(rèn)為汽輪機(jī)內(nèi)功率的變化量△P也很小，因此可利用下式來(lái)計(jì)算運(yùn)行參數(shù)擾動(dòng)對(duì)機(jī)組煤耗的影響，即：

式中：δbs為煤耗率的變化量；Q為熱量。通過(guò)對(duì)循環(huán)吸熱量和功率的變化量的計(jì)算推導(dǎo)來(lái)求得煤耗率的變化量。

2.2 主汽溫單因素耗差分析模型

對(duì)主蒸汽溫度T0進(jìn)行單因素耗差分析時(shí)，主蒸汽壓力、再熱蒸汽溫度、調(diào)節(jié)閥開(kāi)度和開(kāi)數(shù)、汽輪機(jī)背壓及各級(jí)加熱器端差不變，則此時(shí)主蒸汽流量、低壓缸排汽焓、鍋爐給水焓值和給水泵功率將發(fā)生改變，而其他非獨(dú)立擾動(dòng)參數(shù)可視為基本不變，則主蒸汽溫對(duì)煤耗率變化的影響見(jiàn)公式 （6）：

式中：△D0（T0）、△Pzr（T0）、△hc（T0）、△hgs（T0）、△τb（T0）分別表示主蒸汽溫度T0擾動(dòng)對(duì)主蒸汽流量D0、再熱蒸汽壓力Pzr、汽輪機(jī)低壓缸排汽焓hc、鍋爐給水焓值hgs及給水泵功τb的影響；［△ari（T0）］主要考慮T0擾動(dòng)對(duì)其中的小機(jī)耗汽量arxq的影響［3］；λ1、 λ3、 λ5、 λ6、 λ7、 λ8、 λ9為 將 公 式 （1）、（2）、（3） 代入公式 （5） 所得的矩陣系數(shù)。

2.3 主汽壓耗差分析模型

對(duì)主蒸汽壓力P0進(jìn)行單因素耗差分析時(shí)，主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度、調(diào)節(jié)閥開(kāi)度和開(kāi)數(shù)、汽輪機(jī)背壓、各級(jí)加熱器端差及各類輔助汽水流量不變，則此時(shí)主蒸汽流量、低壓缸排汽焓、鍋爐給水焓值和給水泵功將發(fā)生改變，而其他非獨(dú)立擾動(dòng)參數(shù)可視為基本不變［4-5］，則主蒸汽壓力對(duì)煤耗率變化的影響見(jiàn)公式（7）：

式中：△D0（P0）、△Pzr（P0）、△hc（P0）、△hgs（P0）、△τb（P0）分別表示主蒸汽壓力P0擾動(dòng)對(duì)主蒸汽流量D0、再熱蒸汽壓力Pzr、汽輪機(jī)低壓缸排汽焓hc、鍋爐給水焓值hgs及給水泵功τb的影響；［△ari（P0）］主要考慮P0擾動(dòng)對(duì)其中的小機(jī)耗汽量arxq的影響；λ2為將公式 （1）、 （2）、 （3） 代入公式 （5） 所得的矩陣系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算所得，所建模型誤差很小，滿足工程需要，適用多數(shù)凝汽式機(jī)組的煤耗計(jì)算。

2.4 主蒸汽溫度的變化對(duì)機(jī)組的影響

1）主蒸汽溫度升高從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看對(duì)機(jī)組是有利的，它不僅提高了循環(huán)熱效率，而且減少了汽輪機(jī)的排汽濕度，如果保持調(diào)速汽門(mén)開(kāi)度不變，則蒸汽流量下降，機(jī)組功率增加，汽耗率減少，經(jīng)濟(jì)性提高。此時(shí)，調(diào)節(jié)級(jí)理想焓降增大。但從安全角度來(lái)看，主蒸汽溫度的上升會(huì)引起金屬材料性能惡化，縮短某些部件的使用壽命，如主汽閥、調(diào)節(jié)閥、軸封、法蘭、螺栓以及高壓管道等。對(duì)于超高參數(shù)機(jī)組，即使主蒸汽溫度上升不多也可能引起金屬急劇的蠕變，使許用應(yīng)力大幅度降低。因此絕大多數(shù)情況下不允許升高初溫運(yùn)行。

2）在機(jī)組額定負(fù)荷下主蒸汽溫度下降將會(huì)導(dǎo)致蒸汽流量增大，各監(jiān)視段的壓力上升。此時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)安全，但非調(diào)節(jié)級(jí)尤其是最末幾級(jí)焓降和主蒸汽流量同時(shí)增大將產(chǎn)生過(guò)負(fù)荷，比較危險(xiǎn)。同時(shí)，蒸汽溫度下降會(huì)導(dǎo)致末幾級(jí)的葉片濕度增加，增大了濕汽損失，同時(shí)也加劇了末幾級(jí)葉片的沖蝕作用，直接威脅汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。因此，在主蒸汽溫度降低的同時(shí)應(yīng)降低壓力，使汽輪機(jī)熱力過(guò)程線盡量與設(shè)計(jì)工況下的熱力過(guò)程線重合，以提高機(jī)組排汽干度。因此機(jī)組的功率限制較大，必要時(shí)應(yīng)申請(qǐng)減負(fù)荷運(yùn)行。

3）從理論上講，主蒸汽溫度越高，對(duì)機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性越有利，但主蒸汽溫度的升高受到金屬材料性能及電廠投資成本的限制。某發(fā)電廠汽輪機(jī)的額定進(jìn)汽溫度為535℃。出于對(duì)機(jī)組安全性及經(jīng)濟(jì)性的考慮，運(yùn)行規(guī)程中一般規(guī)定，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)主蒸汽溫度不高于額定值5℃，不低于額定值10℃，主蒸汽溫度偏離額定值運(yùn)行，將會(huì)造成經(jīng)濟(jì)性的損失，因此，在對(duì)機(jī)組熱力系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，大都將主蒸汽溫度的額定值作為其目標(biāo)值。初蒸汽溫度對(duì)焓降的影響大于對(duì)流量的影響，初溫改變對(duì)功率的影響取決于初溫改變時(shí)分別對(duì)焓降、流量、相對(duì)內(nèi)效率的影響之和。汽輪機(jī)設(shè)計(jì)理想焓降越大，初溫變化對(duì)功率的影響越小。

4）主蒸汽溫度的改變，將引起汽輪機(jī)進(jìn)汽狀態(tài)點(diǎn)的改變，進(jìn)而使汽輪機(jī)做功的熱力過(guò)程線發(fā)生變化，根據(jù)擾動(dòng)順序解除法的原則，保持主蒸汽壓力、再熱蒸汽溫度和汽輪機(jī)排汽壓力不變，可以確定此時(shí)的熱力系統(tǒng)狀態(tài)，從而得到該狀態(tài)下機(jī)組的發(fā)電煤耗率及由于主汽溫偏離額定值造成的能損。

2.5 主蒸汽壓力的變化對(duì)機(jī)組的影響

1）在機(jī)組額定功率下主蒸汽壓力升高后蒸汽流量有所減少，各監(jiān)視段壓力相應(yīng)降低，各中間級(jí)焓降基本保持不變，因此主蒸汽流量減少，各中間級(jí)動(dòng)葉應(yīng)力均有所下降，隔板的壓差和軸向推力也都有所減少。調(diào)節(jié)級(jí)前后壓差雖有上升，但其危險(xiǎn)工況不在額定負(fù)荷，因此調(diào)節(jié)級(jí)和中間各級(jí)在主蒸汽壓力上升時(shí)都是安全的。對(duì)于末幾級(jí)葉片，由于前后壓差的減?。?jí)前壓力減小），級(jí)的焓降減少，在維持調(diào)速汽門(mén)的開(kāi)度不變，隨主蒸汽壓力的上升，蒸汽流量和機(jī)組功率均上升，因而汽耗率下降。引起整機(jī)焓降增加，再加上汽壓增加使蒸汽流量增加，末幾級(jí)葉片彎曲應(yīng)力增大。當(dāng)主蒸汽壓力增大時(shí)，可關(guān)小調(diào)速汽門(mén)，使主蒸汽流量減小。從強(qiáng)度觀點(diǎn)看末幾級(jí)葉片也是安全的。當(dāng)然，主蒸汽壓力也不能過(guò)高，否則有可能造成機(jī)組過(guò)負(fù)荷，隔板、動(dòng)葉過(guò)負(fù)荷及機(jī)組軸向位移大、推力軸承故障等不安全情況的發(fā)生。

2）在調(diào)速汽門(mén)開(kāi)度不變的情況下，在主蒸汽壓力下降后，整機(jī)理想焓降下降，排汽濕度減少，主汽流量不變，機(jī)組功率降低，汽耗率增加，經(jīng)濟(jì)性下降。機(jī)組仍要發(fā)出額定功率，則主蒸汽流量會(huì)相應(yīng)增加。因此會(huì)引起非調(diào)節(jié)級(jí)各級(jí)級(jí)前壓力升高，而末幾級(jí)焓降增大，因此非調(diào)節(jié)級(jí)各級(jí)的負(fù)荷都有所增加，末幾級(jí)過(guò)負(fù)荷最為嚴(yán)重，全機(jī)的軸向推力也相應(yīng)增大。因此運(yùn)行中主蒸汽壓力下降機(jī)組應(yīng)適當(dāng)帶負(fù)荷。

3）對(duì)于噴嘴配汽定壓運(yùn)行機(jī)組來(lái)講，主蒸汽壓力越高，經(jīng)濟(jì)性越好。而對(duì)于節(jié)流配汽滑壓運(yùn)行機(jī)組，機(jī)組負(fù)荷一定時(shí)，主蒸汽壓力有一個(gè)最佳值。一般情況下，滑壓運(yùn)行機(jī)組都有特有的滑壓運(yùn)行曲線，在經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，該曲線就可以作為確定主蒸汽壓力目標(biāo)值的依據(jù)。

4）在分析主蒸汽壓力偏離目標(biāo)值對(duì)熱經(jīng)濟(jì)性的影響時(shí)，認(rèn)為主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度和汽輪機(jī)排汽壓力保持不變。主蒸汽壓力的偏離，同樣引起汽輪機(jī)進(jìn)汽狀態(tài)點(diǎn)的改變，根據(jù)擾動(dòng)順序解除法確定熱力系統(tǒng)狀態(tài)，得到機(jī)組在該狀態(tài)下的發(fā)電煤耗率及主蒸汽壓力偏離目標(biāo)值造成的能損。

3 結(jié)論

1）以往建立的主蒸汽溫度與壓力的耗差分析模型，只針對(duì)某一特定機(jī)組進(jìn)行分析，不具備通用和統(tǒng)一性，本文中建立模型是以熱力系統(tǒng)統(tǒng)一物理模型為基礎(chǔ)，模型更加直觀，規(guī)律性強(qiáng)，適應(yīng)各種機(jī)組尤其是垃圾焚燒發(fā)電廠的在線監(jiān)測(cè)分析，所以該模型形式更鮮明，計(jì)算更方便。

2）該計(jì)算方法形式簡(jiǎn)單，計(jì)算方便快捷，計(jì)算精度高，通用性強(qiáng)，適合于不同類型的火電機(jī)組，應(yīng)用于垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目，可以用標(biāo)準(zhǔn)煤熱值轉(zhuǎn)換為低熱值的垃圾焚燒量，可更直觀地在線監(jiān)測(cè)發(fā)電功耗。

3）根據(jù)所建模型定性分析了主蒸汽溫度、主蒸汽壓力變化對(duì)機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性的影響，為焚燒發(fā)電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了理論基礎(chǔ)。

［1］ 閆順林，胡三高，徐鴻，等.火電機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性分析的統(tǒng)一物理模型和數(shù)學(xué)模型［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（23）：37-41.

［2］ 鄭體寬.熱力發(fā)電廠［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1999.

［3］ 閆順林，張春發(fā)，李永華，等.火電機(jī)組熱力系統(tǒng)汽水分布通用矩陣方程［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000，20（8）：69-73，78.

［4］李曉金，曹洪濤，張春發(fā).火電機(jī)組耗差分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式和數(shù)學(xué)模型的分析研究［J］.華北電力技術(shù)，2003（8）：4-8.

［5］林萬(wàn)超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1994.

Domestic Waste Incineration-power Generation Project:Off-line Disturbance Analysis of Combustion Engines

Wang Min,Liu Shuai,Wang Qi,Liu Shuling,Gao Bo,Zhou Xin,Min Haihua,Qu Weiguo,Hao Lihua
（The Third Design Institute,North China Municipal Engineering Design and Research Institute,Tianjin 300074）

Taking large condensing steam unit as the main studying object,impact of initial temperature and pressure on system energy consumption at different loads was discussed.The disturbance model about single influencing factor of initial temperature and pressure on coal consumption was built,based on the unified physical model and the mathematic model of heateconomic analysis for coal-fired power unit.It is hoped that calculation process is more rapid and accurate in analysis of thermal energy consumption,and the model can be suitable for various kinds of coal-fired power units.

condensing steam unit；heat-economic analysis；disturbance；model

X705；X773

A

1005－8206（2011） 03－0015－03

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2006BA04A06-06）

2011-01-13

王敏（1960—），高級(jí)工程師，主要從事固體廢物處理工藝設(shè)計(jì)與研究工作，現(xiàn)任中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院設(shè)計(jì)三院專業(yè)副總。E-mail：wangmin83@cemi.com.cn。

（責(zé)任編輯：蘇媛）