基于向心涡轮机发电的工业供热蒸汽能量梯级利用系统性能分析.pdf
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1、第 52 卷 第 8 期 Vol.52 No.8 2023 年 8 月 THERMAL POWER GENERATION Aug.2023 修 回 日 期:2022-12-15 网络首发日期:2023-04-27 基 金 项 目:中国华电集团科技项目(CHDK21-02-163)Supported by:China Huadian Group Technology Project(CHDK21-02-163)第一作者简介:张波(1981),男,高级工程师,主要研究方向为能源动力,。DOI:10.19666/j.rlfd.202212267 基于向心涡轮机发电的工业供热蒸汽能量 梯级利用系统性能
2、分析 张 波1,李 峰1,余志文2,顾煜炯2,石 磊3,赵文博4(1.华电章丘发电有限公司,山东 济南 250216;2.华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京 102206;3.石家庄良村热电有限公司,河北 石家庄 052160;4.华北电力大学国家火力发电工程技术研究中心,北京 102206)摘要针对纯凝机组工业供热改造普遍存在供热供需参数不匹配的现象,考虑工业供热高温高压工况下的适用性,提出采用向心涡轮机膨胀做功的方式对抽汽进行供需参数匹配,实现抽汽能量梯级利用。以某国产 330 MW 热电联产机组工业供热改造为例,构建了热力系统模型,对比传统直接减温减压和采用向心涡轮机发电 2 种供
3、热参数匹配方案的系统性能,评估系统不同供热流量和变工况下各性能指标的变化规律。计算结果表明,与减温减压方式相比,相同供热参数下向心机涡轮供热参数匹配方案的综合效益显著,额定工况下主机发电煤耗率可降低 0.89 g/(kW h),抽汽效率可达 97.66%,直接经济效益相对提升 1.04%,碳交易成本相对减少 0.34%,且系统各方面相对性能优势随系统供热流量的增加而扩大。关键词工业供热;向心涡轮机;热能梯级利用;系统综合评估 引用本文格式张波,李峰,余志文,等.基于向心涡轮机发电的工业供热蒸汽能量梯级利用系统性能分析J.热力发电,2023,52(8):87-95.ZHANG Bo,LI Fen
4、g,YU Zhiwen,et al.Performance analysis of cascade utilization system for industrial heating steam energy based on centripetal turbine power generationJ.Thermal Power Generation,2023,52(8):87-95.Performance analysis of cascade utilization system for industrial heating steam energy based on centripeta
5、l turbine power generation ZHANG Bo1,LI Feng1,YU Zhiwen2,GU Yujiong2,SHI Lei3,ZHAO Wenbo4(1.HuadianZhangqiu Power Generation Co.,Ltd.,Jinan 250216,China;2.School of Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China;3.Shijiazhuang Liangcun Thermal Powe
6、r Co.,Ltd,Shijiazhuang 052160,China;4.National Thermal Power Engineering&Technology Research Center,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)Abstract:There is a common mismatch between heating supply and demand parameters for industrial heating retrofits of pure condensing thermal
7、power units,and the benefits of thermal power plants can be improved by adopting a reasonable matching scheme of supply and demand parameter.Aiming at the phenomenon of energy mismatch caused by the excessively high extraction parameters of the unit in the industrial heating scene,considering that i
8、t is suitable for high-parameter industrial heating,this paper proposes a scheme of using the centripetal turbines for cascade utilization of extraction steam.Taking the industrial heating transformation of a domestic 330 MW cogeneration unit as an example,the thermal system model was constructed to
9、 comprehensively evaluate the performance indicators changes of the system from three aspects:thermal performance,exergy environment and economic performance.We also comprehensively compared the effect of upgrading the direct heat reduction and pressure reduction method to the radial turbine power g
10、eneration steam energy cascade utilization scheme.The calculation results show that under the same heating parameters,compared with the traditional method of temperature reduction and pressure reduction,the comprehensive benefits of the industrial heating steam energy 88 2023 年 http:/ cascade utiliz
11、ation scheme based on centripetal turbine power generation is significant.The specific performance is that under rated conditions,the gross coal consumption rate for power generation can be reduced by 0.89 g/(kW h),the extraction exergy efficiency can reach 97.66%,and the direct economic benefit is
12、relatively increased by 1.04%,and the carbon transaction cost relative reduction of 0.34%.In addition,the relative advantages of all aspects performance of the system will expand with the increase of the amount of steam extracted by the system for industrial heating.Key words:industrial heating;cent
13、ripetal turbine;energy cascade utilization;comprehensive evaluation of the system 节能减排是我国经济实现可持续发展的基 本国策,电力行业的节能减排是国家节能减排战略体系的重要组成部分。目前我国城市集中供热和工业供热主要靠小型供热机组,但是其能耗高,能源利用率低,大型热电联产机组利用锅炉大容量、高效率的特点在小型燃煤锅炉替代、降低机组能耗、以及工业供热等方面具有优势,并正在成为发展趋势1-2。同时,对于 300 MW 级及以下纯凝机组,供电煤耗率水平难以满足国家能源发展政策的要求,热电联产改造成为其生存的关键途径3
14、。余炎等4针对超临界 350 MW 等级机组工业抽汽供热的需求,提出对外供热的研究方案和热力系统布置,并进行详细的经济性计算对比,从投资收益、技术安全性分析了其可行性。许朋江等5以某330 MW 机组汽轮机中低压联通管抽汽为例计算了不同电负荷、不同抽汽压力和不同抽汽流量工况下机组运行状态,分析了热耗特性、调压临界特性、能耗临界特性。李慧君等6基于供热变工况分析,得出机组不同工况的最佳初压。孙士恩等7针对现有供热机组进行供热抽汽端口改造进行变工况性能分析,以寻找最佳的机组改造和运行方式。在大型热电联产机组供热过程中,普遍存在抽汽参数与实际需求参数不匹配的问题。现阶段发电厂为调整抽汽参数至指定的压
15、力和温度,通常采用减温减压器作为降温降压的热力设备8,但其一方面通过节流元件增加局部阻力,使蒸汽能量白白损失;另一方面通过减温水蒸发吸收蒸汽热量实现高温蒸汽降温,会大大增加减温水的投用量,降低机组效率9。因此,科学合理地选择火电机组抽汽供热改造方式,减少供热过程中存在的能量不匹配现象,降低节流或能量损失,提高供热系统运行经济性,已成为供热机组普遍面临的技术难题之一10-11。莫子渊等12针对超临界 600 MW 机组采暖供热改造,耦合螺杆膨胀机和吸收式热泵对供热蒸汽压差能量进行梯级利用,并计算证明改造后系统性能得到较大提升。但是,对于大型热电联产机组工业供热,供需 参数匹配过程中一般具有蒸汽温
16、度压力等级高、可利用压差小,膨胀比低,可利用焓降较小的特点13,螺杆膨胀机并不适用。本文针对纯凝机组工业供热改造中供需参数匹配过程存在严重蒸汽压力能损失的问题,在抽汽参数 537.0、3.0 MPa(绝对压力,下同)等级、蒸汽可利用压差小、膨胀比低的条件下,将高效向心涡轮机应用于 300 MW 等级汽轮机再热蒸汽工业供热系统,代替传统方案的减温减压器进行供需参数匹配,高效回收蒸汽压差能发电,充分利用高品质蒸汽的能量,实现工业供热蒸汽能量梯级利用。并以某发电厂 330 MW 热电联产机组工业供热系统为对象,计算系统改造节能量和经济效益,评价系统可行性和经济性,可为大型热电联产机组工业供热系统改造
17、提供相关参考。1 热电联产机组工业供热及供热改造方案介绍 1.1 某 330 MW 热电联产机组工业供热概况 为满足日益增长的工业供热需求,某 330 MW热电联产机组采用高压再热蒸汽段抽汽对外工业供热。THA 工况下抽汽压力 3.0 MPa,抽汽温度537.0,供热管网所需蒸汽压力 1.5 MPa,温度420,此参数下所对应的供热减温减压等熵 焓降为 94.62 kJ/kg。根据机组负荷变化,抽汽压力会在 2.054.14 MPa 变化,温度基本保持在 537.0,工业供热蒸汽流量在 2044 t/h。与采暖供热不同,工业供热具有供热蒸汽参数高、热负荷波动大等显著特点。而且供汽参数与用户需求
18、参数不匹配,直接采用减温减压进行供需参数匹配的方式存在高品质热能严重浪费的问题。纯凝机组工业供热抽汽与供热管网参数匹配是供热改造的核心问题之一,常用的 3 种供热改造方案为减温减压器方案、蒸汽压力匹配器方案及小型背压式膨胀机方案。第 8 期 张 波 等 基于向心涡轮机发电的工业供热蒸汽能量梯级利用系统性能分析 89 http:/ 1.2 典型供热改造方案 1.2.1 减温减压器供热方案 减温减压器供热系统,也可称为直接抽汽供热系统,由减压系统、减温系统、安全保护装置等组成,通过对机组抽出的一次蒸汽进行减温减压,使输出的二次蒸汽压力、温度满足供热要求。纯凝机组再热抽汽供热减温减压方案系统流程如图
19、 1 所示。直接减温减压方式所需的装置较为简单,也易于对供热蒸汽进行调节控制,因而国内大量机组进行抽汽供热改造时均采用该方式,但该供热过程中存在非常大的蒸汽节流能量损失和损失。图 1 减温减压方案系统示意 Fig.1 Schematic diagram of the temperature reduction and decompression scheme system 1.2.2 蒸汽压力匹配器供热方案 蒸汽压力匹配器供热系统由喷嘴、吸入室、混合室及扩压管等部件组成(图 2)。压力匹配器的基本原理是利用高压蒸汽膨胀加速降压,将低压蒸汽引射并混合,再经扩压器减速增压到需要的参数。图 2 蒸汽
20、压力匹配器结构组成 Fig.2 Structural composition of steam pressure matcher 采用压力匹配器的机组热再抽汽供热方案系统流程如图 3 所示。相比于直接抽汽供热方案,该方案可以部分利用高压蒸汽的压力能并提高低压蒸汽品位,但该装置存在内部湍流掺混的损失,且压力匹配器对低压抽汽的升压比和高压汽源的压力都有一定限制,通常其低压抽汽的升压比不超过 2.5,而驱动蒸汽即高压汽源的压力与低压抽汽的压力之比不小于 4。此外,该方案对供热机组负荷及热用户负荷的稳定性均要求较高,在供热机组变工况时,抽汽参数变化使压力匹配器工作条件恶化,严重时甚至无法正常工作。图
21、3 压力匹配器方案系统 Fig.3 Pressure matcher scheme system 1.3 热电联产机组工业供热蒸汽能量梯级利用方案 针对工业供热机组普遍存在的供汽参数与用户需求参数不匹配、高品质能源浪费严重的问题,为提高能源利用效率,蒸汽先通过一套动力设备(如向心涡轮机、小型背压汽轮机、螺杆膨胀机)膨胀做功后再对外供热,同时回收蒸汽中的高品位能量,实现蒸汽能量的梯级利用,形成热电联产机组蒸汽能量梯级利用系统(图 4)。图 4 热电联产机组工业供热蒸汽能量梯级利用系统示意 Fig.4 Schematic diagram of the industrial heating stea
22、m energy cascade utilization system of the cogeneration unit 结合 330 MW 级热电联产机组工业供热自身特点,对比常用动力设备的适用性。该动力机械额定进汽压力 3.0 MPa,额定进汽温度 530,额定排汽压力 1.6 MPa,额定流量 30 t/h,由于机组负荷变化,抽汽压力在 2.054.14 MPa 波动。90 2023 年 http:/ 小型背压汽轮机由于自身结构限制,在此小流量小压差工况下运行时,末级叶片易进入鼓风状态,引起非正常停机14,工况安全性差,因此不适用于本方案;螺杆膨胀机在供热蒸汽能量梯级利用领域能够很好地适
23、应供热蒸汽压差和焓降小、膨胀比低的工况,但当蒸汽压力高于 3 MPa 时,将造成螺杆膨胀机进出口压力增大,对螺杆产生较大的径向力,易导致机械变形。当蒸汽温度高于 400 时,螺杆膨胀机转子与汽缸需兼容更大的热态变形量,导致预留间隙过大,机组效率随之降低,因此本工况不宜选用螺杆膨胀机作为做功设备15;向心涡轮机相比于轴流式透平具有体积小、转速高、单级比焓降大、适用于小流量工况及结构紧凑的特点,其设计转速一般高达每分钟几万转,高转速可带来明显的效率提升,内效率可达到 70%85%,并且变工况适应性好16,向心涡轮机的结构如图 5 所示。图 5 向心涡轮机的结构 Fig.5 Overall stru
24、cture of a centripetal turbine 综上所述,向心涡轮机技术适用于本方案高参数、小膨胀比蒸汽做功的场景。因此,本文热电联产机组工业供热参数匹配改造采用向心涡轮机发电方案对蒸汽压差能进行回收利用,实现工业供热蒸汽能量梯级利用。向心涡轮发电机组配有减速齿轮箱,具体系统整体结构如图 6 和图 7 所示。2 系统模型及能量分析 2.1 系统建模 基于向心涡轮机发电的热电联产机组工业供热蒸汽能量梯级利用系统可分为主机系统和蒸汽能量梯级利用系统 2 个子系统。2.1.1 系统控制方程 主机系统锅炉、汽轮机、凝汽器等设备的数学模型与文献17-19相同。蒸汽能量梯级利用系统在稳态条件
25、下每个控制量的主要控制方程为质量守恒和能量守恒方程为:inoutinoutmm (1)2ininininininin2outoutoutoutoutoutout22vQWmhgzvQWmhgz(2)式中:m为质量流量,kg/s;Q为热量,J/s;W为功,W;h 为工质流体的焓值,J/kg;v 为工质流速,m/s;z 为工质流体的高度,m;下角标 in 和 out 分别为流入和流出。图 6 基于向心涡轮机的工业供热蒸汽能量梯级利用系统 整体结构 Fig.6 Overall structure of a centripetal turbine based industrial heating st
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