汽轮机低压省煤器优化设计

汽轮机低压省煤器优化设计

0低压省煤器系统设计条件选优方案的确定山东能威海水库#2号是上海锅厂设计生产的sd-420。13.7-m，主干自然循环煤粉炉，中国制造125w机组。锅炉设计排烟温度149℃,设计效率90.7%。长期以来运行状况良,但近年来,由于煤质、给水参数变化等原因,锅炉排烟温度逐渐升高至167～170℃,超出设计值20℃左右,致使锅炉效率有所降低。为此,电厂决定进行改造,确定方案为在空气预热器的出口增加一台低压省煤器。低压省煤器系统的设计参数庞杂,不仅涉及锅炉的热力数据及结构特性,还涉及较复杂的汽轮机回热加热系统。因此,靠一般的经验分析或挑选若干方案进行计算已经无法全面优化低压省煤器的系统设计。本文利用最优化技术进行了低压省煤器系统的设计工作,就优化设计中所涉及的目标函数选取、约束条件拟定、多维寻优搜索等方面作一较详尽的论述,并对最优参数的稳定性作出分析。1低压省煤器分压降技术低压加热器的热力系统如图1所示。并联系统的低压省煤器,其进口水取自#2、#3低加出口,以#2低加出口水为主水量、#3低加出口水作为切换与调整。进入低压省煤器的凝结水吸收排烟热量后,在除氧器入口与主凝结水汇合。这种热力系统,低压省煤器的给水跨过若干级加热器,自然地实现了排烟余热的梯级利用。低压省煤器的水侧不增加水泵,其流动阻力完全借助级间压力降来克服。对#2、#3低加两种引出方案分别进行了流动阻力计算,结果表明在所有引出方式下,级间压降可使低压省煤器达到的极限水量为39.21kg/s,即通过调节#2、#3低加水阀门,使低压省煤器过水流量在0～39.21kg/s连续变动。由于威海电厂煤质含硫量不高(Sar=0.62),为较大幅度降低排烟温度,本系统采用了有限腐蚀的低压省煤器系统,分水温度可在87.5～122.9℃之间调节。低压省煤器的布置方式为汽水逆流、错列管束。从回转式空气预热器流出的烟气,经一水平烟道转弯后上行,在竖井内自下向上冲刷省煤器管束。来自低加的凝结水经布置在上方的进口集箱进入省煤器,自上向下经蛇形管排流入出口集箱并返回除氧器。低压省煤器传热元件采用螺旋肋片管,其结构特性见图2,主要设计参数见表1。2管束磨损寿命影响因素的选取对于已确定了进、出水点位置的低压省煤器系统,有12个独立设计变量,分别为:低压省煤器分水系数βd,#2低加分水系数β2,出口烟温tpy,管外径d0,管壁厚度δ,肋片高度hf,肋片厚度δf,肋片间距sf,管束的横、纵向节距s1、s2,烟道截面宽度b,烟道截面深度c。其中,βd定义为低压省煤器水流量Dd与新汽流量D0之比;β2定义为#2低加分水流量与Dd之比。这12个变量中,烟道截面尺寸限于现场空间,无法改动,为定值变量;管外径d0和管壁厚度δ均是影响磨损寿命的重要因素,亦取为不变量,为Φ38×3,不参加寻优。于是,决策变量向量X确定为:X=X(βd,β2,tpy,hf,δf,sf,s1,s2)(1)决策变量向量X的任意一种组合相当于给出一个设计方案,对于X,在规定的目标和约束下求解,即可在无数的可行方案中搜索到最佳方案。3目标函数的建立本次改造的目的,是在考虑防止磨损的前题下,实现最大限度的节能。由于磨损过程较难定量,因此,以在决策变量和约束集合中增加约束条件(如限制烟速、规定最小管子壁厚、鳍片厚度等)加以考虑。以社会纯收入现值F作为追求的目标,建立的目标函数为:Np=(TH−TC)(1+x)−1+Σk=2nTH(1+x)−k(2)TH=CbΔB−E(3)Νp=(ΤΗ-ΤC)(1+x)-1+Σk=2nΤΗ(1+x)-k(2)ΤΗ=CbΔB-E(3)式中Tc—设备投资总费用,104￥;TH—设备运行后的年纯收入,104￥/a;Cb—标煤价格,104￥/t;ΔB—低压省煤器的年节标煤量,t/a;EY—引风机新增电耗费用,104￥/a;x—投资效益系数,按我国电力行业规定,取x=0.12;n—低压省煤器使用寿命,取为10年;3.1ck—年节煤量ΔB式(2)中的年节煤量ΔB按照等效焓降理论进行计算:ΔB=CK·ΔH(4)CK=τ·q/[(ΔH+H)Qnet,b·106](5)ΔH=βd[(hd-h4)η5+τ4η4+τ3η5](6)式中CK—等效焓降单位增量的标煤节省量,t·kg/kJ;ΔH—机组的等效焓降增量;3.2主缸的新电耗成本为ey式(2)中,引风机新增电耗费用按下式计算:Ey=Δpy·Vy·τa·Ce/(1000ηp)104￥/a(7)3.3固定费用ckg08上式中等号边第二环低压省煤器的投资总费用Tc按下式计算:Tc=cr·N0+(cp+ra·ck)G0(8)上式中等号右边第一项是包括管道、阀门仪表等的固定费用,与决策变量无关,与机组容量N0成比例。第二项为低压省煤器本体的制造费用,其中受热面重量G0由出口烟温、入口水温、水量进行设计热力计算得到。4限制函数(1)矿井表面磨损条件低压省煤器的平均烟气流速的上限取决于管子磨损条件,根据威海电厂2号炉的实际磨损状况分析,确定该值为7.5m/s,约束条件为:Wy≤7.5(2)cp+rack电厂要求本次改造的总费用不得超过120万元(包括安装费用),这个约束实际上是限制了排烟温度降低的幅度,约束条件为:G0≤(120-cr·N0)/(cp+ra·ck)(3)限制这是一个变量约束。由制造厂的工艺条件(高温纤焊、镍铬渗层)要求肋片厚度不小于1.5mm,即:δf≮1.5(4)保持主凝结水量过大低压省煤器的分水流量Dd(或βd)不能过大,否则流过相应低加的主凝结水量减少太多。为保证低加的工作安全,要求有最低水量流过,约束条件为:βd≤0.3(5)近饱和温度若低压省煤器水量过小,出口可能达到或接近饱和温度,产生水冲击。因此限制出口水温低于工质压力下的饱和温度,并留有一定余量,约束条件为:tdc≤tbh-10(6)风阻力绷带根据威海电厂引风机的压头裕量,要求限制低压省煤器的烟侧流阻不得大于260Pa,否则就会影响锅炉出力。相应约束条件为:Δpy≤2605目标函数综上所述,为威海电厂低压省煤器系统的优化设计建立如下数学模型:minF=M−(TH−TC)(1+x)−1+Σk=2nTH(1+x)−k(9)minF=Μ-(ΤΗ-ΤC)(1+x)-1+Σk=2nΤΗ(1+x)-k(9)目标函数(9)中引入大数M的目的,是将最大化问题转换为最小化问题。这是一个不等式约束的8元非线性混和规划问题。决策变量空间为连续的。用SUMT方法将有约束极小化变换为无约束极小化问题。搜索采用了坐标轮换法。为本模型编制了计算机程序,经6次迭代惩罚因子词扩张至1012时解收敛于X=X{28.8,1.0,142.5,15.13,1.5005,9.97,165,74.9},相应目标函数值F*=264.7。从不同初始点搜索得到完全相同的解,证明本模型是一性状良好的凸规划问题,运行本程序得到的最佳肋片管结构参数及其它参数参见表2。6u3000cbd的稳定性所谓最优解的稳定性是指在优化模型的原始条件或运行工况发生偏离时,最优解是否有大的变动。为此,对于式(9)在不同的使用寿命n,煤价Cb,进口烟温ty,沾污系数ε下,分别求最优解,并进而评价其稳定性(表2)。由表2可见,寿命n,煤价Cb的变动对最优解几乎没有影响,进口烟温ty和沾污系数ε的影响也十分微弱。最优解的最大相对变动未超过0.02763,而最大过额消耗ΔF(指本模型所得出的最优解与相应于变动条件的最优解不符而产生的社会纯收入的相对降低值)仅为0.01012。说明本优化模型具有十分优秀的动力稳定性和经济稳定性。7结论通过本文的分析计算,得到了低压省煤器系统受热面的最佳布置方式,为该厂的锅炉改造提供了依据。引风机效率及介质升计算本文未注符号的意义及其中常数(或计算值)的取值如下:τa,年运行小时数,h,τa=