燃煤机组蒸汽热力系统的优化研究

引言

燃煤发电技术仍然是目前主要的发电生产技术手段,在超超临界燃煤机组的应用下,发电生产能耗及污染物排放得到显著降低。但随着蒸汽参数的提高,燃煤机组的热力性能及结构都会发生变化,有必要对燃煤机组的蒸汽热力系统进行研究,通过构建合理的分析模型,提高机组热力循环效率,进一步降低系统能耗。

1燃煤机组蒸汽热力系统分析模型

1.1无再热机组分析模型

在研究燃煤机组的蒸汽热力系统前,为方便理解热力系统模型推导过程,先以无再热机组为例,并忽略辅汽热力系统,构建原始分析模型。燃煤机组的锅炉设备主要根据热平衡原理运行,即锅炉中的蒸汽流量与蒸汽吸热量的乘积等于其热力值。在等效恰降法原理下,如果向加热器中加入纯热量,进入该级的抽汽量就会减少一定份额。如果假设抽汽份额保持不变,就相对于增加一定量的蒸汽做功,实际的抽汽份额为两股流量差。对于回热加热器而言,汽水模型分为3种,即上级加热器疏水、凝汽器给水、汽轮机抽汽。其中,只有凝汽器给水受到加热,其余汽水均放出热量。若假设3种汽水都受到加热,热量为外部供应,并定义受到加热为正,放出热量为负,然后对气流方向进行统一定义。在此条件下,如流量计算结果为负值,说明与假定方向相反。可根据该原则,将锅炉和加热器统一到同一个加热模型中,对其进行数学描述。

1.2一次再热机组分析模型

基于上述模型分析思路,在对一次再热机组进行研究时,根据热平衡原理,锅炉的热平衡式可表示为Q0=D0g0,其中Q0不是真实锅炉吸热量,锅炉实际吸热量为蒸汽在水冷壁中的吸热量与在过热器中的吸热量之和,具体可表示为

其中Dk为抽汽口位于高压缸第人级的抽汽量。对各级加热器抽汽效率进行计算时,应扣除再热器对该级抽汽做功的影响。假设锅炉各加热面具有相同的加热效率,蒸汽流从再热器中吸收热量为g,做功能力增加为70g。

1.3二次再热机组分析模型

在二次再热机组热力计算过程中,与一次再热机组的区别主要在于二次再热机组通过采用两级蒸汽再热,能够提高机组热经济性。在二次再热机组高低压加热器中都设置有蒸汽冷却器,采用外置式冷却器,对抽汽过热部分的热量进行跨级利用,这也导致二次再热机组蒸汽热力系统相较于一次再热机组更加复杂。要对二次再热机组的蒸汽热力系统进行研究,同样需要建立热平衡方程,同时应考虑辅助汽水对热力系统经济性的影响,按具体变量定义,填写到矩阵方程中。如果原系统的热力循环效率为70,那么去除辅助汽水参数影响后,实际循环效率为70'。建立二次再热机组分析模型后,可以对4504M或w0004M机组进行验算,并与其他热平衡算法比较,确保模型计算结果的正确性。

2燃煤机组蒸汽热力系统优化设计策略

2.1一次再热机组的系统优化

2.1.1热平衡计算

在燃煤机组的蒸汽热力系统中,主蒸汽参数是蒸汽膨胀的起点,排气参数则是蒸汽膨胀的终点,对其膨胀过程线进行拟定是确定机组热力循环效率的关键步骤。以典型的10004M机组参数为例,通过综合考虑汽轮机运行条件、叶片尺寸、供水方式等因素,确定排气压力取值范围。蒸汽膨胀过程是在各级气缸中完成的,气缸的相对内效率是蒸汽膨胀线斜率的决定因素,其自身受级效率、散热损失和漏气等方面的影响,如果蒸汽参数发生改变,其相对内效率也会发生改变。通过采用上述方法构建的模型在确定机组蒸汽热力系统参数后,可以将其整理为矩阵方程,定义蒸汽流量的正负方向,计算辅汽矩阵与辅汽流量的乘积,然后计算汽轮机绝对内效率,最后计算蒸汽热力系统㶲效率。

2.1.2热力系统性能分析

在热力系统的性能分析过程中,需要改变主蒸汽参数取值,分析一系列参数值对于汽轮机的绝对内效率影响关系。压力可取值范围为23~274Pa,取值间隔为w4Pa,温度可取值范围为580~620℃,取值间隔为10℃。通过采用专用软件得出绝对内效率与压力变化关系曲线。在初压一定的情况下,绝对内效率会随温度升高而提升:在初温一定的情况下,绝对内效率会随压力升高而提升。且初始温度和压力越高,另一个变量提升对于绝对内效率的影响作用越小,当初始温度和压力超过一定值后,另一个变量提升反而会导致绝对内效率下降。因此,需要确定对机组热力系统最有利的初温和初压条件。

2.1.3蒸汽参数优化选择

在燃煤机组蒸汽热力系统的蒸汽参数优选过程中,可基于㶲效率最大化原则进行主蒸汽参数确定。根据水蒸气恰㶲关系,在一定温度下存在固定压力值使水蒸气㶲值最大。那么在给水参数确定的前提下,如果给定水温,汽轮机热力系统㶲效率会在某个蒸汽压力值下达到最大值,可以将此时的蒸汽压力值作为最优压力值。若主蒸汽温度为600℃,压力为25MPa,与30MPa时的㶲效率相同,且明显高于35MPa时的㶲效率,则蒸汽最优压力值应取25MPa。如果蒸汽温度较高,比如在650℃时,则应选择更高的30MPa作为最优压力值。

2.2二次再热机组的系统优化

2.2.1二次再热循环模型分析

如果蒸汽参数值在现有基础上再次提高一个等级,汽轮机末级蒸汽湿度会明显下降,影响发电效率及机组运行安全性。采用二次再热蒸汽热力系统,可以有效解决这一问题,目前我国已经具备二次再热机组生产技术条件。在对二次再热机组进行研究时,同样需要建立分析模型,并将主蒸汽参数与排气参数分别作为蒸汽膨胀的起点、终点。在一次再热机组主蒸汽压力25MPa的基础上,拟定其压力值提高至31MPa,机组主蒸汽温度仍为600℃,再热温度为610℃。按照上述方法确定各级回热系统恰升,采用平均分配法设计回热系统。通过分析主蒸汽压力和温度变化对绝对内效率值的影响,完成曲线拟合工作,分析再热和回热方案的热力性能水平。在该条件下,采用九级回热系统,二次再热系统获得的收益更大。

2.2.2MC循环改造

限制超超临界机组发展的一个主要问题是汽轮机末级蒸汽湿度过大,容易影响机组安全性。通过引进二次再热机组,可解决末级湿气损失问题,但需要考虑可能出现的高中压缸排汽温度、抽汽气流温度过高的问题。随着系统主蒸汽压力、温度的提升,二次再热机组的过热现象会造成大量的㶲效率损失,甚至降低机组热经济性。针对这一问题,可采用MC循环改造方案,在高压缸排汽系统中设置单独的小汽轮机,代替中压缸抽汽,解决抽汽过热问题。

2.2.3再热压力的最优化选择

在二次再热机组的再热压力最优化选择过程中,需要建立再热压力选择模型,拟定回热系统参数。假设各级抽汽压力的损失系数为0.95,可根据各级抽汽压力确定加热器内汽侧的平均压力,然后根据设计端差确定加热器的水侧出口温度,并根据水侧压力,计算加热器出口恰,根据平均分配原则,确定两级加热器恰升。最后根据绝对内效率与主蒸汽参数关系,确定一次和二次再热压力的最优取值,改善二次再热机组的运行效率。

3结语

综上所述,在燃煤机组蒸汽热力系统研究过程中,需要采用数学模型分析方法,准确计算燃煤机组热力性能参数值。在此基础上,通过对系统进行优化设计,合理选择蒸汽参数及再热压力,可以提高燃煤机组蒸汽热力系统的热力循环效率,帮助电力企业降低能耗,提高经济效益。因此,应提高对燃煤机组蒸汽热力系统设计优化的重视程度。