汽轮机组热耗率分析及实时计算_盛德仁

收稿日期 20021021 作者简介 盛德仁 1960 男 浙江大学电厂热能动力及自动化研究所 副教授 从事发电厂在线性能监测 机组优化运行等方面的教学与研 究工作 汽轮机组热耗率分析及实时计算 盛德仁 李 蔚 陈坚红 任浩仁 浙江大学 浙江 杭州 310027 摘 要 归纳分析了影响汽轮机组热耗率的因素 比较性能实时计算与热力性能试验的异同点 重点对 影响热耗率实时计算准确性的主要因素及主要参数进行了分析 为发电厂实施发电成本实时核算体系 提 供理论分析基础 关键词 热力性能 热耗率 实时计算 汽轮机性能试验 中图分类号 TK262 文献标识码 A 文章编号 10023364 2003 05001603 能源工业是国民经济的基础产业 是实现现代化 的物质基础 汽轮发电机组是实现电能转换技术的重 要设备 又是消耗一次能源的大户 我国火力发电厂 平均供电煤耗率为 408 g kW h 比世界发达国家同 类指标高出50g kW h 以上 这表明我国火电机组的 节能潜力巨大 汽轮机组的热耗率是衡量火电机组设 计 制造 安装 调试 运行管理等环节的综合技术指 标 降低机组的热耗率在建立发电厂安全 经济 稳 定 可靠的运行系统以及在电力市场化 竞价上网的成 本核算体系中有重要的指导作用 1 额定工况热耗率的影响因素 汽轮机组额定工况热耗率定义 q D0 h0 hfw Drhhrh Drchrc Pel 1 式中 D0为主蒸汽流量 h0为主蒸汽焓值 hfw为锅炉 给水焓值 Drh为再热蒸汽管道热段流量 hrh为再热蒸 汽热端焓值 Drc为再热蒸汽管道冷段流量 hrc为再热 蒸汽冷端焓值 Pel为发电机输出功率 影响额定工况热耗率的因素很多 归纳为以下几点 1 发电厂主要设备的内在性能 诸如汽轮机 锅 炉等设备状态是否完好 是否采用高新技术 大容量机 组 超临界技术 通流部分全三维设计和高效叶型 高 效燃烧等 2 机组运行方式 如某些设备因局部故障而采 用高压加热器 高加 切除运行 过热器减温水喷水 从 给水泵出口投入 再热器减温水喷水等 3 机组运行参数 运行参数可以分为可控与不 可控2 类 可控参数 如主蒸汽温度 压力 真空等 是 否在该工况最优运行参数下运行等 4 一些旁通阀 疏水阀是否存在严重泄漏等 2 机组性能试验与性能实时计算 汽轮机组的热耗率是通过热力性能试验后计算得 到的 热力性能试验的目的是要知道汽轮机组实际运 行性能 如对刚投产的新机组 要做性能考核试验 来 检验机组是否达到制造厂家在技术合同上保证的热耗 率 对机组大修前 后也要进行常规热力性能试验 来 检验大修的质量 此时需要消除运行方式 运行参数 对热耗率的影响 采取高精度测试仪表及严格的系统 隔离措施 计算不明泄漏量 确保性能试验精度 qt qn qt 2 qn qt 1 qt qn qt C 3 式中 qt为试验工况参数下的机组热耗率 qn为把试 验工况参数修正到额定工况参数后的机组热耗率 qt 为由于试验工况参数偏离额定工况参数使得机组热耗 16 研究论文 热力发电 2003 5 率增加值 C 为总的试验工况参数修正系数 即 C 1 qt qn p0 1 qt qn t0 1 qt qn pr 1 qt qn tr 1 qt qn tfw 1 qt qn pc 4 式 4 表示可控参数 主蒸汽压力 p0 主蒸汽温度 t0 再热蒸汽压损 pr 再热蒸汽温度 tr 给水温度 tfw 真空 pc 偏离额定工况参数引起机组热耗率变化的修 正系数 这些修正系数可以用制造厂家提供的参数修 正曲线 或用美国ASME 标准推荐的参数修正曲线 或 通过汽轮机组详细热力计算 以及通过热力学简化计 算得到 机组正常运行时 监测机组实时热耗率的目的是 为了及时评价机组运行管理水平 式 2 可以写成 qt qn qt qn 1 qt qn C qn 5 式中 qt为运行工况参数下机组运行热耗率 qn为额 定工况参数下机组的设计热耗率 C 为总的试验工况 参数修正系数 运行工况下热耗率值是随着机组负荷 设备完好状 况及参数变化的 1 台机组投产后在一定的运行周期 内 只要机组设备结构不发生改变 以及未发生机组损 伤等情况 机组的设计性能基本维持不变 若机组运行 方式没有改变 则机组设计热耗率只受到机组运行参数 的影响 运行热耗率与该工况下设计热耗率值之差 就 反映了机组运行管理水平 各可控参数值也是随机组 负荷变化的 若机组在额定功率附近运行 各参数应达 设计值 当机组运行工况严重偏离额定功率时 各参数 值应根据详细热力计算或热力性能试验确定 1 2 3 影响热耗率实时计算准确性因素 在分析了机组热耗率的影响因素后 重点对影响 机组热耗率实时计算准确性的因素进行分析 3 1 主蒸汽流量 从式 1 可以看出主蒸汽流量的测量或计算精度 对热耗率的影响成正比关系 即 1 的流量误差直接 影响机组热耗率 1 因此对主蒸汽流量的计量精度 要求很高 由于蒸汽的可压缩性 如果采用标准节流 孔板 测量其差压值换算成流量 再进行蒸汽密度修正 的方法 其精度较低 并且 随着汽轮机组容量增大和 初参数提高 在主蒸汽管道上加装节流孔板 会增加额 外的节流损失 因而 大型汽轮机组测量主蒸汽流量 是通过以下间接测量方法得到 1 对单元制机组而言 在最末高加与锅炉间的 给水管道上 安装节流孔板测量给水流量 然后换算成 主蒸汽流量 即 D0 Dfw Ded Dab 6 式中 Dfw为锅炉给水流量 Ded为过热蒸汽减温水流 量 Dab为锅炉排污流量 定排和连排之和 常规热力性能试验中的主蒸汽流量计量均采用此 方法 但直接把它应用于热耗率实时计算中 会产生较 大的误差 这是因为 1 当投过热蒸汽减温水时 喷 水量转换成汽轮机做功的蒸汽量有 1 个滞后效应 使 式 6 所得主蒸汽流量产生一个不真实的跃变 从而 机组热耗率也产生一个不真实的跃变 2 锅炉排污流 量的实时监测也较困难 2 通过测量调节级后 监视段 压力 利用 Flugel 公式计算主蒸汽流量并作适当修正 则变工况运行时 主蒸汽流量为 D01 D0 p11 p1 7 式中 D0为额定 设计 工况时的主蒸汽流量 p1为额 定 设计 工况时的调节级后压力 p11为变工况运行时 的调节级后压力 假定汽轮机通流部分叶片没有发生腐蚀 结垢 断 裂等情况 额定 设计 工况时 C D0 p 1 l为定值 通 过热力性能试验对其进行修正 这样式 7 为 D01 C p11 8 在实际使用时 还需用调节级后温度及负荷进行修 正 这样 在正常运行工况范围内 不包括机组的起 停 工况 主蒸汽流量可以满足热耗率实时计算的需要 3 2 再热蒸汽流量 再热蒸汽流量是通过回热系统热平衡计算求得 利用进入各高加的抽汽压力 温度和进 出高加的给水 压力 温度与流量 通过回热系统热平衡计算 求得高 压缸各级抽汽流量 这样 再热蒸汽管道冷段流量即 高压缸排汽流量 为主蒸汽流量减去高压缸各级抽汽 量 再热蒸汽管道热段流量为再热蒸汽管道冷段流量 加上再热器减温水喷水量 3 3 汽轮机末级排汽焓值 在汽轮机热耗率实时计算中 实时确定汽轮机末 级排汽焓值一直是一个难题 原因是处于湿蒸汽区时 17 研究论文 热力发电 2003 5 其压力和温度不再是相互独立参数 且又不具备对汽 轮机内蒸汽湿度实用的在线测量手段 末级排汽焓在 机组系统热平衡计算 汽轮机低压缸效率等计算中 又 是一个非常重要的参数 汽轮机末级排汽焓的实时计 算方法归纳为以下几种 1 能量平衡法 由下式表达 Pel D0h0 Drhhrh Drchrc Djhj Dchc m el 9 式中 Dj hj为各抽汽流量 焓值 Dc hc为排汽流量 焓值 m el为机械 发电机效率 如果各抽汽参数都为过热蒸汽 由式 9 可以方便 地计算出排汽焓值 但实际上有几个低压抽汽参数已 进入湿蒸汽区 其焓值也不能用抽汽压力和温度来确 定 所以需要迭代计算 此方法的不足之处是其他参 数测量误差会累计在排汽焓值上 并且影响迭代计算 的收敛性 2 外推法 根据再热蒸汽入口状态点和在过热 区的各抽汽口的状态点连线的变化规律 外推到湿蒸 汽区 得到湿蒸汽区的各抽汽焓值及排汽焓值 此方 法概念简单 计算方便 但也有明显的不足之处 1 由 于在再热蒸汽入口之后 处在过热蒸汽区的抽汽口较 少 使得参与拟合的点数较少 精度较差 2 过程线 外推 即过程线斜率不变 也就是级的相对内效率不 变 实际情况热力过程处于湿蒸汽区后 由于湿蒸汽 损失及末级余速损失的存在 级的相对内效率要明显 降低 热力过程线斜率相对要平缓一些 3 外推 能量平衡法 先由外推法确定处于湿 蒸汽区的抽汽及排汽焓值 再进行系统能量平衡迭代 计算 此方法具有迭代收敛快 累计测量误差小的优 点 6 可很好满足热耗率实时计算的需要 3 4 减温水喷水调温 减温水喷水调温包括过热器和再热器的喷水调温2 种 由于喷水调温结构简单 操作方便 调温降幅大等 特点 常被用作主要调温手段 但会明显增加热耗率 过热器减温水源可以分为给水泵出口投入与最末 高加出口投入 2 种 前者给水分流部分不流经高加 水 温较低 降温效果好 但由于降低了锅炉给水温度 热 耗率会增加 再热器喷水减温 只作为防止再热蒸汽 温度超温的安全措施 如果经常使用 其热耗率会增 加较快 再热器喷水对热耗率的影响可通过式 1 求 得 也可以通过等效焓降法计算分析 8 3 5 热耗率实时计算周期 为了能实时了解汽轮机组的运行情况 往往希望 热耗率实时计算周期短一些 但计算周期不能过短 这 是由于整个汽轮机组系统存在较大热惯性和热滞后现 象 且计算周期过短会使机组因负荷变动造成的过渡 过程和扰动引起参数波动 影响实时计算的准确性 计算周期过长 会失去计算的实时性 且过长时间的参 数平均也会失去计算的真实性 实际运行情况表明 以 5 8 min的参数平均值计算 1 次热耗率实时值较 为合理 4 结 论 1 影响汽轮机组热耗率指标的因素主要有机组 的本身性能 运行方式 运行参数及测量数据的不确定 度 因此不仅要求采用新技术 新设备 更要加强机组 运行的科学管理 2 机组热耗率实时计算与热力性能试验 从目 的到方法有其共同点 也有很多不同之处 热力性能 试验的目的是检验机组的设计 制造质量 机组热耗率 实时计算的目的是更科学地指导机组的运行和管理 3 主蒸汽流量和再热蒸汽流量计算 汽轮机排 汽焓确定及计算周期是热耗率实时计算中必须要解决 的关键点 将直接影响实时计算的可信度 参 考 文 献 1 任浩仁 李蔚 盛德仁 等 火电机组变工况下运行指标应 达值的分析 J 中国电机工程学报 1999 19 9 5052 56 2 盛德仁 任浩仁 李蔚 等 运行工况下汽轮机组主要参数 应达值的数值分析 J 热力发电 2000 3 2830 58 3 金生祥 杜霄龙 汽轮机运行热耗的偏差算法 J 华北 电力技术 1997 12 1417 4 翦天聪 汽轮机最优经济运行 M 北京 水利电力出版 社 1988 5 盛德仁 任浩仁 陈坚红 等 汽轮发电机组 DCS 系统在线 性能计算程序的剖析及改进 J 浙江大学学报 工学 版 2000 34 6 647650 6 任浩仁 盛德仁 卢学锋 等 汽轮机在线性能计算中的排 汽焓的确定 J 动力工程 1998 18 6 14 7 王兴平 参数和系统对汽轮发电机组运行经济性的影响 J 动力工程 1997 17 3 4852 8 林万超 火电厂热系统定量分析 M 西安交通大学出版 社 1985 18 研究论文 热力发电 2003 5 THERMAL POWER GENERATION Vol 32 No 5 May 2003 Contents based on integrating andblazing new trails technicalplatformsoftware of a service life management system with initiative know how property right regarding important parts of thermal power plant such as boiler tubes mainboiler parts and steamturbines hasbeen designed and de veloped firstly in our country a ling term service life management mo de of power generationequipments combining on line monitoring with by passline monitoring hasbeen established in our country The implementation of a complete set of techniques and monitoring system for service life management hasbeen successfully realized in two power plants of demonstative projects at the first time having extremely obvious effectiveness STUDY ON MATHEMATIC MODEL OF PIPING MAIN SCHEME CIRCULATING WATER SYSTEM AND SOLUTION METHOD THEREOFCheng Maohua et al 13 The mathematic model of dual piping mainscheme circulating water systemat Nanjing Power Plant wasesta blished Through analysing the topology structure of the complex hy draulic piping network systemand intruducing virtural flow resistance the saidcirculating water systemwas decomposed into simple hydraulic piping systems a key pro blem of the piping main scheme circulating water system in economical operation was solved providing an effective method for analysing complex piping main scheme systems ANALYSIS AND REAL TIME CALCULATION OF SPECIFIC HEAT CONSUMPTION FOR STEAM TURBINE UNIT Sheng Deren et al 16 The influencing factors upon specific heat consumption of steam turbine unit havebeensummarizedandanalysed the similaritiesanddifferencesbetweenreal time performance cal culation and thermal performance experimentsbeing compared the main influencing factorsand parameters upon real time calculationaccuracy of specific heat consumptionbeing emphatically analysed providing theoretic basis for implementing the system of real time power generating cost cunting in power plants STUDY ON THE PARTIAL INCREMENT METHOD FOR OPTIMIZING PERFORMANCE ANALYSIS OF UTILITY BOILERS Wu Zhiqun et al 19 A partial increment method of performance diagnosis technology hasbeen put forward The influence of boiler operating parameters variation due to changing the operation mo de upo n the economic aspect of said boiler being quantitatively analysed Similarity and difference between the co nventional metho d and the partial increment method have been com pared the result o btained is as follows the calculation accuracy of partial increment metho d being higher than that of conventional method EXPERTMENTAL STUDYON GAS S OLID TWO PHASE FLOW WITH STRONGLY SWIRLING TURBULENCE Su Yaxin et al 22 Taking CFB asbackground of application a study on strongly swirling turbulence of gas solid two phase flow in a separator witha square cross sectionhas been carried out by using a three dimensional laser based particlesdynamic analyser 3D PAD The results sho w 1 the distribution of swirling flo w field in the said square shaped separator has a forced swirl in the centre but a quasi free swirl near the side wall and a partial swirl existing in the place of edge angle Particles mutual collision in the place of edge angle makes the quasi laminar flow pulsationthere to be strengthened the dynamic energy of the turbulence and the strengthof partial turbulencenear the edge angle to obtain a comparatively large value consuming large amount of energy being of benefit to particles separation at the edge angle 2 Above the separator the max value of average falling velocity along the vertical direction is near to the right side of the flow guiding cone while the inlet is at the leftside In the medium and lower part of the separator the max falling velocity is situated at the right wall surface of the separator The direction of velocity in the central part of the cross section isupward and recirculation occurshere STUDY ON TECHNICAL RETROFIT OF FUEL COAL PULVERIZED SYSTEM REGARDING 130t h BOILERS IN YILI THERMAL POWER PLANT No 2Guo huaibai et al 27 After putting the tittle boilers into operation troublesome problems suchas insufficient output capacity of the coal pulverized system lo w load capa bility of said boilers and slag ging in the furnace etc have beenexisting in a very long period of time leading the furnace outlet flue gastemperature to be above200 higher than the desighed value and hot air temperature to reach 550 hence the units can o nly be operated under low load condition and the time of consecutive operation being short Throwgh analysis and testing of the said coal pulverized system quality of fuel coal and co mbustion conditions etc effective debugging and retrofitting have been carried out making the saidpro blems to be satis factorily resolved KINDS AND TECHNICAL FEATURES OF THE STARTING UP SYSTEM FOR SUPERCRITICAL ONCE THROUGH BOILERS Huo Dongfang et al 31 Common kindsandtechnical featuresof the starting up systemfor o nce throughboilershave been analysed and