热网循环泵电动改汽动的热力学分析

第58卷第1期2016年2月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0L_58NO1FEB2016热网循环泵电动改汽动的热力学分析高新勇，何晓红，庞建锋，孙士恩9郑立军华电电力科学研究院，杭州I310030摘要结合热力学定律与炯分析理论，推导供热系统电动泵改汽驱动的热力学分析模型，并进行能耗分析，结果指出，电驱动工况时的热电厂热效率和炯效率分别为64532和39723，均低于小汽机驱动工况；进汽压力一定时，排汽压力的增加均不利于供热系统与主汽机系统，排汽压力应取较低值；排汽压力一定时，小汽机进汽压力的选取，要综合考虑热电厂的热电比；当小汽机驱动工况时，存在一个最佳的压比值，对供热系统与主汽机系统所产生的影响最小。关键词小汽机；炯；供热；压比分类号TK26。TM621文献标识码A文章编号10015884201601006504THERMODYNAMICANALYSISOFCIRCULATINGPUMPWITHTURBINEDRIVENINSTEADOFELECTRICPOWERINHEATINGNETWORKGAOXINYONG，HEXIAOHONG，PANGJIANFENG，SUNSHIEN，ZHENGLIJUNHUADIANELECTRICPOWERRESEARCHINSTITUTE，HANGZHOU310030，CHINAABSTRACTTHETHERMODYNAMICSANALYSISMODELOFHEATINGSYSTEMFORSTEAMDRIVENPUMPINSTEADOFELECTRICPUMPISDEDUCEDBASEDONTHERMODYNAMICLAWANDEXERGYANALYSISTHEORYTHERESULTSISTHATTHERMALEFFICIENCYANDEXERGYEFFICIENCYOFTHERMALPOWERPLANTWHENELECTRICPUMPCONDITIONARE64532AND39723，WHICHARELESSTHANSTEAMDRIVENPUMPCONDITIONWHENINITIALSTEAMPRESSUREREMAININGUNCHANGED，THEEXHAUSTSTEAMPRESSUREINCREASINGISNOTCONDUCIVETOHEATINGSYSTEMANDMAINTURBINESYSTEM，THEEXHAUSTSTEAMPRESSURESHOULDBERELATIVELYLOWWHENEXHAUSTSTEAMPRESSUREREMAININGUNCHANGED，INLETSTEAMPRESSUREOFSMALLTURBINEISDEPENDINGONTHEHEATTOELECTRICRATIOTHEREISTHEBESTPRESSURERATIOTOMAKEHEATINGSYSTEMANDMAINTURBINESYSTEMOPTIMALENERGYCONSUMPTIONUNDERSTEAMDRIVENPUMPCONDITIONKEYWORDSSMALLTURBINE；EXERGY；HEATING；PRESSURERATIO0前言随着国家节能减排政策的推行，各热力行业逐步加强了对热能的梯级利用。火力发电厂是一个复杂的热力系统，若要提高其运行的经济性，不仅需要提高主机热效率，还需改善热力系统中所有辅机的配置和运行方式。锅炉给水泵与循环水泵是火力发电厂中能耗最大的辅机之一，其运行方式是降低厂用电率的重要环节。目前，火电厂的给水泵与循环泵普遍采用小汽机驱动代替电驱动，是因为电能属于高品位能，而汽机抽汽属于中低品位能。火电厂的给水泵与循环水泵利用电驱动改为小汽机驱动，然后小汽机排汽用于除氧器除氧或热网加热器热源，正是体现按能的品位加以利用能的原则。李心刚等人主要研究了利用小汽机驱动给水泵及循环泵的可行性，认为不仅可减少节流阀的压力损失，同时降低了厂用电率，提高了电厂经济性。舒斌等人主要分析了利用小汽机驱动热网循环泵的经济性。而进汽压力和排汽匿丕蛔扭的运盆挂性、全厂效率，同时还制约着收稿日期20150822小汽机与电厂各级抽汽和用汽匹配的合理性。目前，较少学者对此进行研究。本文主要是基于热力学第二定律分析小汽机在不同进汽压力和排汽压力时的能耗特性，以寻找最佳的运行工况。1热网循环水泵汽驱动改造系统流程热网循环水泵经过小汽机驱动改造后的供热系统流程如图1所示。其中，小汽机驱动汽源来源于采暖抽汽，排汽用于热网水加热，实现了能的梯级利用。供热期时，一定的采暖抽汽量，都对应有一个最低机组负荷。当采暖抽汽同时用作供热和小汽机汽源，特别是小汽机排汽用于除氧器除氧时，小汽机用汽与供热用汽相互制约，无法保证机组供热的可靠性，此时设计小汽机时，需要考虑多种较合理的运行工况。2热力学分析模型正确认识能的合理有效利用，不仅要从数量的角度分作者简介高新勇1987一，男，汉族，河南信阳人，硕士，助理工程师，主要研究方向为热电联产、余热利用技术。汽轮机技术第58卷一次网供回水图1电厂供热系统图析，还需对品位是否匹配加以研究。对于热电厂及其辅助设备的能耗，不同学者采取不同的法定准则来评价；但总体来说，均是基于热力学第一、二定律J。小汽机热效率是指汽机生成的能量之和与其消耗的热量之比，则其计算公式如下Q1仇百式中，Q为小汽机耗热量，LOH；为小汽机做功量，KJH；Q为小汽机排汽供热量，KJH。基于热电分摊思路，引入“当量电耗”表示消耗相同燃料时，热电机组因抽汽而少生产的电量，计算公式如下EE衄P一P，2式中，E衄为机组因抽汽少生产的电量，KWHH；P为热电厂未抽汽时的供电量，KWHH；P为热电厂抽汽时的供电量，KWHH。小汽机耗能来源于主汽轮机抽汽，是以牺牲主汽轮机发电来为小汽机供能。因此，小汽机的耗能可看作是当量电耗，其J炯效率77则为Q。1一一式中，为环境温度，K；为供出热能的热力学平均温度，K效率为QT1一TO刀一一_而主汽机抽汽供热系统的炯效率计算公式则为1一式中，Q为主汽机抽汽供热量，KJH。采用“当量电耗”作为基准进行分析，均不能真实反应各设备的真实炯损。依据热力学第二定律，用能过程中，能量的品质受到损失而非数量，因此，炯损分析则更能反应各用能过程中能量的损失情况。忽略蒸汽的动能与势能变化，选定环境状态，进行各主要用能系统的炯平衡分析。汽轮机主要进行热能与电能的转换，其内炯损为EE一一E一一E一E，一6式中，E为汽轮机炯损，KJH；E。为汽轮机进汽热量J朋，KJH；为汽轮机再热冷段汽热量炯，KJH；ES。为汽轮机再热热段汽热量炯，KJH；E为汽轮机回热汽热量炯，KJH；E为汽轮机抽汽热量炯，KJH；E3为汽轮机排汽热量炯，KJH；W为汽轮机发电炯，KJH。小汽机排汽供热与主汽机抽汽供热，都是利用蒸汽经热网加热器进行供热，其供热炯损计算公式为EEE。一Q1一7“O7式中，为加热蒸汽热量炯，KJH；E。为加热疏水热量炯，KJH；Q为交换的热量，KJH。3实例热力学分析31实例数据北方某电厂供热系统的热网循环水泵进行小汽机驱动改造，相关电厂运行数据如表1和表2所示。保持总供热量与主汽轮机的各级抽汽工况不变，小汽机排汽加热热网水与抽汽加热并联，小汽机采用等熵焓降法计算，进行改造后的热力学分析。小汽机除做功外，其排汽用于供热。对于排汽供热的炯表1热电厂供热工况部分参数表2供热机组的蒸汽参数物理量温度，压力，MPA流量，TH物理量温度，压力，MPA流量，TH主蒸汽5370016700096000五级回热汽244，700400029。48再热汽冷段319003771079748采暖抽汽244700400034000再热汽热段537003394079748六级回热汽10680009201671一级回热汽38490606606902七级回热汽7O5900320132O二级回热汽31900377106837八级回热汽48740OL16707三级回热汽37210166406313乏汽32520004931943四级回热汽28610071603359注忽略轴封汽与漏汽损失的影响。第1期高新勇等热网循环泵电动改汽动的热力学分析6732结果分析321改造前与改造后的比较改造时，利用采暖抽汽作为小汽机的汽源，结合热力学模型进行计算，得出改造前、后能耗情况的对比，如表3所示。可以看出，小汽机驱动代替电驱动后，对热电厂的热效率和炯效率影响很小，且主汽机的做功能力损失的增加量仅为3069KWHH，远小于电驱动的耗电量；另外，电驱动工况时，考虑耗电损失而计算得出的热电厂热效率和炯效率分别为64532和39723，与小汽机驱动相比，都有明显的降低。由此说明，热网循环泵进行电动改汽动是十分必要的。从表3还可以得出，小汽机供热的炯效率明显高于抽汽供热的炯效率，主要是由于小汽机排汽的品位低于供热抽汽。小汽机驱动工况的抽汽供热I朋效率大于电驱动工况时的抽汽供热炯效率，这是因为部分的抽汽供热量被小汽机供热取代，减少了抽汽供热炯损，而小汽机供热炯损的增加量很小。表3两种运行工况下的能耗分析322压比变化时1进汽压力一定时取小汽机的进汽压力为377MPA，压比呈等值减小，得出6种不同排汽压力工况115MPA、I27MPA、141MPA、159MPA、182MPA、213MPA，结合热力学模型进行计算，所得能耗分析结果如图2所示。858O姗75较7065排汽压力MPA炯损分析耋蠢图2不同小汽机排汽压力时的能耗分析对于小汽机系统来说，其炯效率、供热炯效率、热效率都随着排汽压力的增加而逐渐减小；小汽机供热炯损随着排汽压力的增加而逐渐增加，且增加的幅度也逐渐变大。这主要是因为排汽压力增加，虽然小汽机供出热能的品位得到提高，但是小汽机的耗能增大，且排汽能量的品位过高，造成了能量损失。对于抽汽供热系统来说，其炯效率、炯损都随着排汽压力的增加而逐渐减小，且减小的幅度逐渐变大。这主要是因为抽汽供热的抽汽量减小，从而引起供热量减小及供出热能的品位降低。但是，整个供热系统的总供热炯损是随着排汽压力的增加而逐渐增加。因此，排汽压力的升高不利于供热系统。虽然主汽机的内炯损随着排汽压力的增加而逐渐减小，但它是以牺牲做功能力而换来的。随着排汽压力的升高，做功能力相比于电驱动工况，损失增加量已经大于电动循环泵的耗电量。此时，再进行小汽机改造，不但不能节省耗电量，反而增加了设备投资。因此，在进行小汽机改造时，在允许的情况下，小汽机的排汽压力应取较低值。2排汽压力一定时取小汽机的排汽压力为127MPA，压比呈等值减小，得出6种不同进汽压力工况415MPA、377MPA、339MPA、301MPA、263MPA、225MPA，结合热力学模型进行计算，所得能耗分析结果如图3所示。对于小汽机系统来说，其炯效率、供热炯效率都随着进汽压力的减小而逐渐增加，且增加的幅度也逐渐变大；其热效率随着进汽压力的减小而逐渐减小，但值的变化范围较小；其供热炯损随着进汽压力的减小而逐渐增加，且增加的幅度也逐渐变大。这主要是因为小汽机的进汽压力降低，品位降低，导致抽汽量增加，供给小汽机的总能量增加；而炯效率降低则是因为小汽机供出热能的总量和品位都得到了提高。对于抽汽供热系统来说，其炯效率、炯损都随着进汽压力的减小而逐渐减小，且减小的幅度逐渐变大。这也是因为抽汽供热的抽汽量减小，从而引起供热量减小及供出热能的品位降低。但是，整个供热系统的总供热炯损是随着进汽压力的减小而逐渐增加。因此，进汽压力的降低不利于供热系统。对于主汽机来说，随着进汽压力的降低，主汽机内炯损、相比于电驱动工况的做功能力损失增加量都逐渐减小，这是因为小汽机利用的是主汽机内的低品位蒸汽所引起的。因撕力率汽轮机技术第58卷908580褂较757065进汽压力炯损分析至、嚣图3不同小汽机进汽压力时的能耗分析此，进汽压力的降低更有利于主汽机系统。综上所述，小汽机的进汽压力要根据主汽机系统和供热系统两者来综合考虑取值。当以主汽机发电为主时，小汽机的进汽压力取较小值；当以供热系统为主时，小汽机的进汽压力取较大值。而且，在取值的同时，要综合考虑对两者系统的经济性影响。323压比一定时以北方某电厂的多级回热抽汽作为小汽机的进汽，取进汽压力与排汽压力的压比为定值，结合热力学模型进行计算，所得能耗分析结果如图4所示。与压比变化时进汽压力递增的工况相比，对于小汽机系统来说，炯效率的变化趋势一致，而热效率、供热炯损的变化趋势则相反；对于抽汽供热系统来说，炯效率、炯损的变化趋势一致；但是，整个供热系统的总供热炯损的变化趋势则相反。这主要是因为在压比一定时，排汽压力也随着进汽压力的增加而增加。此时，考虑进汽压力变化对供热系统的影响时，也要分析排汽压力变化所带来的损失。对于主汽机来说，与压比变化时进汽压力递增的工况相比，做功能力损失增加量的变化趋势一致，而主汽机内炯损的变化趋势则相反。主要是因为小汽机利用高品位蒸汽做功时，导致了主汽机做功能力损失增大；但是更多的供热量由抽汽系统来提供，充分利用了低品位蒸汽供热，降低了主汽机的内炯损。从图中还可看出，在进汽压力为377MPA时，变化趋势出现了转折点，这主要是由于压力为377MPA、607MPA的蒸汽为再热之前抽汽，相比利用再热后的同等压力蒸汽时，能量损失得到相对的降低。因此，当压比一定时，小汽机进汽压力的取值要综合考量交1059585褂籁756555进汽压力MPA炯损分析重云图4电厂各级抽汽作为小机进汽时的能耗分析虑进汽压力变化与排汽压力变化同时对供热系统、主汽机系统所产生的影响，即在确定进汽压力时，还存在一个最佳的压比值，对系统所产生的影响小。另外，当必须选择高排蒸汽时，应优先选择再热之前的高排蒸汽。4结论本文主要结合热力学定律与炯分析理论，推导适用于供热系统循环泵电动改汽动时的能耗分析计算模型。基于该计算模型，对热电厂的能耗进行分析，得出以下结论1循环泵电动改汽动后，对热电厂的能耗影响很小；小汽机驱动工况的供热系统炯效率明显高于电驱动工况；当考虑耗电损失时，电驱动工况的热电厂热效率与炯效率均明显低于小汽机驱动工况。2进汽压力一定时，随着排汽压力的增加，小汽机系统与抽汽供热系统的热力学能耗逐渐增加，排汽压力的升高不利于供热系统；虽然主汽机的内炯损逐渐减小，但它是以牺牲做功能力为代价。因此，进行小汽机改造时，在允许的情况下，小汽机的排汽压力应取较低值。3排汽压力一定时，随着进汽压力的降低，小汽机系统与抽汽供热系统的热力学能耗逐渐增加，进汽压力的降低不利于供热系统；而主汽机的内炯损、做功能力损失增加量均减小，进汽压力的降低利于主汽机系统。因此，小汽机进汽压力的选取，要综合考虑热电厂的热电比。3当进汽压力确定时，存在一个最佳的压比值，对供热系统与主汽机系统所产生的影响最小；当利用高排蒸汽作为小汽机的进汽时，应优先选择再热之前的高排蒸汽。下转第71页伽力率删狮撕力率埘第1期蔡文方等300MW机组通流改造后汽流激振故障的分析与处理714改造处理根据机组轴承的结构形式，处理思路为一是减小1号轴瓦工作面，增大比压。二是改变供、回油方式，即将1号轴承的单侧进油改为双侧进油，加大轴承进油量，依靠润滑油挤压轴颈，来增加稳定性，同时加大进油量可减少轴承温升J。三是封堵上瓦周向槽减小回油量，同时可以起到类似减小轴承顶隙的效果。41对1号轴承的处理1将1号轴承轴瓦工作面在现有的基础上减宽5MM，经计算其轴承比压将增加09KGCM，提高至144KGCM。2封堵1号轴承上瓦乌金槽图4，在1号轴承下瓦的挡油环处封堵4个回油孔，并在机侧加挡油环。在1号轴承箱外挡油环内侧增开两个卸油槽，孔径与原有的一个相同。一一TIT。1FL置IL图4封堵1号轴承上瓦乌金槽3在1号轴承进油管滤网后开孔，孔径B25MM，并新增接管至原1号轴承排油口位置，使得原排油口变为进油口图5，原1号轴承中分面两个油孔径均改为D23MM。图51号轴承进油方式改造42对2号轴承的处理1将2号轴承原10116的乌金槽单边各补起25MM宽，再将槽深由原来的16MM加工至32MM，如图6。2封堵2号轴承下瓦排油孔，在轴承电机侧增设L型挡油环。32号轴承解体后发现下瓦底部略有磨损划痕，对划痕处进行修刮平滑并将轴承顶隙调整至接近设计下限。改造完成后，1号、2号轴承按解体前间隙数据进行复图6封堵2号轴承上瓦乌金槽装。处理后，机组定速3O00RMIN振动良好，在满负荷工况下做机组1号、2号轴承振动试验，结果显示在负荷330MW时，CV3、CV4任意开启均不会造成1号、2号瓦振动增大见表2，机组振动得到有效控制。表2处理后机组振动单位TXM5结论1蒸汽激振力近似正比于机组的出力，机组增容改造势必增大作用在高中压转子上的汽流力，蒸汽参数的提高使得汽流力对动静间隙、密封机构及转子与汽缸对中的灵敏度提高，在轴承阻尼等其它参数不变的情况下，发生汽流激振故障的可能性将随之增大。2从根本上消除汽流激振力需要改变配汽方式、汽封结构或调整间隙等，而提高轴瓦稳定性是现场消除激流故障的重要有效手段。本文中所实施的改变供油方