理想等效热降法和常规等效热降法的一致性分析

第54卷第2期2012年4月汽轮机技术TURBINETECHN0LOGYVO154NO2APR2012理想等效热降法和常规等效热降法的一致性分析李勇，陈绪亮，姜铁骝东北电力大学能源与动力工程学院，吉林132012摘要首先分析了常规等效热降法与热平衡方法之间的一致性，指出常规热平衡方法得到的单位质量蒸汽在汽轮机内的膨胀功与等效热降法得到的新蒸汽等效热降之间相差单位质量给水所消耗的给水泵的压缩功。然后，对理想等效热降法与常规等效热降法之间在分析热力系统热经济性方面的一致性进行了分析。最后，提出了采用等效热降法进行汽轮机热经济性诊断应该注意的问题。关键词汽轮机；等效热降法；理想循环热效率；热经济性分类号TK262文献标识码A文章编号10015884201202008603CONSISTENCYANALYSISBETWEENIDEALEQUIVALENTHEATDROPANDCONVENTIONALEQUIVALENTHEATDROPMETHODLIYONG，CHENXU1IANG，JIANGTIE1IUSCHOOLOFENERGYANDPOWERENGINEERING，NORTHEASTCHINADIANLIUNIVERSITY，JILIN132012，CHINAABSTRACTINTHISPAPER，THECONSISTENCYBETWEENTHETWOMETHODSOFTHEEQUIVALENTHEATDROPANDTHETHERMALBALANCEISANALYZEDFIRSTLYTHATTHEDIFFERENCEBETWEENEXPANSIONWORKOFUNITMASSSTEAMCALCULATEDBYTHECONVENTIONALTHERMALBALANCEMETHODANDEQUIVALENTHEATDROPOFTHENEWSTEAMCALCULATEDBYTHEEQUIVALENTHEATDROPMETHODISTHECOMPRESSIONWORKOFFEEDWATERPUMPISPOINTEDTHEN，THECONSISTENCYINTHERMALECONOMYOFTHERMODYNAMICSYSTEMBETWEENIDEALEQUIVALENTHEATDROPMETHODANDCONVENTIONALEQUIVALENTHEATDROPMETHODISANALYZEDFINALLY，THEISSUESTOWHICHSHOULDBEPAIDATTENTIONINUSINGTHEEQUIVALENTHEATDROPMETHODMAKINGDIAGNOSISOFTHERMALECONOMYOFSTEAMTURBINEISPROPOSEDKEYWORDSSTEAMTURBINE；EQUIVALENTHEATDROPMETHOD；IDEALCYCLETHERMALEFFICIENCY；THERMALECONOMY0前言等效热降法是20世纪70年代发展起来的一门热工理论，是热力系统计算、分析的一种有效工具。它在热系统局部定量分析中，具有简捷、方便和准确的特点。目前，这一方法已经成为汽轮机热力系统热经济性诊断的主要方法。J。在电厂热力系统定量分析中获得了较为广泛的应用。对于等效热降法与常规热平衡方法之间的一致性，文献59对其进行了讨论，从理论上证明了一致性。但其往往忽略了蒸汽膨胀功和循环功之间的区别，亦即忽略了给水泵的压缩功，并将二者在计算新蒸汽等效热降出现的差异归结到计算误差。此外，针对等效热降法存在的计算中需要预先确定汽轮机排汽焓而凝汽式汽轮机排汽状态点焓值又难以准确确定的问题，文献10提出了理想等效热降法的概念并对其进行了分析，文献11将其应用于某300MW汽轮机热力系统的热经济性诊断中。但理想等效热降法与常规等效热降法和热平衡方法之间的一致性，也是人们普遍关心的问题。为此，本文以某300MW汽轮机为例，首先分析了常规等效热降法与热平衡方法之间的一致性，并分析了二者计算结果不一致的产生原因。然后，对理想等效热降法与常规等效热降法之间在分析热力系统热经济性方面的一致性进行了分析。最后，提出了采用等效热降法进行汽轮机热经济性诊断应该注意的问题。1常规热平衡方法由蒸汽动力循环原理，LKG蒸汽动力循环的循环功等于蒸汽在汽轮机内膨胀产生的功减去给水泵所消耗的压缩功，即一1其中1WI1一OLI一OTSE,I一OIBFPTR2I1J13式中，、WI和分别为循环功、膨胀功和给水泵的压缩功，KJKG；AH为蒸汽在汽轮机内的有效焓降，KJKG；J为回收稿日期201L_077基金项目吉林省科技发展计划项目20080523。作者简介李勇1964，男，博士，教授，主要从事汽轮机热经济性诊断与优化运行的教学与研究工作。第2期李勇等理想等效热降法和常规等效热降法的一致性分析87热系统中加热器或其相应回热抽汽的序号，按抽汽压力由低到高的依次排列；、A分别为汽轮机第I级加热器的回热抽汽份额、第级轴封及门杆漏汽份额；、分别为汽轮机第I级加热器抽汽做功不足系数、第级轴封及门杆漏汽做功不足系数；Z、分别为回热抽汽级数、轴封及门杆漏汽级数；OR为给水泵汽轮机用汽份额；卯为给水泵汽轮机用汽做功不足系数；R为给水在给水泵内的焓升，KJKG；叩为驱动给水泵装置的机械效率。在汽轮机的热平衡计算中，虽然在计算给水泵出口加热器的回热抽汽份额时，考虑到了由于给水泵焓升所引起的加热器人口水温升高的因素。但在计算蒸汽在汽轮机内做功时，通常忽略给水泵所消耗的压缩功，认为动力循环中1KG蒸汽的循环功近似等于蒸汽在汽轮机内膨胀产生的功，即42等效热降法图1所示为某汽轮机回热系统图。图1某汽轮机组回热系统图新蒸汽净等效热降为HH。AQH一一OGBFPT一NJJ5式中，H。和H为汽轮机新蒸汽焓和排汽焓，KJKG；AQ为LKG蒸汽在再热器内的吸热量，KJKG；RJ为LKG水在加热器中的焓升，KJKG；TB为汽轮机第级回热抽汽的效率；为给水泵汽轮机用汽在主汽轮机内少做的功，KJKG；H为附加成分做功损失，KJKG，N包括门杆漏汽及其利用、轴封漏汽及其利用、给水泵焓升等。这里，为了便于说明，将给水泵焓升单独提出来进行考虑，即N兀兀N。1一R667同时，又考虑到对于图1来说，有R6R68其中，R为加热器进出13的焓升，KJKG。其数值中不包括给水泵焓升。则，式5可以重新表示为58HH。TQH一一一6TP6J1J7一CTBERAHSR一FI一1一958即HH。AQH一一一T6T6J1J7一BFPT即一N一10该式说明等效热降法中新蒸汽等效热降可以表示为膨胀功与压缩功之差，亦即说明新蒸汽等效热降为1KJKG蒸汽动力循环的循环功。结合式1，并近似认为叼1，则有HW。WC11文献12在采用等效热降法分析热力系统某因素变化对汽轮机热经济性的影响时，采用蒸汽在汽轮机内的膨胀功代替新蒸汽等效热降，必然产生一定的误差。3理想等效热降法在汽轮机等熵膨胀条件下，单位质量新蒸汽的理想做功，即新蒸汽的理想等效热降为H。GH一一兀12类似于式11，有一R。13其中，下角标“T”表示蒸汽在汽轮机内等熵膨胀。31有关汽轮机热经济性指标的分析在汽轮机热力系统常规分析方法中，均采用实际循环热效率作为热经济性指标，即一HI等叼14RIQOQO14、一一叼叼Q0H0一RH一H15式中，叩、和分别为实际循环热效率、汽轮机相对内效率和理想循环热效率；Q。为LKG蒸汽在锅炉内的吸热量，KJKG；OT为再热蒸汽份额；、H和H分别为给水焓、再热蒸汽焓和高压缸排汽焓，KJKG。文献10针对理想循环热效率受高压缸相对内效率影响，从而不能准确反映汽轮机热力系统运行经济性的情况，提出对理想循环热效率进行改进，得到改进后的理想循环热效率为H叼16其中，Q。为汽轮机等熵膨胀条件下，LKG蒸汽在锅炉内的吸热量，KJKG。即Q0FHO一RH一HM17这里，OLRHT为汽轮机等熵膨胀条件下的再热蒸汽份额；H为汽轮机等熵膨胀条件下的高压缸排汽焓，即高压缸理想排汽焓，KJKG。理想循环热效率的定义式改进后，实际循环热效率的定义式可改写为一HIQO,H,HATQTTTRI18RIQOATQTTTRI一其中A19KJO称为吸热系数。32理想等效热降法与常规等效热降法的一致性分析从式18可得，当热力系统某局部因素变化时，实际循环热效率的相对变化量可以表示为6叼占，一8Q2088汽轮机技术第54卷式中，卸卸和却分别表示热力系统某因素变化引起理想循环热效率、相对内效率、吸热系数和热耗率的相对变化量。热力系统某局部因素变化引起的理想循环热效率的相对变化量为21当热力系统某局部因素变化，引起回热抽汽量的变化，相应引起汽轮机相对内效率的变化，即22当热力系统某局部因素变化排挤的回热抽汽引起蒸汽在锅炉再热器内吸热量的变化，从而引起吸热系数的变化，其相对变化量可以表示为龇由式20可以看出，回热系统某因素变化对热耗率的影响，是通过对理想循环热效率、相对内效率和吸热系数的影响体现出来的。以某300MW汽轮机为例，当各段抽汽压损均发生变化时，按式21、式22和式23计算得到的理想循环热效率、汽轮机相对内效率和吸热系数的变化情况，见表1。同时，为了便于比较，将采用式20得到的汽轮机热耗率相对变化和采用常规等效热降法得到实际循环热效率的相对变化也列于表1中。表1300MW汽轮机不同因素变化时经济性变化情况由表1可以看出，当汽轮机回热系统某因素发生变化时，采用理想等效热降法和常规等效热降法得到的实际循环热效率和热耗率的相对变化是完全相同的，从而证明了理想等效热降法和常规等效热降法在分析热力系统某因素变化对汽轮机热经济性影响的一致性。4应用等效热降法应注意的问题在进行汽轮机整体热经济性诊断过程中，通常分别测量计算出汽轮机的相对内效率和理想循环热效率，并将其与相应的应达值进行对比，从而确定出汽轮机本体和热力系统的运行经济状态及其对汽轮机热耗率的定量影响。由于实际测量得到的汽轮机相对内效率值，已经包含有回热系统某因素变化对相对内效率的影响。因此，为了避免重复计算，在汽轮机热力系统的热经济性诊断中，在分析回热系统某因素变化对热耗率的影响时，仅考虑该因素变化通过影响理想循环热效率和吸热系数而对热耗率的影响。即6Q一6研6A24其中，6G为回热系统某因素变化通过影响理想循环热效率和吸热系数而对热耗率产生的影响。5结论1常规热平衡方法得到的单位蒸汽膨胀功与等效热降法得到的新蒸汽等效热降之间相差单位质量给水的给水泵压缩功。因此，采用蒸汽膨胀功代替新蒸汽等效热降必然产生一定的误差。2在计算回热系统某因素变化对汽轮机热耗率或实际循环热效率的影响时，采用理想等效热降法与常规等效热降法所得到的计算结果是一致的。采用理想等效热降法有利于具体分析出回热系统某因素变化对理想循环热效率、汽轮机相对内效率和吸热系数的影响，从而明确该因素变化对汽轮机热耗率或实际循环热效率的影响机理。3在进行汽轮机整体热经济性诊断时，由于实际测量得到的汽轮机相对内效率值，已经包含有回热系统某因素变化对相对内效率的影响为了避免计算重复，在分析回热系统某因素变化对热耗率的影响时，应该仅考虑该因素变化通过影响理想循环热效率和吸热系数而对热耗率的影响。参考文献1林万超火电厂热系统节能理论M西安西安交通大学出版社，19942严俊杰，林万超，邓世敏热电联产压水堆机组二回路热力系统经济性诊断方法的研究J中国电机工程学报，2001，21860673李秀云，严俊杰，张春雨，等外置蒸汽冷却器机组热力系统定量分析方法J中国电机工程学报，2001，21135394李秀云，严俊杰，林万超火电厂冷端系统评价指标及诊断方法的研究J中国电机工程学报，2002，22294985严俊杰，李运泽，林万超热电联产压水堆机组二回路热力系统经济性诊断方法的研究J中国电机工程学报，2000，2055136胥建群，周克毅，张雄，等关于常规热平衡法、等效焓降法整体算法和等效焓降法局部简化算法的一致性的探讨J汽轮机技术，2000，424214218下转第92页92汽轮机技术第54卷水端差的计算值与设计值除NO8在50THA工况达约30，其它加热器均在5以内，属于最佳值范围内。因此本文所提出的确定加热器端差应达值非常接近设计值，反过来也表明，加热器端差的设计值对应着加热器最佳的性价比，同时也证明了该方法是正确的。表1表2内，试验值和计算值一栏中，试验值是利用测量得到的相关参数进行计算所得，计算值是利用试验参数计算得到的抽汽量和抽汽焓等参数，再由本文所提供的计算方法计算得出。其结果表明加热器的给水端差与试验值基本符合；疏水端差与该工况下的试验值个别符合较好，而多数相差较大，达2倍以上。如果疏水端差试验值大于计算值，表明加热器内疏水水位过低，疏水冷却器部分换热面与蒸汽接触，使得疏水温度过高；而疏水端差试验值小于计算值且与给水端差两值相接近时，表明加热器运行正常，之所以出现这种现象，主要是由于抽汽量减少的份额比给水量减少的多，在换热面积不变及换热系数基本不变的情况下，疏水进一步放热，造成疏水端差减小。从表中75和50THA试验工况的试验值和计算值比较可知51O6加热器运行不正常，虽然给水端差正常，但疏水端差过大，表明加热器内疏水冷却器部分换热面直接与蒸汽接触换热，同时由于疏水温度过高对下级加热器造成排挤抽汽，影响下级疏水端差，工况变化的越大，下级疏水端差减小的越多。加热器端差的应达值与设计值并不相同，当工况偏离设计工况时，应达值与设计值不同，但50、75THA的设计工况下，设计值与计算值基本相同，即当抽汽参数及给水量偏离设计工况时，应达值也将与设计值存在一定的差值，因此在实际运行中，根据运行参数确定加热器端差应达值，可以判断加热器运行是否正常，对实际运行有一定的指导意义。3误差分析由于加热器端差相对较小，特别是给水端差，所以在计算过程中，有时所产生的计算误差会掩盖真实值。造成误差的主要原因有1在计算过程中需要查水蒸汽性质表，而该值本身是由经验公式求得，存在一定误差；2由于抽汽压损精确值较难确定，且加热器内的压力与进入加热器的抽汽压力也不相同，所以在确定加热器内饱和温度时存在一定的误差；3低压加热器和高压加热器的给水压损，在确定过程中存在一定误差，对疏水端差影响最大；4由于凝结泵和给水泵的泵功会使给水焓有所提高，但在计算泵功时存在误差，也影响端差的计算精度；5加热器排空部分份额难以精确确定，也给计算结果带来误差；6计算过程中的累计误差，由高压加热器传导至低压加热器，造成低压加热器端差误差加大。4结论1利用本文提供的方法计算加热器端差应达值，通过与设计工况和试验工况的值相比较，可以认为该方法是正确的。2加热器端差的应达值与设计值，在设计工况下是相同的，但当抽汽参数偏离设计工况时，应达值也随之发生变化。3通过应达值与实际运行值比较，可以对实际运行的加热器性能的好坏进行判别，及时发现运行不正常的加热器。4该方法也可以作为加热器设备换热性价比最佳的设计判据，指导加热器的设计。参考文献1刘继平，李秀云，严俊杰，等带疏水冷却器的回热加热器变工况特性研究J汽轮机技术，2002，4263553592卢国栋，张春发，孙燕，等带蒸汽冷却段的加热器端差基准值变工况特性研究J汽轮机技术，2008，5021261273卢国栋，孙燕，卢权加热器端差基准值变工况特性研究J热力透平，2007，36422222