燃煤机组蒸汽热力系统的优化研究

燃煤机组蒸汽热力系统的优化研究

靳姗姗

靳姗姗

（中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司河北石家庄050031）

摘要：我国经济的快速发展带动我国各行业发展迅速的同时，对于我国整体环境的影响也是非常大的。燃煤发电技术仍然是目前主要的发电生产技术手段，在超超临界燃煤机组的应用下，发电生产能耗及污染物排放得到显著降低。但随着蒸汽参数的提高，燃煤机组的热力性能及结构都会发生变化，有必要对燃煤机组的蒸汽热力系统进行研究，通过构建合理的分析模型，提高机组热力循环效率，进一步降低系统能耗。

关键词：燃煤机组；蒸汽热力系统的优化

引言

科学技术的快速发展奠定了我国整体稳步迅速发展的基础，使我国在发展中国家遥遥领先。在工业建设中，提高燃煤机组一次调频特性是提高电网运行安全性的有效手段。基于GSE软件，建立燃煤机组蒸汽热力系统动态模型和一次调频控制系统模型，分析对比不同热力系统构型调整方案的主要参数动态特性和对一次调频性能的影响规律。

1燃煤机组蒸汽热力系统分析模型

1.无再热机组分析模型，在研究燃煤机组的蒸汽热力系统前，为方便理解热力系统模型推导过程，先以无再热机组为例，并忽略辅汽热力系统，构建原始分析模型。燃煤机组的锅炉设备主要根据热平衡原理运行，即锅炉中的蒸汽流量与蒸汽吸热量的乘积等于其热力值。在等效焓降法原理下，如果向加热器中加入纯热量，进入该级的抽汽量就会减少一定份额。如果假设抽汽份额保持不变，就相对于增加一定量的蒸汽做功，实际的抽汽份额为两股流量差。对于回热加热器而言，汽水模型分为3种，即上级加热器疏水、凝汽器给水、汽轮机抽汽。其中，只有凝汽器给水受到加热，其余汽水均放出热量。若假设3种汽水都受到加热，热量为外部供应，并定义受到加热为正，放出热量为负，然后对气流方向进行统一定义。在此条件下，如流量计算结果为负值，说明与假定方向相反。可根据该原则，将锅炉和加热器统一到同一个加热模型中，对其进行数学描述。2.二次再热机组分析模型，在二次再热机组热力计算过程中，与一次再热机组的区别主要在于二次再热机组通过采用两级蒸汽再热，能够提高机组热经济性。在二次再热机组高低压加热器中都设置有蒸汽冷却器，采用外置式冷却器，对抽汽过热部分的热量进行跨级利用，这也导致二次再热机组蒸汽热力系统相较于一次再热机组更加复杂。要对二次再热机组的蒸汽热力系统进行研究，同样需要建立热平衡方程，同时应考虑辅助汽水对热力系统经济性的影响，按具体变量定义，填写到矩阵方程中。如果原系统的热力循环效率为η0，那么去除辅助汽水参数影响后，实际循环效率为η0′。建立二次再热机组分析模型后，可以对450MW或1000MW机组进行验算，并与其他热平衡算法比较，确保模型计算结果的正确性。

2燃煤机组蒸汽热力系统优化设计策略

2.1汽轮机通流改造先进提效技术

汽轮机通流部分改造技术随着设计、制造、加工、材料等工艺水平的发展不断更新，在提高通流效率、降低结构损失上取得较大技术突破和创新。（1）高效通流级设计技术，包含三元流设计技术、变反动度设计、先进叶型、弯扭三维叶片、薄出汽边、子午面优化等；（2）调节级级段优化技术，包含先进调节级设计、配汽方式优化等；（3）边界层抽吸技术，包含优化平衡孔尺寸等；（4）未级叶片优化设计技术，包含高效低压末级长叶片、防固体颗粒冲蚀设计等；（5）进、排汽缸优化技术，包含内缸优化、进汽段优化、排汽扩散段优化等；（6）主机结构优化技术，包含焓降优化分配；（7）汽封优化技术，先进汽封设计、动静匹配技术多级联合（含汽封）设计。

2.2热平衡计算

在燃煤机组的蒸汽热力系统中，主蒸汽参数是蒸汽膨胀的起点，排气参数则是蒸汽膨胀的终点，对其膨胀过程线进行拟定是确定机组热力循环效率的关键步骤。以典型的1000MW机组参数为例，通过综合考虑汽轮机运行条件、叶片尺寸、供水方式等因素，确定排气压力取值范围。蒸汽膨胀过程是在各级气缸中完成的，气缸的相对内效率是蒸汽膨胀线斜率的决定因素，其自身受级效率、散热损失和漏气等方面的影响，如果蒸汽参数发生改变，其相对内效率也会发生改变。通过采用上述方法构建的模型在确定机组蒸汽热力系统参数后，可以将其整理为矩阵方程，定义蒸汽流量的正负方向，计算辅汽矩阵与辅汽流量的乘积，然后计算汽轮机绝对内效率，最后计算蒸汽热力系统效率。

2.3热力学优化

通常对于燃煤发电机组，其主要应用于回热系统的给水焓升的优化分配上。常见的方法包括等温升或者等焓升方法、平均分配法、几何级数方法、等效热降法和循环函数法等。这些方法主要出现在早期机组的优化讨论上，且建立在理想回热循环的热效率形式上。由该热效率对加热器出口焓值的偏导数为零，获得各个加热器给水焓升的通式，由此引出上述不同的分配方法。但是，由于依赖的假设条件较多，这些分配方法都有一定程度的不合理之处，这导致所得分配偏离了最佳分配，使机组性能难以达到最优。

2.4二次再热循环模型分析

如果蒸汽参数值在现有基础上再次提高一个等级，汽轮机末级蒸汽湿度会明显下降，影响发电效率及机组运行安全性。采用二次再热蒸汽热力系统，可以有效解决这一问题，目前我国已经具备二次再热机组生产技术条件。在对二次再热机组进行研究时，同样需要建立分析模型，并将主蒸汽参数与排气参数分别作为蒸汽膨胀的起点、终点。在一次再热机组主蒸汽压力25MPa的基础上，拟定其压力值提高至31MPa，机组主蒸汽温度仍为600℃，再热温度为610℃。按照上述方法确定各级回热系统焓升，采用平均分配法设计回热系统。通过分析主蒸汽压力和温度变化对绝对内效率值的影响，完成曲线拟合工作，分析再热和回热方案的热力性能水平。

2.5机组中、低负荷工况运行优化提效技术

机组中、低负荷工况运行优化提效技术：锅炉燃烧优化调整；汽轮机滑压优化调整；汽轮机冷端优化运行；辅助系统、设备优化运行；超低排放标准下环保设备节能提效的优化运行。（1）开展锅炉制粉系统、空预器、风机、汽轮机本体、汽机冷端、凝结水、热力系统系列集成技术节能综合技改。（2）开展锅炉燃烧调整、机组变工况滑压运行曲线、辅机运行方式整体运行优化；尤其是低负荷工况及机组启停的整体运行优化。（3）开展多种技术组合的锅炉超低排放综合优化提效改造、汽轮机通流综合提效改造和机组供热优化改造。最终实现综合提效改造及机组整体运行优化，提升机组整体性能。

2.6MC循环改造

限制超超临界机组发展的一个主要问题是汽轮机末级蒸汽湿度过大，容易影响机组安全性。通过引进二次再热机组，可解决末级湿气损失问题，但需要考虑可能出现的高中压缸排汽温度、抽汽气流温度过高的问题。随着系统主蒸汽压力、温度的提升，二次再热机组的过热现象会造成大量的效率损失，甚至降低机组热经济性。针对这一问题，可采用MC循环改造方案，在高压缸排汽系统中设置单独的小汽轮机，代替中压缸抽汽，解决抽汽过热问题。

结语

综上所述，在燃煤机组蒸汽热力系统研究过程中，需要采用数学模型分析方法，准确计算燃煤机组热力性能参数值。在此基础上，通过对系统进行优化设计，合理选择蒸汽参数及再热压力，可以提高燃煤机组蒸汽热力系统的热力循环效率，帮助电力企业降低能耗，提高经济效益。

参考文献：

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[2]周俊飞.燃煤供热电厂采用燃气蒸汽联合循环机组清洁生产改造案例分析[J].上海节能，2017（7）：419-423.

[3]付文锋.燃煤电站热力系统结构与参数配置优化研究[D].北京：华北电力大学，2017.