燃煤機組蒸汽熱力系統(tǒng)的優(yōu)化研究

引言

燃煤發(fā)電技術仍然是目前主要的發(fā)電生產(chǎn)技術手段,在超超臨界燃煤機組的應用下,發(fā)電生產(chǎn)能耗及污染物排放得到顯著降低。但隨著蒸汽參數(shù)的提高,燃煤機組的熱力性能及結(jié)構(gòu)都會發(fā)生變化,有必要對燃煤機組的蒸汽熱力系統(tǒng)進行研究,通過構(gòu)建合理的分析模型,提高機組熱力循環(huán)效率,進一步降低系統(tǒng)能耗。

1燃煤機組蒸汽熱力系統(tǒng)分析模型

1.1無再熱機組分析模型

在研究燃煤機組的蒸汽熱力系統(tǒng)前,為方便理解熱力系統(tǒng)模型推導過程,先以無再熱機組為例,并忽略輔汽熱力系統(tǒng),構(gòu)建原始分析模型。燃煤機組的鍋爐設備主要根據(jù)熱平衡原理運行,即鍋爐中的蒸汽流量與蒸汽吸熱量的乘積等于其熱力值。在等效恰降法原理下,如果向加熱器中加入純熱量,進入該級的抽汽量就會減少一定份額。如果假設抽汽份額保持不變,就相對于增加一定量的蒸汽做功,實際的抽汽份額為兩股流量差。對于回熱加熱器而言,汽水模型分為3種,即上級加熱器疏水、凝汽器給水、汽輪機抽汽。其中,只有凝汽器給水受到加熱,其余汽水均放出熱量。若假設3種汽水都受到加熱,熱量為外部供應,并定義受到加熱為正,放出熱量為負,然后對氣流方向進行統(tǒng)一定義。在此條件下,如流量計算結(jié)果為負值,說明與假定方向相反。可根據(jù)該原則,將鍋爐和加熱器統(tǒng)一到同一個加熱模型中,對其進行數(shù)學描述。

1.2一次再熱機組分析模型

基于上述模型分析思路,在對一次再熱機組進行研究時,根據(jù)熱平衡原理,鍋爐的熱平衡式可表示為Q0=D0g0,其中Q0不是真實鍋爐吸熱量,鍋爐實際吸熱量為蒸汽在水冷壁中的吸熱量與在過熱器中的吸熱量之和,具體可表示為

其中Dk為抽汽口位于高壓缸第人級的抽汽量。對各級加熱器抽汽效率進行計算時,應扣除再熱器對該級抽汽做功的影響。假設鍋爐各加熱面具有相同的加熱效率,蒸汽流從再熱器中吸收熱量為g,做功能力增加為70g。

1.3二次再熱機組分析模型

在二次再熱機組熱力計算過程中,與一次再熱機組的區(qū)別主要在于二次再熱機組通過采用兩級蒸汽再熱,能夠提高機組熱經(jīng)濟性。在二次再熱機組高低壓加熱器中都設置有蒸汽冷卻器,采用外置式冷卻器,對抽汽過熱部分的熱量進行跨級利用,這也導致二次再熱機組蒸汽熱力系統(tǒng)相較于一次再熱機組更加復雜。要對二次再熱機組的蒸汽熱力系統(tǒng)進行研究,同樣需要建立熱平衡方程,同時應考慮輔助汽水對熱力系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響,按具體變量定義,填寫到矩陣方程中。如果原系統(tǒng)的熱力循環(huán)效率為70,那么去除輔助汽水參數(shù)影響后,實際循環(huán)效率為70'。建立二次再熱機組分析模型后,可以對4504M或w0004M機組進行驗算,并與其他熱平衡算法比較,確保模型計算結(jié)果的正確性。

2燃煤機組蒸汽熱力系統(tǒng)優(yōu)化設計策略

2.1一次再熱機組的系統(tǒng)優(yōu)化

2.1.1熱平衡計算

在燃煤機組的蒸汽熱力系統(tǒng)中,主蒸汽參數(shù)是蒸汽膨脹的起點,排氣參數(shù)則是蒸汽膨脹的終點,對其膨脹過程線進行擬定是確定機組熱力循環(huán)效率的關鍵步驟。以典型的10004M機組參數(shù)為例,通過綜合考慮汽輪機運行條件、葉片尺寸、供水方式等因素,確定排氣壓力取值范圍。蒸汽膨脹過程是在各級氣缸中完成的,氣缸的相對內(nèi)效率是蒸汽膨脹線斜率的決定因素,其自身受級效率、散熱損失和漏氣等方面的影響,如果蒸汽參數(shù)發(fā)生改變,其相對內(nèi)效率也會發(fā)生改變。通過采用上述方法構(gòu)建的模型在確定機組蒸汽熱力系統(tǒng)參數(shù)后,可以將其整理為矩陣方程,定義蒸汽流量的正負方向,計算輔汽矩陣與輔汽流量的乘積,然后計算汽輪機絕對內(nèi)效率,最后計算蒸汽熱力系統(tǒng)?效率。

2.1.2熱力系統(tǒng)性能分析

在熱力系統(tǒng)的性能分析過程中,需要改變主蒸汽參數(shù)取值,分析一系列參數(shù)值對于汽輪機的絕對內(nèi)效率影響關系。壓力可取值范圍為23~274Pa,取值間隔為w4Pa,溫度可取值范圍為580~620℃,取值間隔為10℃。通過采用專用軟件得出絕對內(nèi)效率與壓力變化關系曲線。在初壓一定的情況下,絕對內(nèi)效率會隨溫度升高而提升:在初溫一定的情況下,絕對內(nèi)效率會隨壓力升高而提升。且初始溫度和壓力越高,另一個變量提升對于絕對內(nèi)效率的影響作用越小,當初始溫度和壓力超過一定值后,另一個變量提升反而會導致絕對內(nèi)效率下降。因此,需要確定對機組熱力系統(tǒng)最有利的初溫和初壓條件。

2.1.3蒸汽參數(shù)優(yōu)化選擇

在燃煤機組蒸汽熱力系統(tǒng)的蒸汽參數(shù)優(yōu)選過程中,可基于?效率最大化原則進行主蒸汽參數(shù)確定。根據(jù)水蒸氣恰?關系,在一定溫度下存在固定壓力值使水蒸氣?值最大。那么在給水參數(shù)確定的前提下,如果給定水溫,汽輪機熱力系統(tǒng)?效率會在某個蒸汽壓力值下達到最大值,可以將此時的蒸汽壓力值作為最優(yōu)壓力值。若主蒸汽溫度為600℃,壓力為25MPa,與30MPa時的?效率相同,且明顯高于35MPa時的?效率,則蒸汽最優(yōu)壓力值應取25MPa。如果蒸汽溫度較高,比如在650℃時,則應選擇更高的30MPa作為最優(yōu)壓力值。

2.2二次再熱機組的系統(tǒng)優(yōu)化

2.2.1二次再熱循環(huán)模型分析

如果蒸汽參數(shù)值在現(xiàn)有基礎上再次提高一個等級,汽輪機末級蒸汽濕度會明顯下降,影響發(fā)電效率及機組運行安全性。采用二次再熱蒸汽熱力系統(tǒng),可以有效解決這一問題,目前我國已經(jīng)具備二次再熱機組生產(chǎn)技術條件。在對二次再熱機組進行研究時,同樣需要建立分析模型,并將主蒸汽參數(shù)與排氣參數(shù)分別作為蒸汽膨脹的起點、終點。在一次再熱機組主蒸汽壓力25MPa的基礎上,擬定其壓力值提高至31MPa,機組主蒸汽溫度仍為600℃,再熱溫度為610℃。按照上述方法確定各級回熱系統(tǒng)恰升,采用平均分配法設計回熱系統(tǒng)。通過分析主蒸汽壓力和溫度變化對絕對內(nèi)效率值的影響,完成曲線擬合工作,分析再熱和回熱方案的熱力性能水平。在該條件下,采用九級回熱系統(tǒng),二次再熱系統(tǒng)獲得的收益更大。

2.2.2MC循環(huán)改造

限制超超臨界機組發(fā)展的一個主要問題是汽輪機末級蒸汽濕度過大,容易影響機組安全性。通過引進二次再熱機組,可解決末級濕氣損失問題,但需要考慮可能出現(xiàn)的高中壓缸排汽溫度、抽汽氣流溫度過高的問題。隨著系統(tǒng)主蒸汽壓力、溫度的提升,二次再熱機組的過熱現(xiàn)象會造成大量的?效率損失,甚至降低機組熱經(jīng)濟性。針對這一問題,可采用MC循環(huán)改造方案,在高壓缸排汽系統(tǒng)中設置單獨的小汽輪機,代替中壓缸抽汽,解決抽汽過熱問題。

2.2.3再熱壓力的最優(yōu)化選擇

在二次再熱機組的再熱壓力最優(yōu)化選擇過程中,需要建立再熱壓力選擇模型,擬定回熱系統(tǒng)參數(shù)。假設各級抽汽壓力的損失系數(shù)為0.95,可根據(jù)各級抽汽壓力確定加熱器內(nèi)汽側(cè)的平均壓力,然后根據(jù)設計端差確定加熱器的水側(cè)出口溫度,并根據(jù)水側(cè)壓力,計算加熱器出口恰,根據(jù)平均分配原則,確定兩級加熱器恰升。最后根據(jù)絕對內(nèi)效率與主蒸汽參數(shù)關系,確定一次和二次再熱壓力的最優(yōu)取值,改善二次再熱機組的運行效率。

3結(jié)語

綜上所述,在燃煤機組蒸汽熱力系統(tǒng)研究過程中,需要采用數(shù)學模型分析方法,準確計算燃煤機組熱力性能參數(shù)值。在此基礎上,通過對系統(tǒng)進行優(yōu)化設計,合理選擇蒸汽參數(shù)及再熱壓力,可以提高燃煤機組蒸汽熱力系統(tǒng)的熱力循環(huán)效率,幫助電力企業(yè)降低能耗,提高經(jīng)濟效益。因此,應提高對燃煤機組蒸汽熱力系統(tǒng)設計優(yōu)化的重視程度。