再热蒸汽温度变化对核电汽轮机运行经济性的影响_李勇

核 动 力 工 程 Nuclear Power Engineering Vol 32 No 5 O c t 2 0 11 第 32 卷 第 5 期 2011 年 10 月 文章编号 0258 0926 2011 05 0133 05 再热蒸汽温度变化对核电汽轮机 运行经济性的影响 李 勇 王 超 东北电力大学能源与动力工程学院 吉林 132012 摘要 对再热蒸汽温度降低的原因进行了分析 分别给出再热蒸汽温度变化对核电汽轮机相对内效率 和理想循环热效率影响的计算方法 并分析核电汽轮机相对内效率与理想循环热效率之间的独立性 最后给 出再热蒸汽温度变化对汽轮机热耗率影响的计算方法 以 900 MW 核电汽轮机为例的计算结果表明 再热 蒸汽温度每降低 10 理想循环热效率降低 0 0423 相对内效率降低 0 078 相应的汽轮机热耗率升高 0 1203 关键词 核电汽轮机 再热温度 热耗率 运行经济性 中图分类号 TK212 4 文献标志码 A 1 引 言 在确保设备安全的前提下提高核电机组的经 济性是核电厂目前面临的一个重要问题 提高核 电汽轮机的运行经济性 受到了设计和运行部门 的普遍重视 核电汽轮机通流部分大部分处于湿蒸汽区 文献 1 提出了一种新的核电汽轮机相对内效率 的测量方法 以便对核电汽轮机通流部分运行经 济性进行评价 文献 2 3 介绍了核电汽轮机初终 参数变化对核电汽轮机运行经济性的影响 以及 再热蒸汽压力对核电汽轮机高低压缸排汽湿度的 影响 并讨论了核电汽轮机最佳再热蒸汽压力的 确定方法 虽然核电厂汽轮机及其相应的二回路系统的 经济性已经受到了研究及运行人员的普遍重视 但对于再热蒸汽温度变化对核电汽轮机经济性的 影响研究较少 同时 由于核电机组再热方式与 常规火电机组再热方式不同 计算再热蒸汽温度 变化对火电机组汽轮机热经济性影响所采用的热 力学计算方法 4 并不能适用于核电汽轮机 因此 本文研究并给出了再热蒸汽温度变化对核电汽轮 机热耗率影响的计算方法 2 再热温度降低的原因分析 对于具有两级再热的核电机组 其汽 水分离 再热器系统见图 1 图 1 分离再热器系统 Fig 1 Moisture Separator Reheater System 由图 1 可知 汽轮机高压缸排汽经过汽 水分 离器后 依次进入一级再热器和二级再热器 变 成过热蒸汽后进入汽轮机低压缸 汽 水分离器分 离出的水进入汽轮机回热加热器 两级再热器的 加热蒸汽分别来自汽轮机高压缸抽汽和蒸汽发生 器的新蒸汽 两级再热器的疏水也分别进入汽轮 机回热加热器 在理想情况下 各再热器内加热蒸汽侧各处 的压力相同 加热蒸汽也在相应的饱和温度下凝 收稿日期 2010 04 27 修回日期 2010 11 15 基金项目 吉林省科技发展计划项目 20080523 核 动 力 工 程 Vol 32 No 5 2011 134 结 若加热蒸汽流量以及再热器的传热面积无限 大 同时传热管壁传热热阻无限小 则被加热蒸 汽在再热器的出口温度应该与加热蒸汽的饱和温 度相等 但实际上由于加热蒸汽流量和再热器的 传热面积有限 同时传热管壁又存在一定的热阻 导致再热器内加热蒸汽的疏水温度高于再热器出 口被加热蒸汽的温度 由图 1 可知 二级再热器出口再热蒸汽温度 可以表示为 ttt 2srh 1 式中 rh t为再热蒸汽温度 即二级再热器被加热 蒸汽的出口温度 2s t为二级再热器内加热蒸 汽压力对应的饱和温度 t 为再热器加热蒸 汽侧的饱和温度与再热器出口被加热蒸汽温度之 间的温差 以下简称为再热器端差 由式 1 可知 在加热蒸汽流量 再热器传热面积以及传 热热阻一定的条件下 rh t取决于t 2 1 再热器加热侧蒸汽压力对 rh t的影响 当蒸汽发生器出口蒸汽压力降低 或二级再 热器加热蒸汽 新蒸汽 经过调节阀节流损失增 大后 使再热器加热侧压力降低 与其所对应的 饱和水温度降低 在再热器端差不变的情况下 导致再热蒸汽温度降低 以 900 MW 核电汽轮机 为例 二级再热器加热侧蒸汽压力降低对再热蒸 汽温度的影响见图 2 图 2 再热蒸汽温度随再热器加热侧压力的变化 Fig 2 Curves of Reheat Steam Temperature Varying with Pressure in Exothermic Side of Reheater 2 2 再热器端差对再热蒸汽温度的影响 当再热器换热表面结垢时 换热表面导热系 数减小 再热器端差增大 最终导致再热蒸汽温 度降低 以 900 MW 核电汽轮机为例 再热器端 差增大对再热温度的影响见图 3 图 3 再热蒸汽温度随再热器端差的变化 Fig 3 Curves of Reheat Steam Temperature Varying with Reheater Temperature Difference 3 再热蒸汽温度变化对热耗率的影响 确定再热蒸汽温度变化对汽轮机热经济性的 影响 有热力试验和理论计算 2 种方法 从理论上讲 用试验方法确定再热蒸汽温度 变化对汽轮机热经济性的影响是最可靠的方法 结果也最符合实际 但事实上 由于允许的再热 蒸汽温度变化范围不大 并且在试验时很难保证 其他运行参数始终保持不变 因而将引起误差 所以 实际应用比较多的是理论计算方法 5 本 文通过理论分析和计算 分别确定出再热蒸汽温 度变化对相对内效率和理想循环热效率 t 的影 响 并最终确定出热耗率变化值 3 1 再热温度变化对相对内效率的影响 由于核电汽轮机低压缸与常规火电汽轮机低 压缸结构及运行参数差别不大 故本文采用图 4 4 研究确定再热蒸汽参数变化对低压缸相对内效率 的影响 已知设计工况下核电汽轮机再热蒸汽温度 图 4 蒸汽温度对相对内效率影响 Fig 4 Effects of Steam Temperature on Relative Internal Efficiency 1 370 2 400 3 425 4 450 5 480 6 510 7 535 8 565 9 600 李 勇等 再热蒸汽温度变化对核电汽轮机运行经济性的影响 135 rh t和低压缸的相对内效率 oiL 当 rh t变化时 根 据图 4 可得到 oiL 的相对变化值 oiL rh t变化还引起了低压缸理想焓降 tL H 的变 化 汽轮机低压缸理想焓降可表示为 5 k k p p RT k k H 1 rh c rhtL 1 1 2 式中 k 为蒸汽的绝热指数 R 为通用气体常 数 K kJ kg rh T为 再 热 蒸 汽 绝 对 温 度 15 273 rhrh tT K c p 和 rh p分别为汽轮机 排汽压力和再热蒸汽压力 MPa rh t变化引起 tL H 的变化值为 k k p p R k k H 1 rh c tL 1 1 3 汽轮机整机相对内效率 oi 为 t i oi H H 4 式中 i H 和 t H 分别为汽轮机整机的有效焓降 和理想焓降 kJ kg 将式 4 整理 得 tLtH oiLtLoiHtH oi HH HH 5 式中 tH H 为汽轮机高压缸的理想焓降 kJ kg oiH 和 oiL 分别为汽轮机高压缸和低压缸的相对 内效率 由于 rh t变化引起整机 oi 的变化值为 tL 2 tLtH oiHoiLtH oi H HH H oiL tLtH tL HH H 6 将式 3 代入式 6 即可以得到整机 oi 的 变化值 3 2 再热蒸汽温度变化对 t 的影响 t 为汽轮机理想内功率与蒸汽在蒸汽发生 器内的吸热量之间的比值 即 0 t t Q P 7 fw000 hhDQ 8 21 1 trh trh 1 t t t0t 1 z m mm z i ii YYHDP tsewtsewtfwtfw 1 tsg tsg 3 YYY z j jj 9 式中 Pt为汽轮机的理想内功率 亦即蒸汽在汽 轮机内等熵膨胀时产生的内功率 kW Q0为单 位时间内蒸汽在蒸汽发生器内的吸热量 kW h0 为新蒸汽焓值 kJ kg hfw为蒸汽发生器的给水 焓值 kJ kg D0为蒸汽发生器出口蒸汽流量 kg s 为引出的蒸汽份额 其表示相应的蒸汽流量与 蒸汽发生器出口新蒸汽流量的比值 Y为做功不 足系数 对于由分离再热器前引出汽轮机的蒸汽 ctrh0ctrh hqhhqhY rh q 为蒸汽 在分离再热器内的焓升 即 htrhrh hhq kJ kg rh h为再热蒸汽焓值 kJ kg 对于由分离器中分 离出的水 ctrh0ctrh hqhhhY 对于由 分 离 再 热 器 后 引 出 汽 轮 机 的 蒸 汽 ctrh0ct hqhhhY ht h和 ct h分别为蒸 汽在汽轮机内等熵膨胀过程中高压缸和低压缸排 汽焓 kJ kg h为某具体点的蒸汽焓 kJ kg 其 与Y具有相同的下标 z1 z2和z3分别为回热抽 汽 再热器的级数和轴封漏汽 下标 t i为蒸汽 在汽轮机内等熵膨胀过程第i级回热抽汽 tsg j为蒸汽在汽轮机内等熵膨胀过程第j级轴封 漏汽 trh m为蒸汽在汽轮机内等熵膨胀过程第m 级再热器加热蒸汽 tfw为蒸汽在汽轮机内等熵 膨胀过程给水泵汽轮机用汽 tsew为分离器分离 出的水 当蒸汽在汽轮机等熵膨胀且蒸汽发生器出 口蒸汽流量 新蒸汽参数 rh p和 c p一定时 选 取某个 rh t 即可以得到蒸汽在汽轮机高压缸和低 压缸内的等熵膨胀热力过程线 利用各回热抽汽 压力与等熵膨胀热力过程线的交点即可得到等熵 膨胀过程回热抽汽点的焓值 通过回热系统各加 热器的热平衡计算 可以得到各加热器的回热抽 汽量 此外 由汽动给水泵的能量平衡 可以得 到给水泵汽轮机的用汽量 从而可以得到高压缸 的排汽量 再热蒸汽流量及汽轮机的排汽量 利 用式 7 式 9 即可以得到在当前 rh t条件下 核 动 力 工 程 Vol 32 No 5 2011 136 的 t 3 3 相对内效率与 t 关联性分析 由式 7 式 9 可知 汽轮机 t 是在汽 轮机等熵膨胀的条件下计算得到的 在新蒸汽参 数 再热后蒸汽参数 抽汽压力以及凝汽器压力 一定的条件下 其数值大小主要取决于回热系统 分离再热器的状态 与汽轮机本体运行经济情况 无关 而汽轮机的 oi 主要取决于汽轮机本体运行 经济情况 因此 两者之间是相互独立的 3 4 再热蒸汽温度变化对热耗率影响分析 汽轮发电机组的热耗率为 gmoit 3600 q 10 式中 q为汽轮发电机组的热耗率 m 和 g 分别 为汽轮机的机械效率和发电机效率 由于 rh t变化所引起q的变化率为 oi oi t t q q 11 4 计算实例及对再热循环的分析 4 1 计算实例 以压水堆核电厂900 MW汽轮机为例 其新 蒸汽压力为6 63 MPa 新蒸汽温度为282 14 再热蒸汽压力为0 7531 MPa 温度为265 1 汽轮机排汽压力为0 0075 MPa 采用两级再热 一级再热器加热蒸汽来自高压缸第一级抽汽 二 级再热器来自新蒸汽 采用本文提出的方法 得 到再热蒸汽温度变化引起 oi t 和q的变化情 况 图5 由图5可知 当 rh t降低10 时 t 降低 0 0423 oi 降低0 078 相应的汽轮机q升高 0 1203 另外 文献 4 以常规火电125 MW汽轮机为 例 采用常规的热力学计算方法 得到当再热蒸 汽温度降低10 后 机组的 t 降低0 159 oi 降低0 09 汽轮机热耗率升高0 249 通过对比可以发现 在 rh t变化幅度相同的条 件下 核电汽轮机 t 的变化幅度小于 oi 的变化 幅度 而常规火电汽轮机 t 的变化幅度要大于 oi 的变化幅度 且核电汽轮机q的变化幅度小于 常规火电汽轮机 图 5 各效率随再热温度变化情况 Fig 5 Curves of Each Efficiency Rate Varying with Reheat Temperature 4 2 核电汽轮机再热循环分析 核电机组再热方式与常规火电机组最根本的 区别就是核电机组采用蒸汽对高压缸排汽进行再 热 从热力学的角度看 采用新蒸汽对高压缸排 汽进行加热 降低了蒸汽的品质 同时 采用新 蒸汽再热 也使得再热后的蒸汽温度始终低于新 蒸汽温度 与无再热相比 采用新蒸汽对高压缸 排汽进行再热的经济性降低 汽轮机q增大 但是 对于采用新蒸汽对高压缸排汽进行再 热的方法 提高再热蒸汽温度 有利于减少汽轮 机的排汽湿度和提高汽轮机的 oi 图6 虽然 t 也有一定的提高 但其提高幅度小于相对内 效率 在再热温度变化幅度相同的条件下 核电机 组 t 变化率小于火电机组 正是由于核电机组采 用蒸汽再热的缘故 而核电汽轮机 oi 的提高幅度 小于火电机组汽轮机 是由于核电汽轮机 tth HH 值小于火电汽轮机 tth HH 值 5 结 论 1 蒸汽发生器出口蒸汽压力降低 截止门 节流损失增大或t 增大 均会导致 rh t降低 2 rh t降低 将导致核电汽轮机 oi 和 t 的 降低 且 oi 降低幅度大于 t 的降低幅度 3 在 rh t变化幅度相同条件下 核电汽轮机 oi 和 t 的降低幅度均小于常规的火电汽轮机 同时 核电汽轮机q的降低幅度也小于常规的火 电汽轮机 4 本文提出了一种计算核电汽轮机 rh t变化 对 oi t 和q影响的计算方法 且计算过程大 大简化 李 勇等 再热蒸汽温度变化对核电汽轮机运行经济性的影响 137 参考文献 1 李勇 张玉铎 张毅 核电汽轮机相对内效率测量方 法研究 J 核动力工程 2006 27 2 83 86 2 薛汉俊 杜圣华 核能动力装置 M 北京 原子能出 版社 1990 3 藏希年 申世飞 核电厂系统及设备 M 北京 清华 大学 2003 4 王乃宁 汽轮机热力设计 M 北京 水利电力出版社 1987 5 曹祖庆 汽轮机变工况特性 M 北京 水利电力出版 社 1991 Effect of Change of Reheat Steam Temperature on Operation Economy of Nuclear Steam Turbine LI Yong WANG Chao School of Energy and Power Engineering Northeast Dianli University Jilin 132012 China Abstract Firstly the reasons for the decreasing of the reheat steam temperature are analyzed Secondly the methods to calculate the effect of the changing of reheat steam temperature on the relative internal efficiency and ideal cycle thermal efficiency of the nuclear steam turbine are given and the independence of relative internal efficiency and ideal cycle t