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摘要：本文对某系统进行变工况下模型校验，分别以背压 54 kPa 不同供热工况的热平衡图为基准，取与对应工况取相同的主蒸汽流量，进行计算，将计算得到的机组输出功率与热平衡图中设计功率对比，计算结果与设计值最大相对误差不为 0.13%，满足工程上精度要求。
关键词：高背压供热；回热系统；单耗分析；通流部分；火用；模型；优化
汽轮机高背压供热方式可回收低压缸排汽余热，扩大机组的供热能力，减少高品位抽汽造成的可用能损失，能源转换效率高。供热季运行背压高，低压转子采用了双转子互换技术，低压转子结构的变化使低压部分热力特性发生变化。建立了 300 MW 等级高背压供热机组热力系统模型，计算并分析抽汽参数变化对低压加热器附加单耗的影响，并通过参数优化降低供热季低压加热器附加单耗。获得五段和六段抽汽压力优化结果，降低了传热端差使各级低压加热器温升分配合理，优化后机组发电功率增加 507 kW，㶲损减小 575.5 kW，整体附加单耗下降 0.3121 g/(kWh)。以此为基础，进行高背压供热机低压通流部分热力计算，重新分配低压缸各压力级焓降，提高低压缸的通流效率。结果表明：通过对低压回热系统和通流部分优化，低压缸内效率提高至 0.9250，机组发电功率增加 3068 kW。
1基于 EBSILON 的机组热力系统模型建立
依据高背压供热机组实际热力系统，根据额定供热工况下主蒸汽进汽量、回热抽汽压力温度、凝汽器背压等基本参数，基于质量及热量平衡，以及改进的弗留格尔公式[16]对汽轮机组件进行模拟，使机组性能及各项参数与实际的高背压机组吻合。利用 EBSILON 软件搭建高背压汽轮机机组系统。故对案例机组建立的模型可较准确地反映机组负荷特性，可用于实际供热机组热力计算。汽轮机进汽参数和排汽参数取热平衡图中的额定供热工况值，作为下文额定高背压供热工况，无工业抽汽，发电功率为 266.376 MW。
2背压供热机组回热系统的优化
机组供热期和非供热期低压缸采用双转子互换技术，高中压缸结构不变。非供热期汽轮机低压缸 2×7 级，供热期背压提高至 54 kPa，汽轮机低压缸 2×5 级。主、再热蒸汽参数、流量按照额定高背压供热工况选取，对高背压供热改造后汽轮机低压回热系统进行优化，降低加热器附加单耗。确定各级抽汽量是回热系统计算的关键，本文采用平均分配法进行回热焓降分配，利用 EBSILON 软 件进行热力系统计算，各级回热加热器凝结水温升作为控制变量、使得机组发电功率最大，并以此作为优化目标。其中除氧器与凝汽器出口凝结水温度与原额定高背压供热工况保持一致，即低压凝结水系统水温升 t1-t4 维持不变。控制变量分别为#5 和#6 低压加热器凝结水温升 X1=t2-t3和 X2=t3-t4。温升 X1、X2变化时，低压部分热力系统的汽水参数重新进行热力平衡计算，计算不同 X1、X2下对应的发电功率 Pel，即 Pel ~ f (X1 , X2)之间的关系。
3优化前后低压回热系统单耗对比
对回热系统单个设备进行㶲平衡分析，计算其㶲损及附加燃料单耗。进行优化前后回热系统㶲损及附加燃料单耗对比分析，其中#4 加热器和#6 加热器附加单耗变化最大，优化后机组发电出力增加 507 kW，㶲损减小 575.5 kW，整体附加单耗下降 0.3121 g/(kWh)。四段抽汽量由 13.725 kg/s 降至 11.001 kg/s，较优化前高品位抽汽量减少；同时给水温升 X1 由 44.02 ℃降至 35.88 ℃，温差降低使传热不可逆损失减少；附加单耗降低 0.6895 g/(kWh)。#5 低加凝结水温升由 34.54 ℃降至 26.99 ℃，较优化前附加单耗由 0.5851 g/(kWh)降至 0.3951 g/(kWh)。五段抽汽压力升高、抽汽量减少，给水温升不可逆温差带来的传热损失减少。#6 低加凝结水温升由 9.15 ℃增大至 24.84 ℃，抽汽量增加。传热温差增大使得#6 低加附加单耗增加明显，但由于压力低的六段抽汽置换了高品位蒸汽量，使得蒸汽在低压缸作功能力增加，满足“温度对口，梯级利用”的原则。
4 回热系统优化后低压缸通流部分热力设计
汽轮机低压通流部分热力计算，将实际汽轮机内部三元可压缩非定常非等熵的有粘性流场简化，采用一维设计理论基于稳态绝热气流的假设进行，基本方程包括：连续性方程、能量方程、过程方程、状态方程，计算流程如图 。
本文将优化后的五段、六段抽汽压力值作为汽轮机低压通流部分热力计算的边界条件，对低压缸通流部分进行热力设计计算，同时考虑回热系统与压力级监视段压力的匹配。低压回热系统和压力级热力计算两者协调优化后调整五段抽汽压力为 0.3267 MPa，六段抽汽压力0.1936 MPa，保证各级低压加热器附加单耗最低，重新分配各级理想焓降，计算获得各级热力性能参数及主要结构尺寸低压回热系统优化后，计算得到低压缸效率为 92.50%。为进行对比，计算得到优化前热平衡图中高背压额定供热工况低压缸热效率为 89.65%。低压回热部分优化后各级焓降分配更加合理，呈前几级平缓递增的趋势，级的相对内效率有所提高，额定高背压供热工况下发电功率增加。而且考虑到高背压供热改造汽轮机，冬季采用新供热转子，排汽部分蒸汽干度增大、湿汽损失减小均会增加低压缸效率，使通流部分热力性能得到改善。
在低压缸进汽参数基本保持一致的前提下，优化后五段抽汽流量减少，六段抽汽流量增加，用低品位抽汽置换出部分高品位抽汽，以低换高使整体附加单耗减小，机组发电功率增加 3068 kW，低压缸效率增加了 2.85%，低压缸性能得到改善本文旨在高背压供热汽轮机进行低压通流改造时兼顾回热系统，二者协调优化，使低压回热系统适应汽轮机通流改造后的特点，则可以进一步提高高背压供热汽轮机机组的整体热力性能，研究成果可为工程应用提供科学指导。
5 结论
高背压供热汽轮机由于结构变化导致低压缸热力性能变化。针对 300 MW 实际供热机组，搭建了高背压供热机组热力系统模型。通过参数优化减小低压加热器附加单耗，改善高背压供热汽轮机低压通流特性，得到主要结论如下：
（1）基于热力学第二定律，对低压加热器凝结水温升重新分配，减少了加热器不可逆温差产生的附加单耗，得到对应的抽汽参数，获得低压通流部分优化的边界条件。
（2）优化后#4 低压加热器附加单耗降低，6#低压加热器附加单耗增加，用低品位抽汽置换出部分高品位抽汽，以低换高整体附加单耗减小机组发电功率增加。
（3）对低压通流部分焓降重新分配后，获得各级热力性能参数，优化后低压缸内效率和机组发电功率增加，通流部分热力性能得到改善。
参考文献
[1]戈志华, 陈玉勇, 李沛峰, 等. 基于当量抽汽压力的大型热电联产供热模式研究[J]. 动力工程学报, 2014, 34(07): 569-575.
[2]戈志华, 杨佳霖, 何坚忍, 等. 大型纯凝汽轮机供热改造节能研究[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(17): 25-30.
[3] 成渫畏, 王学栋, 宋昂. 首台 300MW 汽轮机循环水供热改造技术与经济指标分析[J]. 发电与空调, 2016, 37(01): 6-10.
论文作者:李国强, 杨乾
论文发表刊物:《中国电业》2019年第9期
论文发表时间:2019/9/20
标签：低压论文; 通流论文; 汽轮机论文; 热力论文; 机组论文; 加热器论文; 系统论文; 《中国电业》2019年第9期论文;