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三压再热蒸汽系统的热力参数优化分析发电设备（）三压再热蒸汽系统的热力参数优化分析赵峰，沈邱农（上海发电设备成套设计研究院，上海）摘要：针对燃气一蒸汽联合循环中三压再热汽水系统的热力参数对汽轮机功率及循环效率的影响，建立了汽水系统的计算模型，以汽轮机功率和蒸汽流量为目标函数，采用 计算软件对系统热力参数进行计算。结果表明，再热蒸汽压力和中、低压蒸汽压力直接影响着汽轮机功率的大小。关键词：燃气一蒸汽联合循环；汽水系统；热力参数；边界条件；优化计算中图分类号：文献标识码：文章编号：（）。（，）：，：；现代大功率的燃气轮机机组随着热端部件（透平、燃烧室）冷却技术和材料的发展，燃气初温不断提高，排气温度也随之升高很多，燃气轮机效率达到；而采用燃气一蒸汽联合循环后，其热效率已超过。联合循环的方式有很多，如单压、双压、三压、再热、无再热等循环方式。本文针对三压再热蒸汽系统，讨论如何设置其性能参数才能将燃气轮机排气余热阶梯性地充分利用。蒸汽轮机的做功量和效率。燃气轮机排气成分计算以为例，燃气轮机采用天然气为燃料，天然气的成分见表，经过完全燃烧后的排气成分见表，排气温度 一，排气流量一。表天然气成分项目声（）体积分数项目（，（）（。）（，）体积分数 约束化边界条件与优化计算三压再热汽水系统的热力参数要受到燃气）（）（“）轮机排气的约束，主要包括排气温度、排气成分和排气流量。汽水系统的蒸汽热力参数决定着收稿日期：作者简介：赵峰（一），男，硕士研究生，主要研究燃气轮机系统性能仿真以及燃气一蒸汽联合循环参数优化工作。：发电设备（）三压再热蒸汽系统的热力参数优化分析表燃气轮机排气成分项目（）。）（。（）（）。体积分数项目（）。体积分数）（）。三压再热蒸汽系统约束化边界条件（）烟气侧的温度高于相应蒸汽侧的温度（根据热力学第二定律），并保证温差不低于。（）主蒸汽温度低于燃气轮机排气温度，出口再热蒸汽温度低于相应燃气侧温度。（）补充的低压蒸汽的参数应为过热状态，其膨胀后的蒸汽干度应在允许的范围内，否则会不利于汽轮机的结构设计。（）节点温差取，接近点温差取。（）保证低压缸的进气是干蒸汽。（）控制余热锅炉排烟温度。若燃用含有少量硫分的液体燃料，。要受到酸露点的制约，一般控制在；若燃用天然气，则会受到水露点的限制，一般控制在（）低压缸排汽的干度不低于。系统说明计算采用三压、再热、无补燃、自然循环余热锅炉。高压过热蒸汽进人汽轮机高压缸做功；中压过热蒸汽与高压缸排汽汇合进入再热器，再热器出口蒸汽进入中压缸；低压过热蒸汽与汽轮机中压缸排汽混合后一起进入低压缸。蒸汽系统见图 。从图看出，余热锅炉出口的中压蒸汽与汽轮机高压缸排汽充分混合后进人余热锅炉的再热器加热。为了减少压损，一般取一，。按照主蒸汽温度从高压蒸汽压力膨胀到时的温度 选取，两者温差不超过。三压再热汽水系统与汽轮机工作过程三压再热汽水系统的计算模型为了将燃气轮机排气的能量阶梯性地充分利用，需要将汽、水系统的水和蒸汽按照其物态的变化和能量的品质分成高、中、低压过热蒸汽、低压省煤器；一低压汽包；低压蒸发器；一省煤器循环泵；一高压给水泵；一中间给水泵；一高压省煤器；一中压省煤器；中压汽包；一中压蒸发器；一低压过热器；一高压省煤器；一中压过热器；一高压汽包；一高压蒸发器；一高压过热器；一再热器；一燃气轮机；汽轮机高压缸；汽轮机中压缸；一汽轮机低压缸；发电机；一凝汽器；一低压给水泵。图 三压再热余热锅炉的汽水系统饱和水、过冷水和再热蒸汽。由于高压过冷水的温差大，可以将其分为两段，平均温度越高的加热段能量品质越高。将不同的加热段按照工质的流程和能量品质从低到高排列：低压省煤器低压蒸发器第级高压省煤器一中压省煤器中压蒸发器低压过热器第级高压省煤器中压过热器高压蒸发器再热器一高压过热器，见图。图三压再热余热锅炉中热交换热量与燃气以及汽水温度的变化关系曲线根据余热锅炉的热平衡方程建立参数关系式：矗。一一（）（）（。一）（）（）三压再热蒸汽系统的热力参数优化分析发电设备（）一二三一（矗一垴）一等级下进汽压力较低。汽轮机中蒸汽膨胀过程焓熵图见图。（）（。一）。一（洲一洲）一（。）一（一）（）其中：一（一制）（。）（）一（一。）（一）一（一。）（一）（）一（矗札）（。一）一（。一）（）（）一（。一）（一】）（一。）（一）（）一（一）（）式中：为燃气轮机排气的质量流量，；。为低压过热蒸汽流量，；。为中压过热蒸汽流量，；为高压过热蒸汽流量，；为燃气轮机排气的焓值，；。为余热锅炉排气的焓值，；。为低压过热蒸汽焓值，；。为中压过热蒸汽焓值，；。为高压过热蒸汽的焓值，；为余热锅炉进口冷的再热蒸汽的焓值，；为余热锅炉出口再热蒸汽的焓值，。为低压省煤器进口的给水焓值，为低压省煤器出口的给水焓值，；为第级高压省煤器出口的给水焓值，；。为中压省煤器出口的给水焓值，；为第级高压省煤器出口的给水焓值，；札为低压蒸发器入口燃气的焓值，；为中压蒸发器人口燃气的焓值，；洲为高压蒸发器人口燃气的焓值，；为低压饱和蒸汽的焓值，。主蒸汽压力取，主蒸汽温度取，再热蒸汽压力、中压蒸汽压力取，低压蒸汽压力取，高中低压节点温差、取，高中低压接近点温差、取。汽轮机工作过程计算模型我国汽轮机系列中的蒸汽参数：中压蒸汽系统为、，高压蒸汽系统为、，超高压蒸汽系统为、。在联合循环中，由于汽轮机的进、出口蒸汽流量比常规汽轮机流量小得多，所以在同一温度图汽轮机蒸汽膨胀焓炳图通常，余热锅炉出口的蒸汽压力大约要比汽轮机进口处的蒸汽压力高，蒸汽温度大约高。再热蒸汽的压力则要比高压缸排汽压力低，再热蒸汽从余热锅炉出口到中压缸入口温度下降约，压降约为 。汽轮机效率取，汽轮机背压取。高压缸功率：。（。）叩。（）中压缸功率：。一（口）（一）。（）低压缸功率：礼一（）（。）叩 （）式中：、。”、儿分别为高、中、低压缸效率；、。分别为高、中、低压缸进汽的焓值，；、。”。、。分别为高、中、低压缸出口处的等熵焓降，。优化结果及分析影响三压再热汽水循环热力性质的主要因素包括：高压过热蒸汽压力和温度（。，。）、中压过热蒸汽压力和温度（户，。）、再热蒸汽压力和温度（，）、低压过热蒸汽的压力和温度（。）、高中低压蒸汽节点温差（、）和接近点温差（、也）。在燃气轮机排气温度 一定的条件下，余热锅炉的排烟温度越低，说明燃气轮机排气的余热利用越充分，循环效率越高。计算结果发电设备（）三压再热蒸汽系统的热力参数优化分析高压蒸汽压力。和温度。的影响 一。对蒸汽流量、排烟温度及汽轮机功率的影响见表，其中：表 对蒸汽流量、排烟温度以及汽轮机功率的影响，一，一，一【一，：。对蒸汽流量、排烟温度及汽轮机功率的影响见表，其中：一，叱一，一，一，一一一，注：）指总蒸汽流量，（以下表表均相同）。表对蒸汽流量、排烟温度以及汽轮机功率的影响高、中、低压节点温差、的影响表对蒸汽流量、排烟温度对蒸汽流量、排烟温度及汽轮机功率的影及汽轮机功率的影响响见表，其中：一，一，。，一，一，一 一，一，。一。表对蒸汽流量、排烟温度及汽轮机功率的影响对蒸汽流量、排烟温度及汽轮机功率的影响见表，其中：一，一，一，一，一一，。一，。一。表对蒸汽流量、排烟温度及汽轮机功率的影响对蒸汽流量、排烟温度及汽轮机功率的影响见表，其中：。：，：，一，一，一一，一，。一。三压再热蒸汽系统的热力参数优化分析发电设备（）高、中、低压接近点温差、的影响续表 一对蒸汽流量、排烟温度及汽轮机功率的影响见表，其中：一，一，一，一一一，一 一，。一。对蒸汽流量、排烟温度及汽轮机功率的影响见表，其中：表对蒸汽流量、排烟温度：一，及汽轮机功率的影响户一，一，一 一，一，。一。表 厶对蒸汽流量、排烟温度及汽轮机功率的影响 对蒸汽流量、排烟温度及汽轮机功率的影响见表，其中：户一，一，。一，一，一一，一，。一。再热蒸汽压力和低压蒸汽压力 的影响表 对蒸汽流量、排烟温度对蒸汽流量、排烟温度及汽轮机功率的影及汽轮机功率的影响响见表，其中：户，一，一，。一，一一一，：表对蒸汽流量、排烟温度及汽轮机功率的影响户对蒸汽流量、排烟温度及汽轮机功率的影 一 一。响见表，其中：燃气轮机排气温度 与汽轮机背压的一，户一，影响户一，。一，对蒸汽流量、排烟温度及汽轮机功率的影一一，响见表，其中：发电设备（）三匿再热蒸汽系统的热力参数优化分析对蒸汽流量、排烟温度及汽轮机功率的影响见表，其中：一，一，一，一一一，一：【一，。表对蒸汽流量、排烟温度及汽轮机功率的影响数据分析（）当燃气轮机排气温度、流量、排气成分确定时，随着高压蒸汽压力、高压过热蒸汽温度。、低压节点温差、低压接近点温差、表 各影响因子对蒸汽流量、排烟温度及汽轮机功率的影响汇总表低压蒸汽压力的提高，余热锅炉的排烟温度将升高，蒸汽的总流量逐渐降低。随着高压节点温差、中压节点温差、高压接近点温差、中压接近点温差、再热压力，（中压蒸汽压力。）的增加，余热锅炉的烟气排气温度。将降低，蒸汽总流量逐渐升高。将各种影响因子对排烟温度，汽轮机功率，高、中、低压蒸汽流量的影响综合绘制成表注：）十代表升高，代表降低，十代表先升高后降低，一代表不变。三压再热蒸汽系统的热力参数优化分析发电设备（）（）燃气轮机排气温度 的升高有利于两者相互变化共同影响汽轮机功率其关系降低，而亘影响幅度很大。这是因为当提高，高压蒸汽流量会大幅度地增加，中、低压蒸汽流量只是小幅度下降。因此在有补燃的余热锅炉的三维曲线见图，并可分解成低压蒸汽压力与汽轮机功率关系曲线（见图）和再热蒸汽压力与汽轮机功率关系曲线（见图）。中，经补燃后的值会很高（），即使不采用双压或三压蒸汽系统，仍可以降得很低，所以目前大多数补燃式余热锅炉均采用单压蒸汽系统。（）节点温差和接近点温差对余热锅炉排烟温度影响有两种截然不同的情况。随着低压侧的节点温差和接近点温差增大而增大，而随着高、中压侧的节点温差、和接近点温差、增大而减小，但高、中压侧的节点温差和接近点温差对 影响程度相当微小。（）对有影响的主要因素为，、和。（）当燃气轮机排气温度 及汽轮机排汽压力确定时，只有（）和对汽轮机功率的影响是双向关系，其余因素对汽轮机功率的影响都是单向关系。（）对汽轮机功率的影响是单向关系的因素有、。、和，其中只随、。增加而增加，但是受高温材料限制，。一般取；而也要根据我国现有汽轮机制造的水平来选择。从汽轮机设计的角度看，初压太高会引起漏汽量大幅上如升，而由于蒸汽密度大，流量偏小时会引起通流部分设计的困难，同时引起汽轮机通流部分效率的下降。汽轮机功率随着、，、的增加而减小，但并不是节点温差和接近点温差越小越好，减小接近点温差有利于减小余热锅炉的总换热面积和投资费用，但是为了防止低负荷工况或启动期间省煤器内可能发生汽化，有必要在设计时接近点温差取得大些。（）在三压再热蒸汽系统中，随着的增加而增加。通常选用的对蒸汽的流量影响甚微，汽轮机功率随着的增加而减小。为了保证汽轮机排汽的干度（），一般取。和的关系对汽轮机功率。是双向关系的因子有：（。）和。随着（）和的增加，汽轮机功率是先增加后减小。在约束化的边界条件下，罨毒 辞再热蒸汽压力 低压蒸汽压力 图与的关系却：叩：、毫 图低压蒸汽压力与汽轮机功率关系 一一 十 芝、。，图再热蒸汽压力与汽轮机功率关系（下转第页）趣临界机组高中压缸中问轴封漏汽量的测试发电设备（）由表可见，两次试验的中压缸进汽焓的变化量：均在一一。为了提高计算精度，对图中 一一和：一一由表可以看出，大修前为，大修后为。因此，大修后机组在三阀全开额定负荷工况下，高中压缸中间轴封漏汽量占中压缸的曲线进行拟合，得到函数如下：（）一一一（）一一一进汽流量的比例为，比大修前减少了。可见，大修后高中压缸中间轴封漏汽量比大修前有所减少，轴封改造取得了一定的效果，但与改造的设计要求值相比仍有一定的差距。运用等效热降的局部定量分析嘲可以算出，为求需要进行插值计算，公式如下：一（：）（）一（）（。）、大修后高中压缸中间轴封漏汽量减少，使汽轮机热耗率下降约（）。由此便可求出，中间轴封实际漏汽量占中压缸进汽流量的比例：一一结语（）变汽温法在某电厂高中压合缸汽轮机轴封改造前后的成功应用，为量化检验高中压缸中间轴封改造效果提供了一种有效的途径，同时也可作为运行中确定高中压合缸机组中间大修前后两次变汽温试验中，高中压缸中间轴封漏汽量占中压缸进汽流量的比例见表。表中间轴封漏汽量计算数据表轴封漏汽状况的手段，可以为机组制定检修计划提供依据，对机组的节能降耗具有较大的实际意义。（）参考文献：郭永杰，郭建林，李名远高中压合缸汽轮机汽封漏汽量的现场实测与分析动力工程。，（）：一：，（）力（）（）林万超火电厂热系统节能理论西安：西安交通大学出版社，（上接第 页）从图可得出，汽轮机功率极值所对应的最压、再热、无补燃的余热锅炉系统进行优化设计，针对再热蒸汽压力和低压蒸汽压力对汽轮佳声值和值；从图和图可看出，三维曲面中和在约束化边界条件内，汽轮机功率在机功率的影响进行了优化选择，最后得出三压再热蒸汽系统优化配置参数：，；，和，。和变化范围内只有一个峰值。为了简化运算，可以采用粗网格计算出峰值出现的区域，再在峰值区域内，用细网格求出汽轮机功率峰值对应的和最佳值。参考文献：焦树建燃气一蒸汽联合循环的理论基础北京：清华大结语本文采用计算软件，根据公司燃气轮机机组排气的参数进行计算，对其三学出版社，：刘伟，袁益超，刘聿拯燃气一蒸汽联合循环余热锅炉及其影响因素分析电站系统工程，（）：