600 MW機組給水泵汽輪機提效對主汽輪機熱耗影響分析

段 江， 李 明

(國網(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——能級效率法，具有計算精度高、物理意義明確、模板定制性強、易于編程等特點，在熱力系統(tǒng)能損分析、熱經(jīng)濟性分析和汽輪機組熱力性能試驗結(jié)果分析等領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。

筆者采用能級效率法對600 MW亞臨界汽輪機(簡稱主汽輪機)的汽輪機熱耗驗收(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(簡稱小汽輪機)效率提升對主汽輪機熱耗影響的計算方法。

1 能級效率法的計算原理

根據(jù)回路做功能力原理，1 kg工質(zhì)在熱力系統(tǒng)中沿任何一個閉合路徑運動后回到初始位置，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，與具體做功路徑無關(guān)。熱量對熱力系統(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，具有不同的能量品質(zhì)，即熱功轉(zhuǎn)化的能力不同[3-4]。

2 汽輪機能損計算

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

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

根據(jù)熱力系統(tǒng)的特點，整理出高壓主蒸汽進(jìn)汽腔室漏汽(輔汽A、B)、調(diào)節(jié)級后夾層漏汽至高壓缸排汽(簡稱高排)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)計算

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

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。

各能級等效做功能力矩陣φeq為：

φeq=(h-hc)+σ

(4)

式中：h為各級抽汽比焓矩陣，kJ；hc為主汽輪機排汽比焓矩陣，kJ。

能級效率矩陣η為：

η=(A+σe1)-1φeq

(5)

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

能級效率矩陣的各行數(shù)據(jù)即為各段抽汽的能級效率。

基本循環(huán)的熱耗qB為：

(6)

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

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

表1 基本循環(huán)的能級效率和熱耗計算結(jié)果

2.2 附加損失計算

若已知第k種外部因素的焓矩陣為ak，其對熱力系統(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，計算主汽輪機THA工況下輔助汽水和純熱量對熱力系統(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算結(jié)果 kJ/(kW·h)

2.3 實際循環(huán)熱耗計算

綜合考慮各種損失后，實際循環(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 小汽輪機提效能損分析

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

小汽輪機長期運行后，性能劣化較嚴(yán)重，采用新的葉型和通流技術(shù)對小汽輪機進(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，從而降低主汽輪機的能損，降低主汽輪機的熱耗。可以利用第2.3節(jié)的計算分析結(jié)果評估小汽輪機的效率提高對主汽輪機熱耗的影響。

第2.3節(jié)的計算分析將小汽輪機和主汽輪機進(jìn)行了解耦，小汽輪機的效率變化對主汽輪機而言，僅僅是輔汽X造成的能損。由于小汽輪機提效前后，輔汽X的進(jìn)出主汽輪機熱力系統(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。

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

表3 小汽輪機提效前后差異

由表3可以看出：小汽輪機的效率從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，小汽輪機的效率每提高1百分點，主汽輪機的熱耗降低2.1 kJ/(kW·h)。

3 結(jié)語

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

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