新型梯級循環EC機組在環境檢測中的性能分析

摘要：從?的角度出發，對帶背壓式給泵汽機的梯級循環機組的性能進行全面分析。首先，對具有相同回熱級數及壓力參數的常規超超臨界機組與梯級循環機組進行建模；其次，將模型的熱力參數仿真結果與系統設計值對比以檢驗模型的精度；第三，從?的角度對比分析了兩種機組的部件效率差異；基于上述分析，得出EC系統擁有更高的性能得益于回熱系統?損失的大大降低。

關鍵字：超超臨界；EC系統；背壓式給泵汽輪機

中圖分類號：X830.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2017）04-0180-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.085

Abstract： From the point of view， the performance of the cascade cycle unit with pump back to the pump is analyzed comprehensively. Firstly， the conventional super-supercritical unit and the cascade cycle unit with the same regenerative series and pressure parameters are modeled. Secondly， the simulation results of the thermal parameters of the model are compared with the system design values to test the accuracy of the model. Thirdly， Based on the above analysis， it is concluded that the EC system has a higher performance thanks to the greatly reduced loss of the regenerative system.

Key words： ultra-supercritical； EC system； back pressure type pump turbine

燃煤電廠超超臨界的回熱系統的高壓加熱器抽汽通常來自于再熱后的高能級蒸汽，這些蒸汽過熱度很高，不僅使得回熱加熱器的造價很高，同時導致這些部件能級損失很大。因而，丹麥Dong Energy公司提出并采用的MC（master cycle）系統[1]，通過帶抽汽回熱的背壓式汽輪機T-Turbine給部分高加提供汽源，降低系統造價的同時降低了加熱器部件的?損，為雙再熱機組的系統設計提供了新的思路。國內甲湖灣單次再熱項目中也將帶抽汽回熱背壓式給泵汽輪機（BEST，back extraction steam turbine）的EC（echelon cycle）系統運用到機組中[2]。

Sven Kjaer等對MC系統進行了汽輪機組主要參數的優化及熱經濟性評價，結果表明：該系統能夠改善抽汽過熱度過高的情況，且其熱效率可達53%[1]；蔡曉燕等人[2-3]對700℃超超臨界機組進行了熱力系統設計及?分析，結果表明：采用MC系統機組的熱經濟性比常規熱力系統機組的熱經濟性高，主要體現在MC系統中汽輪機系統的中壓缸、第3-6級加熱器具有更高的熱經濟性。楊宇等采用能級效率法對配置EC系統的機組中各加熱器的能量損失進行解耦分析，結果表明：各級加熱器對于降低熱力系統熱耗率的貢獻從低壓級向高壓級逐級遞減[4-5]。

目前關于EC系統的文獻較少，僅有的文獻也未對EC系統與常規超超臨界機組的整體性能進行評價及部件?效率進行對比。本文以此為背景，建立電站汽輪機系統的性能計算模型，從熱耗和?效率兩個角度對EC的整體性能和部件?效率進行評估，從而為系統設計和運行優化提供指導。

1 EC系統建模

與常規超超臨界機組的熱力系統相比，EC系統最大的特點就是取消了中壓缸的抽汽，將傳統的凝汽式給泵汽機改為BEST，其進汽來自于冷再，抽汽至#3、4高壓加熱器、除氧器，其排汽進入#6低壓加熱器。熱力系統示意圖如圖1所示。依據圖1所示的系統結構圖，分別建立汽輪機、鍋爐以及回熱器等各部件模塊。

1.1 汽輪機

采用級組的方式對汽輪機通流部分進行建模。級組由流量相同的若干個連續排列的級構成，因而在每個抽汽口將各汽輪機分段處理。根據質量、能量守恒方程，Stodolas Ellipse law [6]和廠家提供的級組效率曲線進行變工況計算。

式中：K1為常數，m為汽機流量，P1、V1分別為汽機入口壓力、比容，r為本段汽機的膨脹比。

1.2 鍋爐

本文建立的鍋爐模型主要針對鍋爐汽水系統。根據質量、能量平衡方程及汽水壓力損失建立平衡方程，鍋爐的壓力損失方程如下：

式中：K2為常數，G為流經鍋爐的質量流量，v為管內工質的平均比容。

1.3 回熱系統

回熱系統用于將汽機一部分蒸汽引入加熱器加熱給水或凝水，從而提高整機熱效率。加熱器主要有表面式和混合式兩種類型。其中表面式加熱器可看作逆流換熱器，用于實現汽水間的能量交換。一般由蒸汽冷卻段、冷凝段及疏水冷卻段構成，部分加熱器僅包含一段或者兩段。除氧器則是屬于混合式加熱器，不但實現能量的交換，還有質量的混合，并保證了出口給水為飽和狀態。

對于表面式加熱器，在變工況計算時，可假設上、下端差基本不變，進而確定抽汽量和疏水溫度。不帶冷凝段的表面式加熱器疏水溫度為其對應壓力下的飽和溫度。

2 EC系統模型變工況分析及驗證

針對各部件的模型，依據圖1所示的結構在IpsePro平臺上建立相應的EC系統模型。其中在設計工況下，計算出各設備的部件結構參數；在變工況下則由固定的結構參數計算出相應的性能參數。為了驗證建立模型的準確性，分別比較了75%和50%工況點的各性能參數，如表1所示。

3 EC系統?性能分析

3.1 ?分析方法

在給定的壓力和溫度環境下，?表征從所處狀態到與環境相平衡的狀態的可逆過程中，對外界做出的最大有用功[7-8]。根據能量形式不同，?可分為機械?，熱量?，焓?，化學?等。電站熱力系統主要涉及機械?，焓?和燃料?。在穩態條件下，對于任意部件的控制容積內，通用的?損方程為：

式中等號右側第一、二項代表流入、流出控制容積的物質?；第三、四項代表涉及熱交換的?，其中T0為系統周圍的環境溫度，Q為系統處于恒定溫度T下，系統邊界和環境發生的熱交換率；等號右側最后一項代表控制容積的輸入或輸出功。

對于穩定物質流的?，可定義為：穩定物質流從任一給定狀態流經開口系統以可逆的方式轉變到環境狀態，并且只與環境交換熱量時，所能做出的最大有用功。本文研究中，物質流經控制容積的物理?的計算公式可表示為：

式中h0、s0分別為系統周圍環境的比焓、比熵。

3.2 EC系統與常規系統比較

EC系統與常規超超臨界熱力系統相比，取消了中壓缸抽汽，采用了BEST給部分加熱器提供回熱汽源，因此，主要對3號、4號、除氧器和5號加熱器進行了?分析。

為了對比分析EC系統與帶有十級回熱的常規超超臨界機組因回熱系統差異引起的整機性能變化，除了系統差異部分的熱力參數以外，兩個系統的熱力和性能參數應盡可能取得一致。因此，假設兩個系統對應各級組焓降相等，相應的效率相同；對應各加熱器上下端差一致；高壓抽汽管道壓損均為3%，低壓抽汽管道壓損均為5%，主再熱蒸汽參數及排汽參數也一致。兩系統的主要輸入參數如表2所示。

以1atm，20℃的環境條件作為?值計算相對基準值。對3號，4號高壓加熱器，除氧器及6號低壓加熱器?損和?效率進行相應的分析。結果如表4中所示。

從表3可以看出，與常規超超臨界機組相比，EC系統取消了過熱度很高的中壓缸抽汽，部分加熱器選擇從BEST中抽取過熱度較低的蒸汽，因而這些部件的?損失大大降低，?效率顯著提高。

另外，從表3中可看出EC系統中除氧器[7]的?損降低特別明顯，原因主要有以下幾點：

（1）常規超超臨界中除氧器汽源溫度為387℃，過熱度高達195℃，而EC系統中除氧器的加熱汽源為飽和蒸汽，進入除氧器后凝結為飽和水，從熱量角度釋放出大量的汽化潛熱，但是從?角度來看，?損失非常小。這就如同凝汽器的熱量損失很大，但是?損失卻很小。

（2）EC系統中高壓加熱器的汽源過熱度較低，因而在保證相同的給水溫度的前提下，高加就需要更多的抽汽量，這使得進入除氧器的高加疏水量[8]增加，因而可使除氧器需要的抽汽量減少43%左右。

4 結論

本文分別對帶BEST的EC系統和同等級參數常規超超臨界汽輪機熱力系統建立數學模型，首先參照設計參數驗證了模型的精準度，然后基于?指標分析方法對仿真結果進行對比和分析。具體結論如下：

（1）從?效率的角度來看， EC系統取消了過熱度很高的中壓缸抽汽，采用BEST小機抽汽，使得#3、4高加，除氧器以及#6低加的部件?效率大大提高。

（2）?分析法對于機組的設計和運行優化都有十分重要的指導作用。?效率則可以解釋EC系統為什么可以獲得更高的性能。

（3）?指標分析方法對于機組設計和節能改造都重要的指導意義。

參考文獻

[1] Kjaer S， Drinhaus F. A Modified Double Reheat Cycle[C]// ASME 2010 Power Conference. 2010：285-293.

[2]蔡小燕，張燕平，李鈺等. 700 ℃超超臨界燃煤發電機組熱力系統設計及?分析[J].動力工程學報，2012，32（12）：971-978.

[3]陶新磊.大型燃煤機組蒸汽參數設計優化與能耗分析[D]. 北京：華北電力大學， 2013.

[4]楊宇，范世望，蔣俊等.采用EC系統的1000MW超超臨界機組能級利用分析[J].熱力透平，2015，44（3）：151-155.

[5]楊宇，范世望，蔣俊等.超超臨界1000MW機組加熱器對系統熱耗率的影響[J].熱力發電， 2016， 45（5）：79-83.

[6]Erbes M R. Phased construction of integrated coal-gasification combined-cycled power plants[R]. Stanford Univ.， CA （USA）， 1987.

[7]閆麗濤. 300MW火力發電機組熱力系統（?）分析及優化研究[D]. 保定：華北電力大學， 2009.

[8] Erdem H H， Akkaya A V， Cetin B， et al. Comparative energetic and exergetic performance analyses for coal-fired thermal power plants in Turkey[J]. International Journal of Thermal Sciences， 2009， 48（11）：2179-2186.

作者簡介：鄔文泰（1966-），男，工學碩士，研究方向為汽輪機給泵系統及燃氣輪輔助系統等。