加热器端差对机组热经济性影响的定量分析方法.pdf

收稿日期:2006-10-31;修订日期:2007-05-16作者简介:刘 强(1981-),男,山东邹城人,南京工程学院助教.文章编号:1001-2060(2007)05-0521-04加热器端差对机组热经济性影响的定量分析方法刘 强1,郭民臣2,田永伟3,王毅林1(11 南京工程学院 动力系,江苏 南京211167;21 华北电力大学 动力系,北京102206;31 东南大学 火电机组振动国家工程研究中心,江苏 南京210096)摘 要:建立了定流量下加热器端差对机组热经济性影响的数学模型。该模型针对加热器的不同类型进行了讨论,应用时不再需要单独计算端差变化对锅炉吸热量的影响,并全面考虑了热力系统的结构特点及辅助汽水系统,从整体上定量分析加热器端差对机组热经济性的影响,为火电机组节能降耗以及热力系统定量分析提供了理论依据。对某600 MW机组进行了算例分析,表明端差越大,机组的热经济性越低;端差越小,机组的热经济性越高。关键词:热力系统;加热器;端差;热经济性;矩阵法中图分类号:TK212 文献标识码:A引 言加热器端差是指加热蒸汽的饱和温度与加热器出口水温之差。在实际运行中,端差的存在和变化虽没有发生直接的明显热损失,但是增加了热交换的不可逆性,产生了额外的冷源损失,降低了装置的热经济性12。因此分析加热器端差对机组热经济性的影响对电厂节能与运行有很大的现实意义。文献12运用等效热降法提出了端差对机组热经济性影响的计算模型;矩阵法方面,文献3中构建了加热器端差对汽轮机做功量、锅炉吸热量及机组热经济性影响的计算模型,为计算端差对机组热经济性的影响提供了新的方法。本文通过对机组绝对内效率方程式进行微分,并基于热力系统结构矩阵对加热器不同连接形式进行讨论,直接分析端差对机组热经济性的影响。1 加热器端差影响机组热经济性的物理模型当第i级加热器在运行中出现给水加热不足,则体现在该级加热器出口水焓ti变化ti,若压力高一级(第i-1级)是不带疏水冷却器的表面式加热器,则该级端差不会影响第i-1级的疏水焓;若第i-1级加热器是带疏水冷却器的表面式加热器,则第i-1级加热器疏水焓变化?ts(i-1),并有?ts(i-1)=ti,即?ts(i-1)的变化同ti一致,所以只选择ti为自变量,研究定流量条件下端差对机组热经济性的影响,并规定端差增大ti为负,反之ti为正。图1 端差影响示意图2 定流量条件下加热器端差对机组热经济性影响的数学模型汽轮机做功表达式35:w=h0-hc+-T?h-wf(1)循环中单位工质的热耗量35:q0+qrh=h0-?t1+rh=h0-?t1+-(T+Tf)(2)式中:h0、hc、主蒸汽焓、排汽焓和1 kg蒸汽再热吸热量;wf 轴封漏汽等在汽轮机内的做功不足;?h=h1-hc+hm-hc+hm+1-hchz-第22卷第5期2007年9月热能动力工程JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGYAND POWERVol.22,No.5Sep.,2007hcT;m 再热前的抽汽级数;?t11号高加出水焓;rh=1-(T+Tf)11 00T再热蒸汽份额;=00T。机组绝对内效率表达式:t=w/(q0+qrh)即:t(q0+qrh)=w(3)式(3)对变量?ti求偏导:(q0+qrh)9 t9ti+t9(q0+qrh)9ti=9w9ti(4)式(4)整理有:9 t9ti=1q0+qrh9w9ti-t9(q0+qrh)9ti(5)上式右侧括号内的第一项是端差的变化对汽轮机做功量的影响,第二项是端差变化对再热吸热量的影响,二者之差就是保持主汽流量不变时,端差对机组热经济性的影响。?ti的变化不会对h0、hc、hi等强度量产生影响,对轴封漏汽等在汽轮机内做功产生的影响可忽略,故由式(1)和式(2)有:9w9ti=-9 T9ti?h(6)9(q0+qrh)9ti=-9 T9ti-9t19ti(7)则内效率的绝对变化量为:t=9 t9titi(8)由式(5)式(8)得内效率的相对变化:t=t/t=-9T9ti?h-tti-t9t19titit(q0+qrh)=-1w(9 T9tih-t9t19ti)ti(9)式中:h=?h-t=h1-hc+(1-t)hm-hc+(1-t)hm+1-hchz-hcT。由式(9)可知只需求得 9 T/9?ti即可解得各级加热器端差对机组热经济性的影响。对热力系统,其矩阵热平衡方程为67:A+Aff+Aw+q=fw(10)式(10)对ti求导:A9 9ti+9A9ti+Af9 f9ti+9Af9tif+A9 w9ti+9A9tiw+9 q9ti=fw9 9ti在ti变化不大时,f,w,q基本不受影响,将它们视为定值,即:9 f9ti=9 w9ti=9 q9ti=0故有:A9 9ti+9A9ti+9Af9tif+9A9tiw=fw9 9ti(11)式(10)中的矩阵反映了热力系统的结构特点3,68,故有:9 9ti=00-1 1 00T(12)该矩阵的第i-1行和第i行分别为-1和1,其余各元素为零。矩阵A对?ti求偏导恒有:9A9ti=00-1-111000000000000(13)该矩阵的第i-1行和第i行的前i-1个元素分别为-1和1,其余各元素为零。现针对加热器不同类型及连接方式展开讨论:(1)对第1级加热器:9A9t1、9Af9t1、9A9t1是zz的0矩阵,而:9 T9t1=fw1 00(A-1)T对抽汽效率有45:AT=h(14)所以:9 T9t1h=fw1 00(A-1)Th=fw1上式代入式(9),得1号高加端差对机组热经济性的影响:t=-1w(9 T9t1h-t)t1=(t-fw1)?t1w(15)(2)若第i-1级加热器是汇集式加热器,或是装有疏水冷却器的表面式加热器,则:9A9ti=9Af9ti=9A9ti(16)式(11)式(13)和式(16)联立有:9 T9ti=(fw-i-1j=1j-i-1j=1fj-i-1j=1wj)225热能动力工程2007年00-1 1 00(A-1)T(17)式(14)和式(17)代入式(9),并考虑第i-1级加热器放热量的变化有1:t=xwfw-i-1j=1(j+fj+wj)(i-1-i)ti(18)式中:x=qi-1/(qi-1-?ti)。(3)第i-1级是无疏水冷却器的表面式加热器,若该加热器前有汇集式加热器,则:9A9ti=9Af9ti=00000-1-10110000000000(19)即该矩阵的第i-1行和第i行的前k列元素分别为-1和1,其余各元素为零。k是该加热器前离其最近的汇集式加热器的序号。若该加热器前无汇集式加热器则式(19)为零矩阵。式(11)式(13)和式(19)联立得:9 T9ti=(fw-nj=1j-nj=1fj-i-1j=1wj)00-1 1 00(A-1)T(20)式中:n=0或k,如果该加热器前无汇集式加热器,n为0;否则n为离该加热器前最近的汇集式加热器的序号k。式(14)和式(20)代入式(9)有:t=1wfw-nj=1(j+fj)-i-1j=1wj(i-1-i)ti(21)式(15)、式(18)和式(21)中 t的数学表达式意义明确,其分子表示定流量下受加热器端差变化的影响,从汽轮机做功总变化量中扣除锅炉吸热量变化引起的做功变化后的净变化量,分母表示端差变化前汽轮机的做功量。对给定的热力系统,其各级加热器的端差对机组热经济性的影响 t同?ti为线性或近似线性关系,即端差越大,对机组热经济性的影响越大。3 算例分析某600 MW机组热力系统如图2所示,运用本文提出的计算模型分析各级加热器端差增大,出口水温降低3 时对机组热经济性的影响;同等效热降法和热平衡法进行比较,计算结果如表1所示,因为第四级加热器为混合式加热器无端差,故不需对其进行分析。图2600 MW机组热力系统简图表1 计算结果加热器级数 t/%本文方法热平衡法等效热降法一-0.061 65-0.061 60-0.061 64二-0.024 05-0.024 04-0.024 07三-0.044 38-0.044 39-0.044 41五-0.045 16-0.045 16-0.045 18六-0.037 90-0.037 90-0.037 92七-0.037 47-0.037 47-0.037 48八-0.045 32-0.045 32-0.045 32通过表1的计算结果可知,3种方法计算结果基本一致,但是本文模型适合于编程计算,计算速度快,结果准确。同时本文模型较为简洁,同等效热降法相比无需再单独计算端差对锅炉吸热量的影响。对表1的计算结果进行分析可知,1号高加的端差对机组热经济性影响最大,原因在于该级加热器端差使锅炉吸热量显著增大,因此运行中应注意减小1号高加的端差。第三级抽汽的过热度较大,而加热器的端差直接造成该级给水加热不足,因而不可逆损失增加。而低加端差对机组经济性的影响普遍较高,在于该热力系统相邻的低压加热器间的325第5期刘 强,等:加热器端差对机组热经济性影响的定量分析方法 抽汽效率差值较大。4 结 论(1)基于热力系统结构矩阵,建立了加热器端差对机组热经济性影响的计算模型。该模型讨论了加热器不同类型以及连接方式下的具体表达式,这为火电机组节能降耗以及热力系统定量分析提供了理论依据。(2)该数学模型不需要单独计算因端差引起的锅炉吸热量的变化,计算简洁。运用本文的计算模型对某600 MW机组分析加热器端差对机组热经济性的影响,并同热平衡法和等效热降法进行了比较,结果一致。(3)该模型全面考虑了热力系统的结构特点及辅助汽水系统,从整体上对机组进行定量分析,真实反映了端差对机组热经济性的影响,通用性较强。参考文献:1 林万超 1 火电厂热系统节能理论M1 西安:西安交通大学出版社,199412 严俊杰,刑秦安,林万超,等 1 火电厂热力系统经济性诊断理论及应用M1 西安:西安交通大学出版社,200013 张学蕾,王松龄,陈海平,等 1 加热器端差对机组热经济性影响的通用计算模型J 1 中国电机工程学报,2005,25(4):166-17114 郭民臣,魏 楠,杨勇平.热耗变换系数、抽汽效率与主循环效率J.中国电机工程学报,2001,21(10):83-87.5 刘 强,郭民臣,刘朋飞.抽汽压损对机组热经济性的影响J.中国电机工程学报,2007,27(8):59-63.6 郭民臣,王清照,魏 楠,等.电厂热力系统矩阵分析方法的改进J.热能动力工程,1997,12(2):103-106.7 郭民臣,魏 楠.电厂热力系统矩阵热平衡方程式及其应用J.动力工程,2002,22(2):1733-1738.8 郑体宽 1 热力发电厂M1 北京:中国电力出版社,20011(编辑 渠 源)新 技 术额定165 MW和41%效率的闭式循环核装置据 Gas Turbine World2007年34月号报道,南非Eskom拟2008年建造一台165 MW闭式循环氦气轮机示范装置,于2012年启动运行,该装置将由高温氦气冷却卵石床模块式反应堆供给动力。主要的设计和特性:涡轮机轮系:单轴氦气涡轮、高压和低压氦气压气机、用于50/60 Hz发电机的减速齿轮传动装置。闭式循环:示范装置设计的额定值为165 MW全负荷输出功率和41.2%效率。预算价格:不包括开发的费用,估计示范装置约2.8亿美元(2007年1月美元价)或1700美元/kW。估计的电力成本:根据当前的设备和铀燃料价格,预计的电力成本保守估计约为55美元/(MWh)。165 MW装置围绕一个高温氦气冷却的400 MW反应堆堆芯设计,基于直接的布雷顿闭路循环,该反应堆为一台由三菱重工研制的单轴氦气轮机提供动力。涡轮直接驱动用于氦气流的高压和低压压气机,并通过用于50/60 Hz电力生产的行星齿轮减速装置驱动发电机。水平的单轴氦气轮机采用了滑油润滑轴承,而不是电磁轴承。经过压缩的氦气,以185 kg/s流量、9 MPa压力和500 温度进入反应堆,冷却反应堆堆芯。在反应堆中,氦气被加热到约900,然后回到动力转换单元。(吉桂明 供稿)425热能动力工程2007年两种能衡式蒸汽干度仪的研究=A Study of Two Types of Energy2balanced Steam Dryness2fraction MeasuringInstrument刊,汉/LI Shi2wu,K ANGQin(College of Power and Energy Source,Northwestern Polytechnical Universi2ty,Xian,China,Post Code:710072)/Journal of Engineeringfor Thermal Energy&Power.-2007,22(5).-517520The steam dryness fraction is a quality parameter of steam,which needs to be real2time measured and controlled in manyindustrial production processes.Analyzed are the current measuring methods and instruments of steam dryness2fraction.On the basis of energy conservation theory and measurement theory of hybrid and condensing type steam dryness2fraction,two types of energy2balanced steam dryness2fraction measuring meter have been developed.Furthermore,their measure2ment accuracy is quantitatively analyzed and from the viewpoint of practical stability the authors have concluded that thecondensing type steam dryness2fraction meter is superior to the hybrid type.T o verify measurement accuracy,a steamdryness2fraction test rig has been set up.The tests not only show that the energy2balanced condensing type meter has at2tained an accuracy higher than 98%but also indicate that it is stable,accurate and practical.Key words:steam dry2ness2fraction,dryness2fraction measuring meter,measurement accuracy加热器端差对机组热经济性影响的定量分析方法=A Method for the Quantitative Analysis of the Impact ofTerminal Temperature Differences of Heaters on Thermal Effectiveness of Power Generating Units刊,汉/LIUQiang,WANG Yi2lin(Power Department,Nanjing Institute of Technology,Nanjing,China,Post Code:211167),G UOMin2chen(Power Department,North China Electric Power University,Beijing,China,Post Code:102206),TIAN Y ong2wei(National Engineering Research Center of Thermal Power Plant Vibrations,Southeast University,Nanjing,China,Post Code:210096)/Journal of Engineering for Thermal Energy&Power.-2007,22(5).-521524A mathematical model has been established to analyze the impact of terminal temperature differences of heaters under agiven flow rate on the thermal effectiveness of power generating units.By using the model,different types of heaters arediscussed and it is no longer necessary to independently calculate the influence of the change in terminal temperature dif2ferences on the heat absorption quantity of boilers.By taking into account in a comprehensive way the structural featuresof a thermal system and also an auxiliary steam2water system,an integral and quantitative analysis was performed of theimpact of the terminal temperature differences of heaters on thermal effectiveness of power generating units.The foregoingcan well provide a theoretical basis for achieving energy saving,reducing coal consumption of thermal power plants aswell as performing a quantitative analysis of the thermal systems.The analysis of a calculation example for a 600 MWpower generating unit shows that the greater the terminal differences,the lower the thermal effectiveness of the powerplant and the smaller the terminal differences,the higher the thermal effectivenessof the plant.Key words:thermal sys2tem,terminal temperature difference,thermal effectiveness,matrix method自激励脉动燃烧式锅炉设计方法=A Method for the Design of Self2excited Pulsation2combustion Boilers刊,汉/LI Hua,DENG Kai,ZHONG Ying2jie,et al(College of Electromechanical Engineering,Zhejiang University ofTechnology,Hangzhou,China,Post Code:310014)/Journal of Engineering for Thermal Energy&Power.-2007,22(5).-525528The use of self2excited pulsation combustion technology to a boiler can not only enhance its thermodynamic performancebut also reduce its emission of flue gas pollutants.Concerning this issue,a theoretical study of pulsation boiler designand its experimental verification has been performed.On the basis of analyzing the restrictions encountered during the useof the pulsation combustion technology to boilers,the pulsation boiler design criteria can be given as follows:the burnersshould be located at a flow passage 1/4 length of distance from the fan inlet,the total area of the cross sections of variousflue pipes should be 20%to 30%of the cross section area of the furnace with the diameter of a tail pipe being deter2mined by the pulsation frequency.The effective flow area of various gas flow passages should be equal.According to theabove design criteria,a pulsation boiler has been designed and manufactured and a thermodynamic performance test con2875热能动力工程2007年