330 MW亞臨界汽輪機缸效率變化對機組熱耗影響定量分析

張佳佳，董霖，陳真，張志勇，盧杰

(華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州430000)

0 引言

隨著國家淘汰落后產能和產業結構調整，居民和商業用電比重逐步增加，用電負荷峰谷差持續增加，在電網容量有限的情況下，火電機組將更頻繁地參與深度調峰[1]。低負荷下，火電機組的煤耗將顯著增加，其中，汽輪機組方面影響比重較大。影響汽輪機運行經濟性的因素主要有負荷率、通流部分效率、運行參數、系統泄漏、回熱系統等[2－3]。對于汽輪機本身來說，影響熱耗比重較大的因素為通流部分效率及運行參數，為了準確分析不同負荷下機組熱耗情況，需要定量分析缸效率對機組熱耗的影響及運行參數的優化方式[4－5]。

不同負荷下，高壓缸效率變化較大，中壓缸效率變化不大，低壓缸效率有一定的變化[6－8]。劉武峰[9]采用公式推導的方法獲得缸效率變化對機組熱耗影響的計算公式；萬忠海等[10]借助等效焓降法理論，通過一定的簡化，將缸效率的變化轉化為汽缸不同能級間回熱抽汽漏流問題進行處理；楊濤等[11]分析了通流部分變化對缸效率的影響；王運民[12]對汽輪機工況發生變化時，抽汽壓力、溫度發生的變化做了定量分析。本文以設備廠家提供的熱平衡圖為原始數據，采用線性化方法分析汽輪機缸效率變化對機組熱耗的影響，在保證精度的同時，計算方法相對簡潔，便于現場推廣應用。

1 線性化分析計算方法

在系統中，物理量之間的關系并非真正線性的，不能應用迭加原理，使分析處理問題復雜化。為了克服非線性系統帶來的問題，常需引入“等效”線性系統來代替非線性系統，小偏差法即為一種常用的線性化分析方法[13－14]。由此獲得的汽輪機缸效率變化對汽輪機熱耗影響的計算公式如下。

高壓缸效率變化1%對汽輪機熱耗的影響:

中壓缸效率變化1%對汽輪機熱耗的影響:

低壓缸效率變化1%對汽輪機熱耗的影響:

其中，當量吸熱量R表達式為:

當量內功率表達式為:

式中，下標H、I、L分別表示高、中、低壓缸；βi為各通流段相對流量，βi＝Gi/G0，Gi為各通流段流量，G0為主蒸汽流量；為各段等效焓降；為各段效率；βc、βr為冷凝器、再熱器相對蒸汽流量，βc＝αc，βr＝αr；i0為主蒸汽焓；為凝結水焓；i01、in為再熱器出口、進口焓；αek、iek為高壓第k段相對抽汽量和抽汽焓；αrj、irj為中、低壓第j段相對抽汽量和抽汽焓。

2 計算實例及分析

2.1 汽輪機主要設計參數

以某汽輪機廠生產的330 MW亞臨界機組為對象進行計算。其中，中壓缸末級抽汽為五段抽汽，低壓缸排汽壓力為5·39 kPa。

2.2 各缸效率變化對機組熱耗變化影響

依據上述計算方法，分別對高、中、低壓缸效率變化對機組熱耗的影響進行計算，不同工況下，變化1%，高、中、低壓缸效率變化對汽輪機熱耗的影響見表1。圖1—3分為高、中、低壓缸效率變化對汽輪機熱耗的影響，圖4為THA工況下高、中、低缸效率變化對汽輪機熱耗的影響。

圖4 THA工況下，缸效率變化1%時，對汽輪機熱耗的影響

表1 變化1%，高、中、低壓缸效率變化對汽輪機熱耗的影響 kJ/(kW·h)

圖1 高壓缸效率變化對汽輪機熱耗影響

圖2 中壓缸效率變化對汽輪機熱耗影響

圖3 低壓缸效率變化對機組熱耗影響

THA、75%THA、50%THA工況下，變化1%，高壓缸效率對汽輪機熱耗的影響為14·20～16·12 kJ/(kW·h)，中壓缸效率對汽輪機熱耗的影響為25·56～25·75 kJ/(kW·h)，低壓缸效率對汽輪機熱耗的影響為32·65～33·10 kJ/(kW·h)，高壓缸影響最小，低壓缸影響最大。缸效率變化量與汽輪機熱耗變化量成正比關系。

隨著機組負荷的降低，變化1%，高壓缸效率變化對汽輪機熱耗的影響逐漸增加，且幅度逐步增大，相比THA工況，75%THA工況下熱耗增加5·9%，50%THA工況下熱耗增加13·5%；相比THA工況，75%THA工況下，中壓缸效率變化導致熱耗略微降低，50%THA工況下，熱耗略微增加；相比THA工況，75%THA、50%THA工況下，低壓缸效率變化導致熱耗略微降低。

3 缸效率變化對汽輪機熱耗影響變化分析

缸效率變化對汽輪機熱耗的影響主要體現在兩方面，一是對功率的影響，二是對系統吸熱量的影響。其中，系統吸熱量影響包含兩方面，對于中、低壓缸來說，缸效率變化使得相應的回熱抽汽焓值發生變化，進而引起鍋爐吸熱量的變化；對于高壓缸來說，除了相應抽汽焓值變化產生的影響外，還有再熱循環對系統吸熱量的影響。

以中壓缸為例，缸效率變化對功率的影響為:

對系統吸熱量的影響為:

通過計算得到缸效率提高1%，上述兩因素對汽輪機熱耗的影響見表2。

表2 不同工況下，缸效率變化對汽輪機熱耗影響 kJ/(kW·h)

由表2可知，通過功率變化對汽輪機熱耗產生的影響顯著大于通過系統吸熱量變化產生的影響，尤其是中、低壓缸。

以THA工況為例，通過功率變化對機組熱耗產生的影響方面，高壓缸功率變化占總功率變化比為28·90%，中壓缸功率變化占總功率變化比為32·72%，低壓缸功率變化占總功率變化比為38·38%。

表3提供了不同負荷工況下各缸軸功率占比情況。由表3可知，THA工況下，高、中、低壓缸軸功率占比分別為29·90%、32·72%、38·38%，與表2中缸效率變化對機組熱耗影響(對功率的影響)的數值一致。由此可以得出，各缸效率變化對機組熱耗的影響取決于各缸軸功率的占比。

表3 不同工況下，高、中、低壓缸軸功率占比%

通過吸熱量變化對汽輪機熱耗產生的影響方面，高壓缸影響較大，主要是因為其中包含了再熱循環對系統吸熱量的影響。

高壓缸效率變化對吸熱量的影響表達式為:

變換成與中、低壓缸相同的形式為:

式中，等號右側第一項表示高壓缸回熱抽汽變化對系統吸熱量的影響；第二項表示高壓缸效率變化時，高壓缸排汽焓變化使再熱器中吸熱量產生變化占系統當量吸熱量的份額。

表4列出了不同工況下，高壓缸效率變化1%時，系統吸熱量的變化情況。由表4可知，再熱器吸熱部分占比較大，且隨著負荷降低，比例逐漸增大；抽汽回熱部分占比較小，且隨著負荷降低，比例逐漸降低。缸效率變化1%產生的抽汽回熱部分的吸熱量，高壓缸高于中壓缸，高于低壓缸。

表4 不同工況下，高壓缸效率變化1%對系統吸熱量影響的分配

中、低壓缸抽汽回熱部分數據較小，且低壓缸數據為負值，是因為中、低壓缸效率變化雖引起低壓排汽焓變化，但并未引起背壓變化(背壓主要取決于循環水系統)，因而，凝結水焓并未發生變化。

4 結論

1)THA、75%THA、50%THA工況下，變化1%，高壓缸效率對機組熱耗的影響在14·20～16·12 kJ/(kW·h)，中壓缸效率對機組熱耗的影響在25·56～25·75 kJ/(kW·h)，低壓缸效率對機組熱耗的影響在32·65～33·10 kJ/(kW·h)，高壓缸影響最小，低壓缸影響最大。

2)隨著負荷的降低，高壓缸效率變化對汽輪機熱耗的影響逐漸增加，中、低壓缸效率變化對汽輪機熱耗影響變化較小。

3)缸效率變化對汽輪機熱耗影響主要通過功率變化及吸熱量變化來實現。通過功率變化對汽輪機熱耗產生的影響較為顯著，尤其是中、低壓缸。高壓缸效率變化對系統吸熱量產生的影響包括抽汽回熱部分及再熱部分，再熱部分占比較大，且隨著負荷的降低而逐漸增加。

4)在相同負荷下，高、中、低壓缸效率變化通過功率變化對汽輪機熱耗產生的影響占比，與高、中、低壓缸軸功率占比情況一致。