二次再热机组再热压力与给水焓升的优化.pdf

第 5 7 卷 第5期 2 0 1 5年 1 O月 汽轮机技术 T URB I NE T E CHNOL O GY V0 1 ． 5 7 No ． 5 0e t ． 2 0 1 5 二次再热机组再热压力与给水焓升的优化 许恺丽， 熊扬恒， 潘 辉 ( 武汉大学动 力与机械 学院， 武汉 4 3 0 0 7 2 ) 摘要： 蒸汽再热后， 循环的吸热平均温度得到了提高， 同时减小了汽轮机低压缸的湿汽损失， 使系统的循环效率得 到大幅度提高， 二次再热比一次再热效率要高。为了使二次再热机组获得更高的效率， 采用枚举算法对再热压力 进行优化 ， 然后在此基础上对给水加热器焓升进行优化。同时为了比较不同回热级数对机组经济性的影响， 设计 了8级回热和 1 O级回热两个热力系统。最后发现， 通过优化再热压力与加热器焓升， 二次再热机组循环效率超过 4 9 ％； 考虑到系统的复杂性 、 投资增加及运行维护的便利性， 认为 8级回热比l 0级回热经济性要好。 关键 词 ： 二次再热 ； 热力 系统 ； 再热压力优化 ； 焓升优化 分 类号 ： T K 2 1 2 ． 4 文献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 — 5 8 8 4 ( 2 0 1 5 ) 0 5 - 0 3 7 1 -03 Re h e a t P r e s s u r e a n d F e e d ． w a t e r En t h a l p y Ri s e Op t i mi z a t i o n o f Do u b l e Re h e a t Un i t XU Ka i — l i ，XI ONG Ya n g — h e n g ，P AN Hu i ( S c h o o l o f P o w e r a n d Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， Wu h a n U n i v e r s i t y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 2 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e me a n t e mp e r a t u r e o f t h e h e a t a d d i t i o n p r o c e s s i s r a i s e d a n d mo i s t u r e l o s s i s d e c r e a s e d a f t e r t h e s t e a m i s r e h e a t e d， wh i c h w i l l i n c r e a s e t h e e ffi c i e n c y o f t h e s t e a m c y c l e ．T h e e f f i c i e n c y o f d o u b l e r e h e a t i s h i g h e r t h a n t h a t o f s i n g l e r e h e a t ．Re h e a t p r e s s u r e i s o p t i mi z e d b y e n u me r a t i o n a l g o r i t h m t o i mp r o v e t h e e f f i c i e n c y o f d o u b l e r e h e a t u n i t ．T h e n t h e e n t h a l p y r i s e o f f e e d — wa t e r i s o pt i mi z e d． I n o r d e r t o c o mpa r e t he e f f e c t o f r e g e ne r a t o r n umb e r t o t he e c o no my o f u ni t ， a s y s t e m wi t h 8 r e g e n e r a t o r s a n d a s y s t e m w i t h 1 0 r e g e n e r a t o r s a r e d e s i g n e d ．T h e r e s u l t i n d i c a t e s t h a t e ffic i e n c y o f d o u b l e r e h e a t i s b e y o n d 4 9 ％ aft e r r e h e a t p r e s s u r e a n d e n t h alp y r i s e i s o p t i mi z e d ． T a k i n g i n t o a c c o u n t t h e c o mp l e x i t y o f t h e s y s t e m ， i n v e s t me n t a n d ma i n t e n a n c e c o n v e n i e n c e， t h e s y s t e m wi t h 8 r e g e n e r a t o r s i s mo r e e c o n o mi c t h a n 1 0 r e g e n e r a t o r s ． Ke y wo r d s ： d o u b l e r e h e a t s；t h e r ma l s y s t e m ；r e h e a t p r e s s ur e o p t i mi z a t i o n；e n t h a l p y r i s e o p t i mi z a t i o n 0 前言 至 2 0 1 2年 l 2月中国已建成投产1 0 0 0 MW 超超临界机 组达到 5 9台， 是世界上超临界／ 超超临界机组发展最快、 数 量最多、 容量最大和运行性能最先进的国家⋯。国家对电厂 节能减排的要求越来越严格 ， 我国需要不断提高燃煤发电的 效率来改善能源紧张的情况。适当的提高蒸汽的温度和压 力、 二次再热的引入都是为了尽可能提高机组循环效率。蒸 汽中间再过热 ， 减小 了汽轮机低压缸的湿汽损失； 同时蒸汽 的吸热平均温度也得到了提高 ， 因此它已成为大型机组提高 热效率 的必要措施 。 从 2 0世纪 5 0年代开始 ， 美国、 日本和西德等国家开始 大量建造二次再热发电机组。我国目前投入运行的机组中 还没有二次再热机组， 国内三大集团都提出各 自的二次再热 机组方案 ， 上海电气集团与国电泰州电厂签订了国内首个二 次再热百万千瓦超超临界机组合同。此外华能莱芜 电厂百 万机组“ 上大压小” 扩建工程规划建设 21 0 0万千瓦超超临 界二次中间再热燃煤机组、 华能安源电厂规划建设 2 6 6万 千瓦工程二次再热机组三大主机采购合同已签。 豆热压力与，擅 效塞查羞密切的关系， 再热压力较高则 循环吸热平均温度高， 同时造成排汽湿度加大 ， 使湿汽损失 增大； 再热压力过低则会使循环吸热平均温度降低 ， 因此中 间再热压力过高或过低都不利于循环效率的提高， 选择合理 的再热压力是优化设计 的重要工作 。 根据等效热降理论 ， 不同抽汽口抽出蒸汽的等效焓降有 差异， 各个加热器给水焓升大小对回热系统运行经济性有很 大的影响。因此， 在汽轮机热力系统设计过程 中， 加热器给 水焓升的选择一直是设计和运行部门普遍重视的一个问题。 本文主要从再热压力和加热器焓升两方面对二次再热 机组进行优化， 使二次再热机组获得更高的效率。 1 优化设计理论基础 1 ． 1 压 力优 化 本文采用枚举 法优 化再 热压 力 。先通 过 比选 国内锅 炉 厂家设计方案的数据 ， 确定一次和二次再热压力的范围。在 此范围内每隔0 ． 1 MP a取一个值 ， 给水焓升按等焓升处理。 通过比较不同再热压力下的循环效率来寻求最佳再热压力。 1 ． 2 焓升优化 目前， 加热器给水焓升分配方法主要有平均分配、 等焓 降分配、 几何级数分配、 等效热降法及循环 函数法等， 这些方 收稿 日期 ： 2 0 1 5 - 0 3 - 2 4 基金项 目 ： 许恺 丽( 1 9 8 9 一 ) 女 ， 武汉大学 ， 硕士研 究生 ， 主要 研究锅炉能源的清洁高效利用。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 7 2 汽轮机技术 第 5 7卷 法由于各 自的假定条件不同， 所得到的结果也不相同， 实际 应用中尚没有一种人们普遍公认的加热器焓升分配方法 J 。 本文中， 加热器给水焓升优化方法如下， 在优化再热压 力的基础上， 各缸的排汽压力和排汽所对应加热器的抽汽压 力均可确定。显然加热器出口给水 比焓与抽汽压力有关。 如图 1 所示， 1 号加热器和4号加热器出口给水比焓为定值， 比焓之差就是 1 号、 2号、 3号加热器的焓升之和。在焓升之 和不变的前提下调整这 3个加热器的焓升 ， 通过计算不同分 配方案对应的循环效率来获取最佳焓升分配方案。假设 1 号、 2号、 3号加热器焓升之和为 3 0 0 k J ／ k g ， 则 3个加热器之 间焓升的分配如表 l 所示。 图 1 焓升优化模型图 表 1 加热器焓升分 配 将加热器按上述方法分为若干个单元， 从高压到低压逐 个优化， 最后使全部加热器给水焓升达到最佳分配。 2 二次再热机组热力系统设计与计算 2 ． 1 热力系统主要参数 本分析计算参考了同类厂家的设计方案， 计算方法参考 了文献[ 4 ] ， 为了便于计算， 对一些参数进行了简化。 ( 1 ) 汽轮机形式及参数 ①机组形式： 超超临界、 二次再热、 五缸四排汽、 单轴、 凝 汽式汽轮机。 ②额定功率： P =1 0 0 0 M W。 ③再热蒸汽参数： 压力待优化； ￡ =t rl a= 6 2 0 ~ C。 ④汽轮机排汽压力： P = 4 ． 9 k P a 。 ( 2 ) 回热加热系统参数 ①最终给水温度： ￡ = 3 3 0 ℃。 ②回热器上端差： 无过热蒸汽冷却段 8 t =2 ~ C， 有过热蒸 汽冷却段 8 t ：一 2 ℃； 下端差( 有疏水冷却段) ： A t =5 ~ C， 混合 式加热器上端差为 0 。 ( 3 ) 各项损失系数 ①抽汽管压损： 级间抽汽△ p=5 ％ ， 排汽抽汽 △ p =3 ％。 ②主汽门和调节阀节流损失3 ％； 再热器冷管段压力损 失2 ％； 再热器压力损失5 ％； 再热器热管段压力损失2 ％； 中 低压缸连接管压力损失2 ％。 ③锅炉连续排污量： D = 0 ． 8 ％D ， 由于量小不考虑回收 利用。 2 ． 2 原则 性热 力系统 图 随着回热级数的增加 ， 每增加一级加热器， 机组效率增 加 的幅度越来越 小 ， 同 时级 数增 加意 味着投 资增大 。因此 ， 在热力系统的实际设计中， 较佳的回热级数应通过权衡机组 的热效率和投资的节省之间合理性来确定。一般大型机组 回热级数为 8级， 由于二次再热机组各种蒸汽参数比较高， 就通过比较 8级回热和 1 0级回热 2个方案的经济性来探讨 二次再热所需的回热级数。 本设计的热力系统如下， 超高压缸排汽通入第 2级高压 加热器 ， 高压缸排汽通入除氧器， 中压缸排汽通入低压加热 器。超高压缸门杆和轴封漏汽进入除氧器， 高压缸轴封漏汽 和中压缸轴封漏汽分别进入两级低压加热器。疏水通过逐 级 自流的方式进入除氧器或凝汽器。8级回热和 1 0级回热 热力 系统 图如 图 2和 图 3所示。 1 2 3 4 5 fi 7 8 图 2 8级回热热力 系统 图 l Z 3 4 5 6 7 9 l U 图 3 1 0级 回热热力系统图 2 ． 3 程序设计与计算流程 由于优化计算中存在大量循环计算， 为了提高计算的速 度和精度， 本设计采用 Ma t l a b编程， 涉及到水和水蒸汽热力 性质的计算， 直接调用 I A P WS—I F 9 7公式 ， 提高了设计效 率。具体计算流程如图4 所示。 2 ． 4 计算 结果 经过比较三大厂家设计方案， 选取一次再热压力范 围 9 M P a～ 1 2 MP a ， 二次再热压力为 2 M P a～ 5 M P a ， 在此范围 内优 化再热压力。8 级回热再热压力优化结果如图5所示。该图 较直观地反应出随着一次和二次再热压力的升高， 循环效率 也在增加， 循环效率大致分布在4 9 ％ 一4 9 ． 4 ％之间， 当一次 再热压力为1 1 ． 7 M P a ， 二次再热压力为4 ． 4 MP a 时系统循环效 率最高 ， ⋯ ． =4 9 ． 4 1 2 ％。在此基础上优化加热器焓升， 结 果见表 2 。优化焓升后， 系统循环效率 叼 = 4 9 ． 4 8 1 ％， 效率 增 长 △ 田= 0 ． 0 6 9 ％ 。 1 0级回热再热压力优化结果如图6所示， 循环效率大致 分布在4 9 ． 3 ％ ～ 4 9 ． 7 ％之间， 当一次再热压力为1 1 ． 7 MP a ， 二 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 许恺丽等 ： 二次再热机组再热压力与给水焓升的优化 3 7 3 开始 选择再热压力 计算 系统循环 效率 IY 最 佳再热压力 分配加热 器焓升 计算系统循环效率 0 ． 4 9 6 0 ． 49 4 曩0 ．4 9 2 0 ． 4 ． 9 0 0 ． 48 8 5 图 4 计算流程 图 N 图 5 8级回热再热压力优 化结果 表 2 8级回热加热器焓升优化 结果 简 编号 r ， k J ／ k g 编号 r ， k J ／ k g 1 4 0． 3 O 5 1 2 6． 9 2 1 7 9． 0 6 2 4 0． 0 3 1 O6 ． 2 7 2 4 0． O 4 2 1 2 ． O 8 1 5 1 ． 2 次再热 压力 为4 ． 3MP a时 系统 循环 效率 最 高， ， 7 ， P= 4 9 ． 7 3 3 ％ 。在此 基础上优 化加 热器 焓升 ， 结 果如表 3 。优 化 焓升后 ， 系统循 环效 率 = 4 9 ． 7 6 6 ％， 效率 增长 △ 叼= 0． 03 3％ 。 3 结论 ( 1 ) 通过优化再热压力与加热器焓升 ， 二次再热机组循 环效率超过4 9 ％。 糌 榛 图6 1 0 级回热再热压力优化结果 表 3 1 0级回热加热器焓升优化结果 高 编号 r ， k J ／ k g 编号 r ， k J ／ k g 1 40 ． 3 2 6 1 2 4． 1 2 1 4 6 ． 0 7 1 6 0． 0 3 7 4 ． 0 8 1 6 5． 0 4 7 1． 9 7 9 1 6 5． 0 5 2 0 8 ． 0 1 0 1 41 ． 2 ( 2) 1 0级 回热循 环效 率 比 8级 回热循 环 效率 高 0 ． 2 8 5 ％， 考虑到系统的复杂性、 投资增加及运行维护的便利 性 ， 8级回热比 1 0级回热经济性要好。8级回热优化焓升分 配后相对于焓升平均分配效率增长了0 ． 0 6 9 ％， 而 1 0级 回热 只增长了0 ． 0 3 3 ％， 显然机组回热级数越高， 优化焓升分配对 机组效率的影响越小。 ( 3 ) 8 级 回热和 1 O级 回热一次再热压力和二次再热压 力相近， 说明回热级数对最佳再热压力的选取影响不大。从 焓升分配表中可看出， 再热冷段抽汽所对应的加热器焓升明 显高于再热热段， 与等效热降理论所要求的减少热能品质较 高的再热热段抽汽相符合。 参 考 文 献 毛健雄．7 0 0 c E超超 临界机组 高温材料 研发最新 进展 [ A] ．第 九届 电站金属材料学术年会论文集 [ C] ．2 0 1 1 ． 2 9—4 2 ． 王金枝， 于振清， 金永玲．理论分析中间再热压力对电厂效率 的影 响[ J ] ．山东电力 高等专科 学校 学报 ， 2 0 0 8 ， ( 4 ) ： 3 7—3 8 ． 张毅 ， 陈志刚 ， 黄萍力 ， 等．汽轮机回热系统加热器给水焓 升 优化分配方法对比分析[ J ] ． 东北电力大学学报， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 4 ) ： 5 2—5 6． 黄新元．热力发 电厂 课程设 计 [ M] ．北京 ： 中 国电力 出版 社 ， 2 0 0 4． Wa g n e r W ， Kr u s e A， Ku r t z s c h ma r H J ．P r o p e r t i e s o f Wa t e r a n d S t e a m ：t h e I n d u s t r i a l S t a n d a r d I AP W S — I F 9 7 f o r t h e T h e r mo d y - n a mi c P r o p e r t i e s a n d S u p p l e me n t a r y Eq u a t i o n s f o r Ot h e r P r o t J e r - t i e s ：T a b l e s B a s e d o n T h e s e E q u a t i o n s [ M] ．B e r l i n ：S p r i n g e r— Ve d a g， 1 9 9 8 ． ( 上接第 3 5 6页) [ 1 3 ] N i e k l a s J o h a n s s o n， L e n n a rt A n g q u i s t ， Ha n s—P e t e r N e e ， A C o m． p a r i s o n o f Di f f e r e n t F r e q u e n c y S c a n n i n g Me t h o d s for S t u d y o f S u b s y n c h r o n o u s R e s o n a n c e[ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r S y s t e m s ， 2 0 t 1 ， 2 6 ( 1 ) ： 3 5 6—3 6 3 ． [ 1 4 ] 谢诞梅， 董川， 刘占辉． 轴系特性结构扭转刚度及其对扭振 [ 1 5 ] [ 1 6 ] 特性的影响 [ J ] ．热能动力工程 ， 2 0 0 7， 2 2 ( 2 ) ： 1 4 6—1 4 8 ． 孙和泰 ．大型汽轮发 电机组的轴系扭振探讨 [ J ] ．热 力发电 ， 2 0 0 4 ， 3 3 ( 1 ) ： 3 9— 4 4 ． 谢诞梅 ， 戴义平 ， 等 ．汽轮机 原理 [ M] ．北京 ： 中 国电力 出版 社 ， 2 0 1 2 ． 一 效＼ 一 佳 一 、 一 最 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m