回收乏汽余热的高背压供热方式性能分析

郭　强, 孙苗青, 张龙英, 李庆华, 张学镭

(1. 国网山西省电力公司 电力科学研究院，山西太原030001；2. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定071003)



回收乏汽余热的高背压供热方式性能分析

郭强1, 孙苗青2, 张龙英1, 李庆华1, 张学镭2

(1. 国网山西省电力公司 电力科学研究院，山西太原030001；2. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定071003)

摘要：回收汽轮机乏汽余热用于供热，具有显著的节能效果。以某330 MW直接空冷机组为例，建立了回收乏汽余热的高背压供热机组热力性能计算模型，对比了高背压供热方式和传统供热方式的性能，分析了主要因素对供热系统性能的影响。结果表明，与传统供热方式相比，高背压供热方式可以节省大量的高品质抽汽，可使汽轮机的发电功率增加21.8 MW，发电标准煤耗率降低22.9 g/kW·h。随着热网返回水温的升高，高背压供热机组的发电功率逐渐降低，发电标准煤耗率逐渐升高，高背压供热方式更适合热网返回水温度较低的供热系统。热网水量增加，使高背压供热机组的发电功率减少，发电标准煤耗率降低，高背压供热方式更适合于热网水量大、供热量大的供热系统。

关键词：余热利用；高背压；热电联产；供热

0引言

在火力发电厂能量转化过程中，将产生大量的冷源损失[1]。如果将这部分冷源损失加以利用，会大大提高汽轮机组的循环热效率。汽轮机高背压乏汽供热就是为了利用汽轮机的冷源损失而发展起来的一项节能环保技术。该供热方式提高了汽轮机的排汽压力和排汽温度，利用汽轮机的乏汽加热热网水，从而达到回收乏汽余热、节约汽轮机高品质供热抽汽的目的[2]。

文献[3]分析了“双背压双转子互换”和“低压缸一次性改造”两种汽轮机高背压供热改造技术，对比了两种方案的经济性指标，研究了两种改造技术的可行性。文献[4]研究了200 MW高背压循环水供热机组的热力特性，分析了影响系统性能的主要因素。文献[5]针对某300 MW空冷机组，提出了高背压供热改造方案，分析了改造后的运行参数和供热效果，指出高背压供热方式能够有效解决北方城市供热不足的问题。文献[6]分析了某135 MW高背压供热改造机组的性能考核指标，并以此评价了改造后的低压缸性能和高背压供热技术。文献[7]以300 MW直接空冷机组为例，分析了应用大温差供热技术机组高背压运行时的经济性。文献[8]对直接空冷机组高背压供热方式下的经济性进行了分析，得到了供热经济性计算与判定的公式和准则。文献[9]针对直接空冷机组热效率低、冷端损失大、经济性差的问题，提出了直接空冷机组高背压供热的改造方案。文献[10]利用T-Q图对高背压供热的换热过程进行分析，得到了低压缸换轴改造实现高背压供热的实际能耗。

回收乏汽余热的高背压供热方式具有较广阔的应用前景，已引起国内外学者的广泛关注。但目前在评价高背压供热方式的热经济性时，尚未建立较为完善的高背压供热机组热力性能计算模型，而仅通过简单公式粗略估算高背压供热对机组功率和煤耗率的影响。另外，返回水温、热网水量等因素对高背压供热方式热力性能的影响尚不清晰。为此，以某330 MW直接空冷机组为例，建立了回收乏汽余热的高背压供热机组热力性能计算模型，对比了高背压供热方式和传统供热方式的性能，分析了返回水温、热网水量等主要因素对供热系统性能的影响。

1供热方式

如图1(a)所示，传统供热方式是利用汽轮机抽汽在热网加热器中直接加热热网水。高背压供热方式增设了一个热网凝汽器，先利用汽轮机乏汽加热热网返回水，从而回收乏汽余热，而后利用汽轮机抽汽在峰载加热器中加热热网水至供水温度，如图1(b)所示。当供热量较低时，仅通过热网凝汽器加热热网水即可满足供热要求；在供热高峰期，热网凝汽器和峰载加热器联合加热热网水，从而达到热网要求的供水温度。

图1　供热方式

相比传统供热方式，高背压供热回收了汽轮机乏汽余热，乏汽在低压缸内做过功后再参与供热，实现了能量的梯级利用；但另一方面，高背压供热方式需要提高机组的背压，使得蒸汽在低压缸内的焓降减少。

2热力性能计算模型

2.1研究对象

图2为某330 MW直接空冷高背压供热机组。系统共有7级不调节抽汽，3台高加，3台低加，1台除氧器。所有的高加和低加均装设了疏水冷却器。在中低压连通管上设置蝶阀，供热用汽从中低压连通管引出。从汽轮机主排汽管上增设一排汽管路至热网凝汽器，通过热网凝汽器首先加热热网返回水，热网凝汽器的疏水引回热水井；利用汽轮机中压缸排汽在峰载加热器再次加热热网水，峰载加热器的疏水引回除氧器。

图2　高背压供热机组

以THA工况作为机组热力性能计算的基准工况。热力系统变工况计算所需的基本数据包括蒸汽的流量、状态参数和汽轮机叶片及通流部分的结构数据，从汽轮机制造厂家提供的设计说明书及工况图上经深度数据挖掘得到。

2.2调节级的计算

如图2所示，将调节级定义为第0级组，将汽轮机压力级按抽汽口位置划分为8个级组。调节级级前的状态根据主汽门前蒸汽的状态及进汽损失确定，调节级级后压力按照式(1)计算

(1)

式中：p2表示级组后的压力，MPa；G为通过级组的流量，t/h；下角标d表示设计工况。

根据调节级级后压力和调节级效率即可确定调节级级后蒸汽的状态。

2.3压力级组的计算

对于任一压力级组，其热力性能由弗留格尔公式及其对应的回热加热器热平衡方程计算得到。假设第i压力级组的级后状态已确定，那么可根据加热器的热平衡得到第i级加热器的抽汽量。第(i+1)压力级组级前状态由第i级组确定，其流量按如下式计算

(2)

式中：Di为第i级加热器的回热抽汽量，t/h。

根据弗留格尔公式，对于采暖抽汽口之前的级组(第1～第5)，其级组后压力按(3)式计算；对于采暖抽汽口之后的级组(第6～第8)，其级组后压力根据(1)式计算。

(3)

式中：p0表示级组前的压力；T0表示级组前的温度；下角标0表示级组前的参数；下角标2表示级组后的参数。

在得到第(i+1)级组后压力的基础上，根据级组效率就可确定第(i+1)级组后蒸汽的状态，整个计算的流程如图3所示。

图3　计算框图

2.4级组效率和小汽水流量

根据厂家提供的TMCR，THA，75%THA，50%THA及40%THA工况下热力系统参数，可以计算出各级组的效率，并将各级组效率、辅助小汽水流量拟合成主蒸汽流量的函数。

2.5模型检验

确定了各级组前后的状态及流量，即可计算出给定主蒸汽量、排汽压力和供热抽汽量下汽轮发电机组的功率。为了检验所建模型的正确性，以THA工况为基准，对其他工况下热力系统性能进行了计算，结果如图4所示。

图4　设计值与计算值的比较

从图4可以看出，利用本文所建模型得出的机组负荷与设计值的误差较小，从而验证了所建模型的正确性。其最大相对误差为0.8%，能够满足工程需要。

3高背压供热方式性能分析

3.1性能指标

按热量法计算供热机组的热耗率和发电标准煤耗率。汽轮机的热耗率为：

(4)

供热机组的发电标准煤耗率为：

(5)

式中：bs为发电标准煤耗率，g/kW·h；ηb为锅炉效率，取92%；ηp为管道效率，取99%；ql为煤的低位发热量，取29.27 MJ/kg。

3.2计算结果

表1是高背压供热方式与传统供热方式的性能计算结果。如表1所示，在主蒸汽流量和供热量一定的情况下，高背压供热方式需要5段抽汽量204.4 t/h，比传统供热方式减少了306.5 t/h。虽然高背压供热方式的背压高于传统供热方式，但由于节省了大量的5段抽汽，可使汽轮机的发电功率增加21.8 MW。高背压供热方式可回收345.2 t/h的乏汽用于供热，从而使汽轮机的热耗率相比传统供热方式降低了609.8 kJ/kW·h，发电标准煤耗率降低22.9 g/kW·h。

表1　计算结果

3.3影响因素分析

3.3.1返回水温的影响

热网返回水温对供热系统的性能有较大的影响，如图5所示。计算时，主蒸汽流量为1 005.2 t/h，热网水量为8 000 t/h，供热量为372 MW；传统供热方式和高背压供热方式的排汽压力分别为12 kPa，34 kPa，在热网凝汽器端差为3 ℃的情况下，热网凝汽器出口水温为69 ℃。

图5　热网返回水温的影响

由于供热量不变，传统供热方式下热网加热器的用汽量、发电功率、标准煤耗率均不随热网返回水温的变化而变化。而对于高背压供热方式，在供热量和热网水量一定的情况下，随着热网返回水温的升高，热网供水温度也将相应升高。在热网凝汽器出口水温一定的情况下，热网返回水温的变化意味着抽汽供热和乏汽供热的份额将发生变化。如图5所示，随着热网返回水温的升高，供热抽汽量将增加，供热乏汽量将减少，从而导致发电功率随之逐渐降低，发电标准煤耗率随之逐渐升高。当热网返回水温超过58 ℃时，高背压供热方式下机组的发电功率将低于传统供热方式；当热网返回水温超过62.5 ℃时，高背压供热方式下机组的发电标准煤耗率将高于传统供热方式。这说明高背压供热方式更适合于热网返回水温度较低的供热系统。

3.3.2 热网水量的影响

热网水量对供热机组性能的影响如图6所示。计算时，主蒸汽流量为1 005.2 t/h，热网返回水温度为45 ℃，热网供水温度为85 ℃，传统供热方式和高背压供热方式的排汽压力分别为12 kPa，34 kPa，在热网凝汽器端差为3 ℃的情况下，热网凝汽器出口水温为69 ℃。

图6　热网水量的影响

从图6可以看出，随着热网水量的增加，机组的供热量增大，供热抽汽量和回收的乏汽量亦增加，从而机组的发电功率随着供热抽汽量的增加而减少。由于按热量法分配电、热能耗，机组的发电标准煤耗率也随着供热量的增加而降低。当热网水量一定时，高背压供热机组的发电功率高于传统供热机组，而发电标准煤耗率则低于传统供热机组，二者的差值随着热网水量的增大而增加。这说明高背压供热方式更适合于热网水量大、供热量大的供热系统。

3.3.3热网凝汽器出口水温的影响

高背压供热方式中，热网凝汽器出口水温对供热机组性能的影响如图7所示。计算时，主蒸汽流量为1 005.2 t/h，热网返回水温度为45 ℃，热网供水温度为85 ℃，热网水量为8 000 t/h，热网凝汽器的端差为3 ℃。

图7　热网凝汽器出口水温的影响

在端差一定的情况下，热网凝汽器出口水温越高，机组的排汽压力也越高。从图7可以看出，在热网水量、热网返回水温、热网供水温度均一定的情况下，热网凝汽器出口水温的变化意味着抽汽供热和乏汽供热的份额将发生改变。随着热网凝汽器出口水温的升高，供热抽汽量将减少，供热乏汽量将增加。从而发电功率随供热抽汽量的减少而升高，发电标准煤耗率随供热乏汽量的增加而降低。

4结论

(1) 与传统供热方式相比，高背压供热方式可以节省大量的高品质抽汽，可使汽轮机的发电功率增加21.8 MW，发电标准煤耗率降低22.9 g/kW·h。

(2) 随着热网返回水温的升高，高背压供热方式的供热抽汽量将增加，供热乏汽量将减少，从而导致发电功率逐渐降低，发电标准煤耗率逐渐升高。当热网返回水温超过62.5 ℃时，高背压供热方式下机组的发电标准煤耗率将高于传统供热方式。因此，高背压供热方式适用于热网返回水温度较低的供热系统。

(3) 热网水量增加，使高背压供热机组的发电功率减少，发电标准煤耗率降低。热网水量越大，高背压供热方式相比于传统供热方式的收益越高。高背压供热机组适合于热网水量大、供热量大的供热系统。

(4) 随着热网凝汽器出口水温的升高，高背压供热机组的发电功率逐渐升高，发电标准煤耗率逐渐降低。

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Performance Analysis of High Back Pressure Heating Supply with Exhaust Steam Heat Recovery

GUO Qiang1, SUN Miaoqing2, ZHANG Longying1, LI Qinghua1, ZHANG Xuelei2

(1.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute,Taiyuan 030001,China; 2. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Abstract：Surplus heat utilization of the turbine can save great energy. Taking a 330 MW direct air-cooled unit as an example, the calculation model of high back pressure cogeneration unit with surplus heat recovery is built, and comparison of the heating supply performance between the high back pressure mode and traditional mode is also conducted. Afterwards, the factors influencing high back pressure cogeneration unit are investigated. The results show that high back pressure mode can save much high quality extracted steam, comparing with traditional mode, which increases turbine power by 21.8 MW and decreases coal consumption rate by 22.9 g/kW·h. The turbine power of high back pressure mode decreases gradually with the increase of the return water temperature, while the coal consumption rate enhances. It shows that high back pressure mode is more suitable for the heating system with a lower return water temperature. The enhancement of heating water flow decreases the turbine power as well as the coal consumption rate, which denotes that high back pressure mode more suitable for the heating system with a higher heating load.

Keywords：heat recovery; high back pressure; cogeneration; heating supply

收稿日期：2016-03-09。

作者简介：郭强(1980-)，男，工程师，主要从事汽轮机技术及入网机组安全性评价工作，E-mail: 1024_wb@sina.com。

中图分类号:TK262

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.04.010