汽輪機及其熱力系統性能分析與優化

丁維棟

（內蒙古京寧熱電有限責任公司）

0 引言

隨著能源價格不斷上升，我國政府部門提出節能減排要求，各行業逐漸提高對電站鍋爐煙氣余熱利用率的重視程度，在國際上具有健全的煙氣余熱回收利用技術。例如：德國某電廠褐煤發電機組在煙氣脫硫塔和靜電除塵器間設置煙氣冷卻器，通過煙氣來加熱鍋爐凝結水；前蘇聯在鍋爐對流豎井的下部安裝低溫省煤器來加熱水溫；在我國利用廣義余熱系統，將煙氣余熱應用在日常工作，從不同方面來分析運行數據，結合經濟效益和煙溫變量等因素，來研究回收煙氣余熱加熱凝結水的省煤效果。本文提出四種集成發電方案，針對不同集成方案來制定熱力計算模型，從不同方面來分析機組煤耗降低量、CO2排放量、節約標煤量等因素，以此數據為基礎來制作經濟性評價指標，進一步分析熱力計算模型，從而制定可行性方案。將影響投資成本和傳熱效果的參數作為研究對象，來優化煙氣換熱器的設計參數。

1 煙氣的熱力學特征

根據煙氣的熱力學情況，將整個換熱過程分為三個階段：第一階段，是可凝性氣體和不凝性氣體都進行放熱；第二階段，隨著溫度不斷下降，煙氣溫度明顯低于露點溫度時，有個別水蒸氣凝結，從而釋放大量潛在熱量，其他不凝結性氣體和水蒸氣都釋放熱能；第三階段，當煙氣溫度下降到露點時，水蒸氣只利用凝結放熱，不凝結氣體則繼續釋放熱量。工作人員可將余熱回收過程分為潛熱和顯熱兩個環節，換熱器通常使用逆流方式進行布置。假如低溫煙氣初始溫度為TCO，經過顯熱放熱過程中，其溫度降低到Tc1，通過潛熱放熱過程溫度下降到Tc2。其中TC1表示兩個放熱過程的轉折點，Tc1以上具有熱量密度低、溫差大等特征，Tc1以下則表示出相反特征。同時，不同燃料燃燒后所產生的煙氣中水分不同，導致其冷凝溫度也存在較強的差異性。

2 煙氣余熱和熱煤機組混合發電系統的集成方式

從低壓加熱器中傳輸出適量冷凝水流到煙氣換熱器中，凝結水在煙氣換熱器中吸收大量熱量，能有效降低排煙溫度，而凝結水自身溫度被升高后，會重新流到低壓加熱器系統中。同時，將煙氣換熱器和低壓加熱器相互連接，能替代個別低壓加熱器作用，排擠部分低壓缸抽氣，將排擠抽氣從低壓抽氣口輸送到汽輪機中繼續進行膨脹工作。假如機組輸出功率基本相同，會降低機組煤耗、污染排放量、熱耗等；如果機組燃料消耗量變化程度較小，機組可收集到大量發電量。經過除塵工序后的煙氣流到煙氣換熱器中，經過煙水換熱再進入到脫硫塔中進行脫硫工作。

基于此上述情況，本文采用四種集成方案：第一，將煙氣換熱器和軸封加熱器進行相互連接，加熱軸封堵住加熱器端口的凝結水，煙氣換熱器端口和7號低壓加熱器入口相連，這種方式能有效解決機組中的抽氣，被處理的抽氣會重新回到汽輪機中；第二，將煙氣換熱器設置在7號低壓加熱器和8號低壓加熱器中間，當水資源流過煙氣換熱器加熱時，會自動流向7號低壓加熱器；第三，煙氣換熱器和8號低壓加熱器出口進行關聯，加熱器出口會流出大量水資源，煙氣換熱器出口和6號低壓加熱器入口交叉連接，這種方式能去除機組中的氣體；第四，將煙氣換熱器連接到7號低壓加熱器和6號低壓加熱器之間，水資源通過煙氣換熱器處理后進入6號低壓加熱器[1]。

3 鍋爐熱力系統性能模型

3.1 熱力學模型

燃煤電站發電用煤在整個能源消耗中占據較高比例，能有效提升電站活力發電組效率，降低污染物的排放量，對提升我國整體能源利用率，解決目前限制我國社會經濟發展的能源問題具有至關重要的作用，對推動我國社會經濟健康發展具有重要作用。而鍋爐作為燃煤電站的主要設施，其NOX排放量和鍋爐熱效率作為目前鍋爐燃燒系統的重要因素，根據專業人員統計發現，通過優化燃燒措施，能取得較低的NOX排放和鍋爐燃燒效率，是目前最實用的優化方式。而針對煙氣換熱器和機組集成的熱力系統，工作人員可通過節約型燃料運行方式，給凝結水提供煙氣換熱器，煙氣和凝結水換熱通常是利用對流換熱。同時，凝結水在煙氣換熱器和煙氣進行相互工作時，工作人員要合理控制煙氣入口溫度，確定煙氣換熱器結構，假設煙氣換熱器出口溫度，根據上述這些參數來取得煙氣放熱量和總換熱量，從而優化提前假定值。

（1）煙氣放熱量計算

煙氣釋放熱量是煙氣換熱器進口煙氣和出口煙氣的差值，其表達公式如下：

式中，Qs為煙氣換熱器中煙氣放熱量；B為燃煤量。

（2）傳熱溫差計算

煙氣和凝結水換熱屬于逆流換熱，在不損失任何熱量的情況下，當工作人員確定煙氣出口溫度后，煙氣放熱量和凝結水吸熱量基本相同，這時可利用能量平衡公式來計算凝結水出口溫度。

式中，T1為煙氣換熱器的煙氣入口溫度；T2為煙氣出口溫度；t1為煙氣換熱器側入口水溫；t2為煙氣換熱器水側出口水溫[2]。

3.2 鍋爐燃燒系統模型

能源不僅能給人們日常生活提供物質方面的支持，還能給社會經濟發展打下堅實的基礎。而我國煤炭能源儲備量占據世界首位，被廣泛應用在我們日常生活中，但由于煤炭能源在使用過程中會產生較強污染性，和我國政府部門所提倡的綠色節能理念相違背。隨著該矛盾日漸激烈，創新低碳環保煤利用技術成為人們關注的重心。首先，構建貝葉斯神經網絡結構，根據需要優化的目標，來確定神經網絡輸出變量，將其定義為NOX濃度和熱效率，再從不同方向來分析哪些因素會影響到輸出變量，從而確定網絡輸入變量，進而控制整個神經網絡的神經元數量。同時，工作人員合理控制隱層神經元數量，利用重復多次仿真實驗來確定具體的神經元數量，并采用科學方式將神經元數量控制在預期范圍中，通過編制能準確發現隱層神經元的最優取值范圍；其次，要針對貝葉斯神經網絡進行重復測試，將測試工程情況分為測試集和訓練集兩個方面，其中訓練集是針對健全的神經網絡模型進行學習，訓練完成后利用測試集進行測試，來檢查該種類型的審計網絡泛化能力是否達到行業標準，如果泛化能力超過指定標準，則表述其預測數據準確，才能用在后期遺傳算法結合中[3]。鍋爐燃燒優化是在提高鍋爐燃燒效率的同時，能降低NOX的排放量，但這兩個目標屬于相互矛盾的存在，所以要選擇對應的優化目標函數，本文目標函數為：

根據上述分析，同燃料燃燒后所產生的煙氣中水分不同，導致其冷凝溫度也存在較強的差異性。因此，工作人員可準確計算出不可調運行數據和可調運行數據，將可調運行數據作為言傳算法的優化變量，將不可調運行數據作為限制鍋爐運行的基本條件[4]。

4 煙氣余熱和燃煤機組混合發電系統的評價指標

4.1 安全性指標

通過計算煙氣露點溫度發現，煤在燃燒過程中會釋放大量氧化亞氮元素，當排煙溫度低于標準值時，很容易給受熱面帶來低溫腐蝕問題。為進一步避免出現低溫腐蝕問題，要合理控制鍋爐低溫受熱面鍋爐和壁溫的實際數據，利用公式計算出硫酸蒸汽的酸露點溫度[5]：

式中，tDP,O為純水蒸汽露點溫度；SZS為燃料折算硫份；AZS為顏料折算灰份。

4.2 機組節約標煤量

每年節省標煤量為：

式中，△B為年節約標煤量；P為機組功率；n為年工作數。

4.3 氧化亞氮減排量

基于機組輸出功率相同的條件下，利用煙氣余熱利用系統，能有效降低煤耗量和污染物排放量。因此，污染物排放降低數量為：

式中，當i=1,2,3時，λi為燃煤中的質量分數；?ci表示污染物排放量。

5 結構參數優化

5.1 決策變量

隨著社會經濟不斷發展，燃煤鍋爐技術逐漸普及到各行業中，被各行業高度重視。但由于在燃煤鍋爐技術運行中經常消耗大量能源，給我國能源儲存量帶來嚴重威脅，特別在綠色節能理念影響下，燃煤鍋爐技術節能效果成為目前企業急需解決的問題。燃燒溫度越高，燃料就能在床層中將物質燒透，從而降低爐渣可燃燒物質，但隨著床體溫度不斷上升，其中NOX物質會逐漸提高。因此，在設計H型鰭片管式煙氣換熱器時，工作人員要考慮各種變量元素，如縱向節距、管外徑、管長度、鰭片間距、鰭片厚度等環節[6]。其中管壁厚和管外徑是影響磨損程度的重要因素，工作人員要結合日常生產實際要求來進行選擇，本文選擇采用規格為38mm×3mm；而其他因素是影響煙氣換熱器換熱性能的主要環節。因此，決策變量向量為X=X(s1,s2,δf,hf)。決策變量數據要根據管道布置剩余距離、煙道尺寸等因素來控制。s1控制在30~200mm范圍內；s2小于100mm；δ1低于1mm；δf不超過5mm；hf低于0。

5.2 目標函數

針對余熱回收類規劃問題，工作人員將系統最高收益作為目標函數，由于設備屬于一次性投資項目，而節能收益通常出現在煙氣換熱器使用階段，所以工作人員應利用資金動態指標作為目標函數。

式中，TH為每年設備所產生的純收入；TC為設備總投資費用；x為投資效益；n為設備使用年限。隨著能源價格不斷上升，我國政府部門提出節能減排正常，各行業逐漸提高對電站鍋爐煙氣余熱利用率的重視程度，在國際上具有健全的煙氣余熱回收利用技術。我國煉鐵需要耗費的能耗較高，高爐能效是由消耗和動力組成，高爐的回收相當于二次能源的數量，在企業的能耗結構中占據一定的成分，燃料比作為高爐能耗的70%以上，在降低焦比的同時要降低燃料比，提高熱風爐效率，節約動力消耗，加強二次能源回收等措施，加強高爐節能作用。因此，政府部門愈發提高對鍋爐熱效率的重視程度，其利用貝葉斯神經網絡遺傳算法，能有效控制燃煤鍋爐技術能源消耗。其優化后的結構參數為：

根據大量實踐數據證明，優化后的煙氣換熱器能滿足集成系統節能要求。

6 結束語

綜上所述，通過分析煙氣余熱特征，提出四種不同煙氣余熱集成方案，有利于工作人員針對實際生產中不同情況進行優化，來節約日常工作所消耗的能源。同時，將氧化亞氮減排量、機組節約標煤量作為經濟性評價指標，從不同方面來分析仿真模型數據，從而制定可行性方案。