郭　強(qiáng), 孫苗青, 張龍英, 李慶華, 張學(xué)鐳

(1. 國(guó)網(wǎng)山西省電力公司 電力科學(xué)研究院，山西太原030001；2. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003)

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回收乏汽余熱的高背壓供熱方式性能分析

郭強(qiáng)1, 孫苗青2, 張龍英1, 李慶華1, 張學(xué)鐳2

(1. 國(guó)網(wǎng)山西省電力公司 電力科學(xué)研究院，山西太原030001；2. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003)

摘要：回收汽輪機(jī)乏汽余熱用于供熱，具有顯著的節(jié)能效果。以某330 MW直接空冷機(jī)組為例，建立了回收乏汽余熱的高背壓供熱機(jī)組熱力性能計(jì)算模型，對(duì)比了高背壓供熱方式和傳統(tǒng)供熱方式的性能，分析了主要因素對(duì)供熱系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)供熱方式相比，高背壓供熱方式可以節(jié)省大量的高品質(zhì)抽汽，可使汽輪機(jī)的發(fā)電功率增加21.8 MW，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率降低22.9 g/kW·h。隨著熱網(wǎng)返回水溫的升高，高背壓供熱機(jī)組的發(fā)電功率逐漸降低，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率逐漸升高，高背壓供熱方式更適合熱網(wǎng)返回水溫度較低的供熱系統(tǒng)。熱網(wǎng)水量增加，使高背壓供熱機(jī)組的發(fā)電功率減少，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率降低，高背壓供熱方式更適合于熱網(wǎng)水量大、供熱量大的供熱系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：余熱利用；高背壓；熱電聯(lián)產(chǎn)；供熱

0引言

在火力發(fā)電廠能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中，將產(chǎn)生大量的冷源損失[1]。如果將這部分冷源損失加以利用，會(huì)大大提高汽輪機(jī)組的循環(huán)熱效率。汽輪機(jī)高背壓乏汽供熱就是為了利用汽輪機(jī)的冷源損失而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)節(jié)能環(huán)保技術(shù)。該供熱方式提高了汽輪機(jī)的排汽壓力和排汽溫度，利用汽輪機(jī)的乏汽加熱熱網(wǎng)水，從而達(dá)到回收乏汽余熱、節(jié)約汽輪機(jī)高品質(zhì)供熱抽汽的目的[2]。

文獻(xiàn)[3]分析了“雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換”和“低壓缸一次性改造”兩種汽輪機(jī)高背壓供熱改造技術(shù)，對(duì)比了兩種方案的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，研究了兩種改造技術(shù)的可行性。文獻(xiàn)[4]研究了200 MW高背壓循環(huán)水供熱機(jī)組的熱力特性，分析了影響系統(tǒng)性能的主要因素。文獻(xiàn)[5]針對(duì)某300 MW空冷機(jī)組，提出了高背壓供熱改造方案，分析了改造后的運(yùn)行參數(shù)和供熱效果，指出高背壓供熱方式能夠有效解決北方城市供熱不足的問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]分析了某135 MW高背壓供熱改造機(jī)組的性能考核指標(biāo)，并以此評(píng)價(jià)了改造后的低壓缸性能和高背壓供熱技術(shù)。文獻(xiàn)[7]以300 MW直接空冷機(jī)組為例，分析了應(yīng)用大溫差供熱技術(shù)機(jī)組高背壓運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[8]對(duì)直接空冷機(jī)組高背壓供熱方式下的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，得到了供熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算與判定的公式和準(zhǔn)則。文獻(xiàn)[9]針對(duì)直接空冷機(jī)組熱效率低、冷端損失大、經(jīng)濟(jì)性差的問(wèn)題，提出了直接空冷機(jī)組高背壓供熱的改造方案。文獻(xiàn)[10]利用T-Q圖對(duì)高背壓供熱的換熱過(guò)程進(jìn)行分析，得到了低壓缸換軸改造實(shí)現(xiàn)高背壓供熱的實(shí)際能耗。

回收乏汽余熱的高背壓供熱方式具有較廣闊的應(yīng)用前景，已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。但目前在評(píng)價(jià)高背壓供熱方式的熱經(jīng)濟(jì)性時(shí)，尚未建立較為完善的高背壓供熱機(jī)組熱力性能計(jì)算模型，而僅通過(guò)簡(jiǎn)單公式粗略估算高背壓供熱對(duì)機(jī)組功率和煤耗率的影響。另外，返回水溫、熱網(wǎng)水量等因素對(duì)高背壓供熱方式熱力性能的影響尚不清晰。為此，以某330 MW直接空冷機(jī)組為例，建立了回收乏汽余熱的高背壓供熱機(jī)組熱力性能計(jì)算模型，對(duì)比了高背壓供熱方式和傳統(tǒng)供熱方式的性能，分析了返回水溫、熱網(wǎng)水量等主要因素對(duì)供熱系統(tǒng)性能的影響。

1供熱方式

如圖1(a)所示，傳統(tǒng)供熱方式是利用汽輪機(jī)抽汽在熱網(wǎng)加熱器中直接加熱熱網(wǎng)水。高背壓供熱方式增設(shè)了一個(gè)熱網(wǎng)凝汽器，先利用汽輪機(jī)乏汽加熱熱網(wǎng)返回水，從而回收乏汽余熱，而后利用汽輪機(jī)抽汽在峰載加熱器中加熱熱網(wǎng)水至供水溫度，如圖1(b)所示。當(dāng)供熱量較低時(shí)，僅通過(guò)熱網(wǎng)凝汽器加熱熱網(wǎng)水即可滿足供熱要求；在供熱高峰期，熱網(wǎng)凝汽器和峰載加熱器聯(lián)合加熱熱網(wǎng)水，從而達(dá)到熱網(wǎng)要求的供水溫度。

圖1　供熱方式

相比傳統(tǒng)供熱方式，高背壓供熱回收了汽輪機(jī)乏汽余熱，乏汽在低壓缸內(nèi)做過(guò)功后再參與供熱，實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用；但另一方面，高背壓供熱方式需要提高機(jī)組的背壓，使得蒸汽在低壓缸內(nèi)的焓降減少。

2熱力性能計(jì)算模型

2.1研究對(duì)象

圖2為某330 MW直接空冷高背壓供熱機(jī)組。系統(tǒng)共有7級(jí)不調(diào)節(jié)抽汽，3臺(tái)高加，3臺(tái)低加，1臺(tái)除氧器。所有的高加和低加均裝設(shè)了疏水冷卻器。在中低壓連通管上設(shè)置蝶閥，供熱用汽從中低壓連通管引出。從汽輪機(jī)主排汽管上增設(shè)一排汽管路至熱網(wǎng)凝汽器，通過(guò)熱網(wǎng)凝汽器首先加熱熱網(wǎng)返回水，熱網(wǎng)凝汽器的疏水引回?zé)崴?；利用汽輪機(jī)中壓缸排汽在峰載加熱器再次加熱熱網(wǎng)水，峰載加熱器的疏水引回除氧器。

圖2　高背壓供熱機(jī)組

以THA工況作為機(jī)組熱力性能計(jì)算的基準(zhǔn)工況。熱力系統(tǒng)變工況計(jì)算所需的基本數(shù)據(jù)包括蒸汽的流量、狀態(tài)參數(shù)和汽輪機(jī)葉片及通流部分的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，從汽輪機(jī)制造廠家提供的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)及工況圖上經(jīng)深度數(shù)據(jù)挖掘得到。

2.2調(diào)節(jié)級(jí)的計(jì)算

如圖2所示，將調(diào)節(jié)級(jí)定義為第0級(jí)組，將汽輪機(jī)壓力級(jí)按抽汽口位置劃分為8個(gè)級(jí)組。調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)前的狀態(tài)根據(jù)主汽門前蒸汽的狀態(tài)及進(jìn)汽損失確定，調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)后壓力按照式(1)計(jì)算

(1)

式中：p2表示級(jí)組后的壓力，MPa；G為通過(guò)級(jí)組的流量，t/h；下角標(biāo)d表示設(shè)計(jì)工況。

根據(jù)調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)后壓力和調(diào)節(jié)級(jí)效率即可確定調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)后蒸汽的狀態(tài)。

2.3壓力級(jí)組的計(jì)算

對(duì)于任一壓力級(jí)組，其熱力性能由弗留格爾公式及其對(duì)應(yīng)的回?zé)峒訜崞鳠崞胶夥匠逃?jì)算得到。假設(shè)第i壓力級(jí)組的級(jí)后狀態(tài)已確定，那么可根據(jù)加熱器的熱平衡得到第i級(jí)加熱器的抽汽量。第(i+1)壓力級(jí)組級(jí)前狀態(tài)由第i級(jí)組確定，其流量按如下式計(jì)算

(2)

式中：Di為第i級(jí)加熱器的回?zé)岢槠浚瑃/h。

根據(jù)弗留格爾公式，對(duì)于采暖抽汽口之前的級(jí)組(第1～第5)，其級(jí)組后壓力按(3)式計(jì)算；對(duì)于采暖抽汽口之后的級(jí)組(第6～第8)，其級(jí)組后壓力根據(jù)(1)式計(jì)算。

(3)

式中：p0表示級(jí)組前的壓力；T0表示級(jí)組前的溫度；下角標(biāo)0表示級(jí)組前的參數(shù)；下角標(biāo)2表示級(jí)組后的參數(shù)。

在得到第(i+1)級(jí)組后壓力的基礎(chǔ)上，根據(jù)級(jí)組效率就可確定第(i+1)級(jí)組后蒸汽的狀態(tài)，整個(gè)計(jì)算的流程如圖3所示。

圖3　計(jì)算框圖

2.4級(jí)組效率和小汽水流量

根據(jù)廠家提供的TMCR，THA，75%THA，50%THA及40%THA工況下熱力系統(tǒng)參數(shù)，可以計(jì)算出各級(jí)組的效率，并將各級(jí)組效率、輔助小汽水流量擬合成主蒸汽流量的函數(shù)。

2.5模型檢驗(yàn)

確定了各級(jí)組前后的狀態(tài)及流量，即可計(jì)算出給定主蒸汽量、排汽壓力和供熱抽汽量下汽輪發(fā)電機(jī)組的功率。為了檢驗(yàn)所建模型的正確性，以THA工況為基準(zhǔn)，對(duì)其他工況下熱力系統(tǒng)性能進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

圖4　設(shè)計(jì)值與計(jì)算值的比較

從圖4可以看出，利用本文所建模型得出的機(jī)組負(fù)荷與設(shè)計(jì)值的誤差較小，從而驗(yàn)證了所建模型的正確性。其最大相對(duì)誤差為0.8%，能夠滿足工程需要。

3高背壓供熱方式性能分析

3.1性能指標(biāo)

按熱量法計(jì)算供熱機(jī)組的熱耗率和發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率。汽輪機(jī)的熱耗率為：

(4)

供熱機(jī)組的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率為：

(5)

式中：bs為發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，g/kW·h；ηb為鍋爐效率，取92%；ηp為管道效率，取99%；ql為煤的低位發(fā)熱量，取29.27 MJ/kg。

3.2計(jì)算結(jié)果

表1是高背壓供熱方式與傳統(tǒng)供熱方式的性能計(jì)算結(jié)果。如表1所示，在主蒸汽流量和供熱量一定的情況下，高背壓供熱方式需要5段抽汽量204.4 t/h，比傳統(tǒng)供熱方式減少了306.5 t/h。雖然高背壓供熱方式的背壓高于傳統(tǒng)供熱方式，但由于節(jié)省了大量的5段抽汽，可使汽輪機(jī)的發(fā)電功率增加21.8 MW。高背壓供熱方式可回收345.2 t/h的乏汽用于供熱，從而使汽輪機(jī)的熱耗率相比傳統(tǒng)供熱方式降低了609.8 kJ/kW·h，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率降低22.9 g/kW·h。

表1　計(jì)算結(jié)果

3.3影響因素分析

3.3.1返回水溫的影響

熱網(wǎng)返回水溫對(duì)供熱系統(tǒng)的性能有較大的影響，如圖5所示。計(jì)算時(shí)，主蒸汽流量為1 005.2 t/h，熱網(wǎng)水量為8 000 t/h，供熱量為372 MW；傳統(tǒng)供熱方式和高背壓供熱方式的排汽壓力分別為12 kPa，34 kPa，在熱網(wǎng)凝汽器端差為3 ℃的情況下，熱網(wǎng)凝汽器出口水溫為69 ℃。

圖5　熱網(wǎng)返回水溫的影響

由于供熱量不變，傳統(tǒng)供熱方式下熱網(wǎng)加熱器的用汽量、發(fā)電功率、標(biāo)準(zhǔn)煤耗率均不隨熱網(wǎng)返回水溫的變化而變化。而對(duì)于高背壓供熱方式，在供熱量和熱網(wǎng)水量一定的情況下，隨著熱網(wǎng)返回水溫的升高，熱網(wǎng)供水溫度也將相應(yīng)升高。在熱網(wǎng)凝汽器出口水溫一定的情況下，熱網(wǎng)返回水溫的變化意味著抽汽供熱和乏汽供熱的份額將發(fā)生變化。如圖5所示，隨著熱網(wǎng)返回水溫的升高，供熱抽汽量將增加，供熱乏汽量將減少，從而導(dǎo)致發(fā)電功率隨之逐漸降低，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率隨之逐漸升高。當(dāng)熱網(wǎng)返回水溫超過(guò)58 ℃時(shí)，高背壓供熱方式下機(jī)組的發(fā)電功率將低于傳統(tǒng)供熱方式；當(dāng)熱網(wǎng)返回水溫超過(guò)62.5 ℃時(shí)，高背壓供熱方式下機(jī)組的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率將高于傳統(tǒng)供熱方式。這說(shuō)明高背壓供熱方式更適合于熱網(wǎng)返回水溫度較低的供熱系統(tǒng)。

3.3.2 熱網(wǎng)水量的影響

熱網(wǎng)水量對(duì)供熱機(jī)組性能的影響如圖6所示。計(jì)算時(shí)，主蒸汽流量為1 005.2 t/h，熱網(wǎng)返回水溫度為45 ℃，熱網(wǎng)供水溫度為85 ℃，傳統(tǒng)供熱方式和高背壓供熱方式的排汽壓力分別為12 kPa，34 kPa，在熱網(wǎng)凝汽器端差為3 ℃的情況下，熱網(wǎng)凝汽器出口水溫為69 ℃。

圖6　熱網(wǎng)水量的影響

從圖6可以看出，隨著熱網(wǎng)水量的增加，機(jī)組的供熱量增大，供熱抽汽量和回收的乏汽量亦增加，從而機(jī)組的發(fā)電功率隨著供熱抽汽量的增加而減少。由于按熱量法分配電、熱能耗，機(jī)組的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率也隨著供熱量的增加而降低。當(dāng)熱網(wǎng)水量一定時(shí)，高背壓供熱機(jī)組的發(fā)電功率高于傳統(tǒng)供熱機(jī)組，而發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率則低于傳統(tǒng)供熱機(jī)組，二者的差值隨著熱網(wǎng)水量的增大而增加。這說(shuō)明高背壓供熱方式更適合于熱網(wǎng)水量大、供熱量大的供熱系統(tǒng)。

3.3.3熱網(wǎng)凝汽器出口水溫的影響

高背壓供熱方式中，熱網(wǎng)凝汽器出口水溫對(duì)供熱機(jī)組性能的影響如圖7所示。計(jì)算時(shí)，主蒸汽流量為1 005.2 t/h，熱網(wǎng)返回水溫度為45 ℃，熱網(wǎng)供水溫度為85 ℃，熱網(wǎng)水量為8 000 t/h，熱網(wǎng)凝汽器的端差為3 ℃。

圖7　熱網(wǎng)凝汽器出口水溫的影響

在端差一定的情況下，熱網(wǎng)凝汽器出口水溫越高，機(jī)組的排汽壓力也越高。從圖7可以看出，在熱網(wǎng)水量、熱網(wǎng)返回水溫、熱網(wǎng)供水溫度均一定的情況下，熱網(wǎng)凝汽器出口水溫的變化意味著抽汽供熱和乏汽供熱的份額將發(fā)生改變。隨著熱網(wǎng)凝汽器出口水溫的升高，供熱抽汽量將減少，供熱乏汽量將增加。從而發(fā)電功率隨供熱抽汽量的減少而升高，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率隨供熱乏汽量的增加而降低。

4結(jié)論

(1) 與傳統(tǒng)供熱方式相比，高背壓供熱方式可以節(jié)省大量的高品質(zhì)抽汽，可使汽輪機(jī)的發(fā)電功率增加21.8 MW，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率降低22.9 g/kW·h。

(2) 隨著熱網(wǎng)返回水溫的升高，高背壓供熱方式的供熱抽汽量將增加，供熱乏汽量將減少，從而導(dǎo)致發(fā)電功率逐漸降低，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率逐漸升高。當(dāng)熱網(wǎng)返回水溫超過(guò)62.5 ℃時(shí)，高背壓供熱方式下機(jī)組的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率將高于傳統(tǒng)供熱方式。因此，高背壓供熱方式適用于熱網(wǎng)返回水溫度較低的供熱系統(tǒng)。

(3) 熱網(wǎng)水量增加，使高背壓供熱機(jī)組的發(fā)電功率減少，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率降低。熱網(wǎng)水量越大，高背壓供熱方式相比于傳統(tǒng)供熱方式的收益越高。高背壓供熱機(jī)組適合于熱網(wǎng)水量大、供熱量大的供熱系統(tǒng)。

(4) 隨著熱網(wǎng)凝汽器出口水溫的升高，高背壓供熱機(jī)組的發(fā)電功率逐漸升高，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率逐漸降低。

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Performance Analysis of High Back Pressure Heating Supply with Exhaust Steam Heat Recovery

GUO Qiang1, SUN Miaoqing2, ZHANG Longying1, LI Qinghua1, ZHANG Xuelei2

(1.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute,Taiyuan 030001,China; 2. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Abstract：Surplus heat utilization of the turbine can save great energy. Taking a 330 MW direct air-cooled unit as an example, the calculation model of high back pressure cogeneration unit with surplus heat recovery is built, and comparison of the heating supply performance between the high back pressure mode and traditional mode is also conducted. Afterwards, the factors influencing high back pressure cogeneration unit are investigated. The results show that high back pressure mode can save much high quality extracted steam, comparing with traditional mode, which increases turbine power by 21.8 MW and decreases coal consumption rate by 22.9 g/kW·h. The turbine power of high back pressure mode decreases gradually with the increase of the return water temperature, while the coal consumption rate enhances. It shows that high back pressure mode is more suitable for the heating system with a lower return water temperature. The enhancement of heating water flow decreases the turbine power as well as the coal consumption rate, which denotes that high back pressure mode more suitable for the heating system with a higher heating load.

Keywords：heat recovery; high back pressure; cogeneration; heating supply

收稿日期：2016-03-09。

作者簡(jiǎn)介：郭強(qiáng)(1980-)，男，工程師，主要從事汽輪機(jī)技術(shù)及入網(wǎng)機(jī)組安全性評(píng)價(jià)工作，E-mail: 1024_wb@sina.com。

中圖分類號(hào):TK262

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.04.010