段 江， 李 明

(國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司， 西安 710004)

基于回路做功能力原理的熱力系統(tǒng)矩陣分析方法——能級(jí)效率法，具有計(jì)算精度高、物理意義明確、模板定制性強(qiáng)、易于編程等特點(diǎn)，在熱力系統(tǒng)能損分析、熱經(jīng)濟(jì)性分析和汽輪機(jī)組熱力性能試驗(yàn)結(jié)果分析等領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。

筆者采用能級(jí)效率法對(duì)600 MW亞臨界汽輪機(jī)(簡(jiǎn)稱主汽輪機(jī))的汽輪機(jī)熱耗驗(yàn)收(THA)工況的熱耗和能損進(jìn)行了分析研究,并以此為依據(jù)，得到了給水泵汽輪機(jī)(簡(jiǎn)稱小汽輪機(jī))效率提升對(duì)主汽輪機(jī)熱耗影響的計(jì)算方法。

1 能級(jí)效率法的計(jì)算原理

根據(jù)回路做功能力原理，1 kg工質(zhì)在熱力系統(tǒng)中沿任何一個(gè)閉合路徑運(yùn)動(dòng)后回到初始位置，其在熱力系統(tǒng)中的做功能力保持不變。工質(zhì)在熱力系統(tǒng)中的實(shí)際做功能力，由其所攜帶的能量和在熱力系統(tǒng)中的作用位置決定，與具體做功路徑無(wú)關(guān)。熱量對(duì)熱力系統(tǒng)的作用不僅與熱量的多少有關(guān)，還與熱量進(jìn)出熱力系統(tǒng)的位置有關(guān)，不同的位置具有不同的能級(jí)，具有不同的能量品質(zhì)，即熱功轉(zhuǎn)化的能力不同[3-4]。

2 汽輪機(jī)能損計(jì)算

主汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)的基本循環(huán)由3個(gè)高壓加熱器、1個(gè)除氧器、4個(gè)低壓加熱器組成，見圖1。

HP—高壓加熱器；DEAER—除氧器；LP—低壓加熱器。圖1 主汽輪機(jī)基本循環(huán)系統(tǒng)示意圖

根據(jù)熱力系統(tǒng)的特點(diǎn)，整理出高壓主蒸汽進(jìn)汽腔室漏汽(輔汽A、B)、調(diào)節(jié)級(jí)后夾層漏汽至高壓缸排汽(簡(jiǎn)稱高排)漏汽(輔汽C)、高壓缸進(jìn)汽側(cè)各段汽封漏汽(輔汽L1、M1、N1)、高壓缸排汽側(cè)各段汽封漏汽(輔汽L2、M2、R2)、高排去中壓缸進(jìn)口漏汽(輔汽J), 中壓缸進(jìn)口去3段抽汽的漏汽(輔汽K),中壓缸排汽側(cè)各段汽封漏汽(輔汽P3、P4、R3、R4)、低壓缸排汽側(cè)各段汽封漏汽(輔汽S5、R5、S6、R6)、軸封均壓箱疏水(輔汽W)、小汽輪機(jī)的用汽(輔汽X)等輔助汽水和純熱量(給水泵給水焓升、凝結(jié)水泵水焓升)的損失和回收位置并歸類。

2.1 基本循環(huán)計(jì)算

根據(jù)熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，填寫基本循環(huán)的結(jié)構(gòu)矩陣A。

(1)

式中：下標(biāo)0為鍋爐；下標(biāo)1～8為1～8段抽汽；τ為水的焓升,kJ；q為抽汽放熱量，kJ；γ為疏水放熱量，kJ。

根據(jù)熱力系統(tǒng)再熱特點(diǎn)，填寫再熱結(jié)構(gòu)矩陣Cm+1，當(dāng)再熱冷段前的抽汽級(jí)數(shù)m為2時(shí)：

C3=[1 1 1 0 0 0 0 0 0]T

(2)

再熱矩陣σ為：

σ=σrhCm+1

(3)

式中：σrh為再熱器吸熱量，kJ。

各能級(jí)等效做功能力矩陣φeq為：

φeq=(h-hc)+σ

(4)

式中：h為各級(jí)抽汽比焓矩陣，kJ；hc為主汽輪機(jī)排汽比焓矩陣，kJ。

能級(jí)效率矩陣η為：

η=(A+σe1)-1φeq

(5)

e1=[1 0 0 0 0 0 0 0 0]

能級(jí)效率矩陣的各行數(shù)據(jù)即為各段抽汽的能級(jí)效率。

基本循環(huán)的熱耗qB為：

(6)

式中：ηB為基本循環(huán)的效率；ηm為機(jī)械效率；ηg為發(fā)電機(jī)效率。

根據(jù)以上矩陣算法，主汽輪機(jī)THA工況基本循環(huán)的能級(jí)效率和熱耗計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 基本循環(huán)的能級(jí)效率和熱耗計(jì)算結(jié)果

2.2 附加損失計(jì)算

若已知第k種外部因素的焓矩陣為ak，其對(duì)熱力系統(tǒng)做功能力的影響矩陣φk為：

φk=akη

(7)

根據(jù)輔助汽水和純熱量在熱力系統(tǒng)中進(jìn)出的位置，計(jì)算主汽輪機(jī)THA工況下輔助汽水和純熱量對(duì)熱力系統(tǒng)造成的各種能損或回收，結(jié)果見表2。

表2 輔助汽水和純熱量的能損計(jì)算結(jié)果 kJ/(kW·h)

2.3 實(shí)際循環(huán)熱耗計(jì)算

綜合考慮各種損失后，實(shí)際循環(huán)的熱耗qk為：

qR=qB+∑Δqk=qB+

(ΔqfA+ΔqfB+ΔqfC)+(ΔqfL1+

ΔqfM1+ΔqfN2)+(ΔqfL2+ΔqfM2+ΔqfR2)

(ΔqfJ+ΔqfK+ΔqfP3+fP4)+(ΔqfR3+fR4+

ΔqfS5+fS6+ΔqfR5+fR6)+(ΔqfW+ΔqfX+

ΔqFP+ΔqCP)

(8)

式中:Δqk為第k種外部因素造成基本循環(huán)的能損；ΔqfA、ΔqfB、ΔqfC、ΔqfL1、ΔqfM1、ΔqfN2、ΔqfL2、ΔqfM2、ΔqfR2、ΔqfJ、ΔqfK、ΔqfP3+fP4、ΔqfS5+fS6、ΔqfR5+R6、ΔqfW、ΔqfX、ΔqFP、ΔqCP分別為輔汽A、B、C、L1、M1、N1、L2、M2、R2、J、K，P3+P4、S5+S6、R5+R6、W、X、給水泵給水焓升、凝結(jié)水泵水焓升造成的能損。

與廠家提供的平衡圖熱耗相比，THA工況的熱耗偏差為1.27 kJ/(kW·h)，熱耗相對(duì)偏差為0.013%，完全能滿足熱力系統(tǒng)能損分析的精度要求。

2.4 小汽輪機(jī)提效能損分析

輔汽X質(zhì)量流量為65 245 kg/h，從主汽輪機(jī)的中壓缸排汽處抽出，經(jīng)過(guò)小汽輪機(jī)做功后再排入主汽輪機(jī)的凝汽器。這部分的蒸汽對(duì)主汽輪機(jī)而言是出熱力系統(tǒng)的汽水損失，造成主汽輪機(jī)的熱耗增加了177.36 kJ/(kW·h)。

小汽輪機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行后，性能劣化較嚴(yán)重，采用新的葉型和通流技術(shù)對(duì)小汽輪機(jī)進(jìn)行通流部分技術(shù)改造后，可提高其通流部分效率，降低蒸汽需求，從而降低主汽輪機(jī)的能損，降低主汽輪機(jī)的熱耗?？梢岳玫?.3節(jié)的計(jì)算分析結(jié)果評(píng)估小汽輪機(jī)的效率提高對(duì)主汽輪機(jī)熱耗的影響。

第2.3節(jié)的計(jì)算分析將小汽輪機(jī)和主汽輪機(jī)進(jìn)行了解耦，小汽輪機(jī)的效率變化對(duì)主汽輪機(jī)而言，僅僅是輔汽X造成的能損。由于小汽輪機(jī)提效前后，輔汽X的進(jìn)出主汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)的位置不發(fā)生變化，單位質(zhì)量輔汽X的能損不發(fā)生變化，該能損僅僅是與輔汽X的流量成線性關(guān)系。

小汽輪機(jī)的提效對(duì)主汽輪機(jī)的熱耗影響計(jì)算就是保持小汽輪機(jī)所需蒸汽的能量一致。在小汽輪機(jī)效率提升后，核算出所需要的蒸汽流量。按線性比例關(guān)系折算出主汽輪機(jī)的能損，小汽輪機(jī)提效前后主汽輪機(jī)的能損差值，就是小汽輪機(jī)的效率提高造成主汽輪機(jī)的熱耗降低值。具體案例的計(jì)算結(jié)果可見表3。

表3 小汽輪機(jī)提效前后差異

由表3可以看出：小汽輪機(jī)的效率從81.29%提升到85.00%后，如保持有效能量不變，則小汽輪機(jī)所需的蒸汽質(zhì)量流量從65 245 kg/h下降到62 398 kg/h，使主汽輪機(jī)的能損從177.36 kJ/(kW·h)下降到169.62 kJ/(kW·h)，降低了7.74 kJ/(kW·h)。

進(jìn)一步可以得出，小汽輪機(jī)的效率每提高1百分點(diǎn)，主汽輪機(jī)的熱耗降低2.1 kJ/(kW·h)。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 能級(jí)效率法的計(jì)算精度高、實(shí)用性強(qiáng)，特別適合用于對(duì)熱力系統(tǒng)能量回收和能損進(jìn)行定量計(jì)算分析，可應(yīng)用于計(jì)算分析小汽輪機(jī)的提效對(duì)主汽輪機(jī)的熱耗影響。

(2)小汽輪機(jī)的效率在80%～85%時(shí)，小汽輪機(jī)的效率每提高1百分點(diǎn)，主汽輪機(jī)的熱耗可降低2.1 kJ/(kW·h)。