基于統一模型及計算原則的汽輪機耗差分析

寇懷成, 趙立軍, 吳云杰

(1.北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院,北京 100083;2.杭州和利時自動化有限公司,北京 100096)

耗差分析指在基礎工況下,某個參數變化引起的標準煤耗變化,也叫偏差分析.目前的計算方法可以分為兩類:一種直接從定義出發,以變工況計算獲得參數變化后的新工況,并計算兩個工況的煤耗差,最基本的方法是利用汽輪機外部能量平衡,或從蒸汽通過內部流通環節時參數的變化進行推導[1];另一種方法直接進行求導或采用近似方法直接地考慮某個參數變化后引起的煤耗偏差量,例如理想曲線修正[2]、等效焓降法[3]、小偏差法[4]、對循環效率的微分[5]及耗差系數等[6].當然也存在兩者的結合[7].由于變工況計算對參數的影響考慮得更加全面,所以具有更高的精度.本文建立起統一的機組各部分在工作點處的簡化模型和計算原則,以其作為變工況計算的指導,能夠有效地進行汽輪機側不同參數的耗差計算過程.同時,由于采用統一的計算基礎,所以耗差計算過程更加清楚,更容易掌握.

1 耗差分析的統一模型和計算原則

1.1 數學模型

首先建立工作點處各主要組件的線性化模型,其工作點是指當前工況下的參數值或某種關系.

1.1.1 汽輪機本體模型

(1)模型A,汽輪機本體各缸工作過程中蒸汽膨脹線在工作點處保持形狀不變,位置只在入口蒸汽溫度變化時平移.

(2)模型B,汽輪機本體壓力和流量模型,根據弗留格爾公式,對汽輪機的任意一個級組

式中:D和D0分別為兩種工況下的蒸汽流量;pin和pin0分別為兩種工況下的入口壓力;pout和pout0為兩種工況下的出口壓力;Tin和Tin0為兩種工況下的入口溫度.

式中:D、p、T分別為流量、壓力和溫度;C1為常數.當溫度變化很小時,可以再簡化為

式中:C2為常數.

1.1.2 鍋爐模型

(1)模型C,鍋爐效率模型,當計算汽輪機側參數耗差時,認為鍋爐效率不變.

(2)模型D,再熱器模型,再熱器是一個能量交換系統,當結構不改變時,可認為在當前工作點處效率不變,這相當于再熱器減溫水流量Dri與再熱器冷端和熱端的蒸汽流量Drh的比值不變,即:

式中:C3為常數.

再熱蒸汽溫度變化會改變工作點,再熱器壓損或者再熱器減溫水流量變化相當于改變了再熱器結構,此時模型不再有效,再熱器減溫水流量需要根據

1.2.2 節中的原則確定.

(3)模型E,過熱器模型,如果過熱器減溫水也取自給水泵抽頭時,過熱器模型與再熱器類似;如果取自最后一級加熱器出口,由于此時減溫水流量的變化不會影響循環效率,只要保證減溫水和給水之和與主蒸汽流量保持平衡即可,具體比例可不予考慮,簡單的處理方法是認為減溫水流量保持不變.

1.1.3 其他模型

(1)模型F,加熱器模型,認為加熱器無能量損失,同時加熱器上下端差固定,只有當計算端差的耗差時,改變響應端差值.

(2)模型G,汽水管路模型,各管道壓損系數不變.

(3)模型H,凝結水管路模型,從凝結水到第一級低壓加熱器入口,進出管路的能量不變.

1.2 耗差計算的統一性原則

在確立耗差分析基于工作點確定模型的基礎上,再建立計算過程中其他的一致性規則,這包括計算過程的統一.

1.2.1 原則1,耗差參數的唯一性

參與耗差計算的參數每次只能改變一個,計算結果為該參數的耗差分析值.

1.2.2 原則2,質量的封閉性

當主蒸汽流量和再熱蒸汽流量變化時,其變化量全部為抽汽流量,排汽流量和再熱蒸汽流量等可計算流量所分擔;同時主蒸汽變化量由主給水和過熱減溫水補充(減溫水來源不同時可參照1.1.2節中(3)的過熱器模型處理),再熱蒸汽變化量由再熱器減溫水補充,這樣可保證整個機組質量變化的封閉性,避免產生矛盾.這相當于把汽輪機的蒸汽循環人為地分成兩部分:主給水形成的外循環和再熱器減溫水形成的內循環,見圖1,這種人為劃分有助于更加透徹地分析熱力參數的影響.

1.2.3 原則3,加熱器系統的迭代計算

根據汽輪機熱力性能試驗規程,當加熱器熱力循環過程中任意參數發生變化時,采用迭代方式得到穩態參數值更為可靠和準確,而這種方式適用于汽輪機任何參數的改變,計算過程見2.1節主蒸汽壓力耗差的計算.

以上各種模型和原則涵蓋了火電機組熱力系統的全部子系統及單個組件(見圖1),所以能夠得到系統中任意一個參數的變工況計算方法,而且模型和原則之間還存在著相互覆蓋,例如在工作點不變時,再熱器減溫水的流量可以按照模型D計算,也可以根據原則2的質量封閉性計算,兩者的結果是一致的.這也說明了模型和原則的一致性,不存在假設和計算上的矛盾.

圖1 簡化模型和原則在熱力系統中的位置Fig.1 Location of simplified models and rules in thermal sy stem

2 主參數的耗差分析

由于篇幅所限,這里只介紹幾個蒸汽參數的耗差分析模型,汽輪機側其他任何可計算參數耗差都可采用類似過程,并針對具體情況進行分析.將主蒸汽壓力作為第一個例子詳細介紹,而后面的參數耗差計算只對其中比較特殊的問題進行說明,對通用部分不再贅述.

2.1 主蒸汽壓力耗差

2.1.1 各參數的確定

當蒸汽壓力變化后,其他的參數值及相互關系可確定如下:

(1)根據原則1,除主蒸汽壓力外,其他參與耗差計算的主要參數值不變;

(2)根據式(2)可得新的主蒸汽流量;

(3)根據模型D和E,確定過熱器減溫水流量與再熱器冷端蒸汽流量的關系和過熱器減溫水與給水流量的關系.

(4)根據式(3),抽汽口前流量與抽汽壓力之比為定值;

(5)根據模型A和汽輪機工作過程中蒸汽膨脹線可以得到各級抽汽溫度、焓值和排汽焓;

(6)根據模型H可以得到第一級低壓加熱器進水溫度;

(7)根據模型G得到加熱器中水和汽的壓力;

(8)根據模型F得到加熱循環中各項汽水溫度;

(9)根據原則2,建立流量變化后的質量平衡方程;

(10)根據原則3,迭代計算得到最后的穩態值.

2.1.2 實際迭代過程

(1)步驟1,計算工況1下的主蒸汽流量;

(2)步驟2,計算鍋爐給水流量、過熱器減溫水流量及加熱器循環水側壓力;

(3)步驟3,除步驟2中參數外,其他參數全部取基礎工況的數值;

(4)步驟4,采用矩陣分析方法計算各級抽汽流量;

(5)步驟5,計算抽汽壓力,如果兩次迭代結果小于設定偏差,轉步驟9,否則轉步聚6;

(6)步驟6,計算排汽流量;

(7)步驟7,更新參數,次序為:抽汽溫度、加熱器入口蒸汽壓力、第一級低壓加熱器入口水溫、加熱器出口水溫、加熱器疏水溫度、再熱器減溫水流量;

(8)步驟8,更新矩陣方程參數,轉步驟4.

(9)步驟9,計算排汽有用焓husep.

(10)步驟10,計算兩個工況熱力學分析下煤耗差值.

2.2 主蒸汽溫度耗差

主蒸汽溫度對參數的影響有兩點不同:

(1)根據模型A,汽輪機過程膨脹線不變,但會根據溫度變化平移;

(2)由于溫度變化,根據式(2)確定新的主蒸汽流量以及抽汽的溫度、壓力和流量關系.

2.3 再熱蒸汽溫度耗差

再熱蒸汽溫度變化時會引起高壓缸后各種參數直接變化,進而影響高壓缸前的抽汽,所以需要對高壓缸和中低壓缸分別對待:

(1)高壓缸的膨脹過程線不變,而中低壓缸的膨脹過程線按照溫度平移;

(2)主蒸汽流量不變,而再熱蒸汽流量根據式(2)求取.此時再熱器工作點變化,通過原則2的質量平衡方程確定新的再熱器減溫水流量;

(3)高壓缸忽略入口溫度來處理抽汽壓力和流量關系;而中低壓缸的抽汽按照主蒸汽溫度變化的情況近似處理.

2.4 再熱器壓損

再熱器壓損不是熱力參數,而是再熱器本身的結構參數,它會影響包含它在內的其他有關參數的固有特征.現假設汽輪機整體壓力損失均勻分布,再熱器壓損引起的壓力變化同時被內外循環按照各自壓力按比例分擔,并同時對兩個回路產生影響.

(1)按照變化壓力均勻分布的原則,根據壓損變化確定高壓缸排汽壓力和再熱蒸汽壓力,這樣可以根據式(3)得到主蒸汽流量和再熱蒸汽流量;

(3)由于再熱器結構變化,根據原則2確定再熱器減溫水流量.

3 計算驗證

以N600-16.67/538/538型汽輪機熱平衡圖數據為對象計算參數耗差,由于假設鍋爐、管道效率和廠用電率不變,所以可以采用熱耗表示,并直接和廠家提供的熱耗修正曲線進行對比.以額定功率600 MW作為工況比較點,計算結果見圖2～圖5.

從計算結果可以看到,由本文方法計算得到的耗差曲線與修正曲線趨勢基本相同,在數值上略偏大,考慮到前提條件和假設的區別,結果完全可以反映參數對熱耗的影響,而且可以根據基礎運行工況在線計算,能夠實時有效地反映現場的實際情況,因而可以去除安裝和老化造成的誤差,從而比修正曲線更加準確.

圖2 主蒸汽壓力耗差曲線Fig.2 Energy-loss curves of main steam pressure

圖3 主蒸汽溫度耗差曲線Fig.3 Energy-loss curves of main steam temperature

圖4 再熱蒸汽溫度耗差曲線Fig.4 Energy-loss curves of reheat steam temperature

圖5 再熱器壓損耗差曲線Fig.5 Energy-loss curves of reheater pressure loss

4 結 論

借助熱力學和變工況計算等技術建立的線性化模型和計算所遵循的一致性原則,可以作為汽輪機側所有參數耗差分析的總體指導原則,不再需要對每個參數耗差單獨進行考慮.更關鍵的是,它簡化了耗差分析中對于不同過程的考慮,避免了不同參數耗差計算中可能存在的不同假設和矛盾.實際計算驗證了這一方法的有效性.

[1]楊海生,郭江龍.再熱凝汽式汽輪機性能修正曲線計算的簡化方法[J].電站系統工程,2006,22(5):55-57.YANG Haisheng,GUO Jianglong.A simplified method for turbine performance correction curves[J].Power System Engineering,2006,22(5):55-57.

[2]周濟波,易朝暉.1000 MW超超臨界汽輪發電機組耗差分析[J].電力勘測設計,2008(5):41-45.ZHOU Jibo,YI Zhaohui.Energyloss analysis on 1000 M W ultra-supercritical steam turbine generator unit[J].Electric Power Survey&Design,2008(5):41-45.

[3]金曉霞,王培紅,江峰.汽輪機循環參數偏差的耗差建模算法研究[J].華東電力,2008,36(10):108-110.JIN Xiaoxia,WANG Peihong,JIANG Feng.Algorithms for energy-loss caused by cycle parameters deviation of steam turbine[J].East China Electric Power,2008,36(10):108-110.

[4]李青,公維平.火力發電廠節能和指標管理技術[M].北京:中國電力出版社,2009.

[5]陳鴻偉,林阿彪,方月蘭,等.鍋爐汽水系統運行參數的煤耗偏差分析[J].熱力發電,2008,37(10):19-22.CHEN Hongwei,LIN Abiao,FANG Yuelan,et al.Analysis of coal consumption deviation occurred form operation parameters in steam-watersystem of the boiler[J].Thermal Power Generation,2008,37(10):19-22.

[6]陳健婷.300 M W與600 M W燃煤機組耗差系數的變負荷特性[J].動力工程,2009,29(9):891-894.CHEN Jianting.Off-design load characteristics of consumption-deviation coefficient of 300 MW and 600 MW coal-fired power units[J].Journal of Power Engineering,2009,29(9):891-894.

[7]王艷軍,吳彥坤,張春發,等.主蒸汽參數變化對機組功率影響的定量研究[J].熱力透平,2007,36(3):164-167.WANG Yanjun,WU Yankun,ZHANG Chunfa,et al.A quantitative study of impact of main steam parameters on unit output[J].Thermal Turbine,2007,36(3):164-167.