高炉煤气汽轮机组性能计算模型及其分析

2020-01-03于龙云顾立群李丹阳

上海电力大学学报 2019年6期

关键词：热耗加热器煤气

于龙云, 顾立群, 李丹阳

(1.宝山钢铁股份有限公司电厂, 上海 201900; 2.上海电力学院, 上海 200090)

在钢铁企业面临资源制约和环保压力的今天,高炉煤气汽轮机组是钢铁工业中合理利用资源和解决环境污染问题的首选方案。因此,利用高炉煤气汽轮机组发电越来越受到节能部门的支持,推广前景也十分乐观。

1 汽轮机热耗的计算模型与方法

高炉煤气汽轮机组工作于较为复杂的电站环境中[1]。其典型热力系统如图1所示。

图1 电厂汽轮机的典型热力系统示意

1.1 汽轮机热耗计算

ASME PTC 4.1《锅炉机组性能试验规程》中,汽轮机热耗的计算公式为

(1)

式中:HRM——试验热耗率,kJ/kWh;

PST——发电机端净功率,MW;

GMS——主蒸汽流量,t/h;

hMS——高压缸进汽焓,kJ/kg;

GHRH——热再热蒸汽流量,t/h;

hHRH——热再热蒸汽流量焓值,kJ/kg;

GFFW——省煤器入口给水流量,t/h;

hFFW——省煤器入口给水流量焓值,kJ/kg;

GCRH——冷再热蒸汽流量,t/h;

hCRH——冷再热蒸汽流量焓值,kJ/kg;

GRHS——再热减温水流量,t/h;

hRHS——再热减温水流量焓值,kJ/kg;

GSHS——过热器减温水流量,t/h;

hSHS——过热器减温水流量焓值,kJ/kg。

使用最终给水流量作为计算基准,通过高加热平衡计算获得主蒸汽流量和热再热蒸汽流量,最后计算热耗率和高、中压缸效率等。采用高压部分的轴封漏汽为设计值。其中,系统不明泄漏量[2]为

ΔGv=ΔGDA+ΔGHW+ΔGBDT-ΔGML

(2)

式中:ΔGv——系统不明泄漏量,t/h;

ΔGDA——除氧器水箱水位变化当量流量,t/h;

ΔGHW——凝汽器热井水位变化当量流量,t/h;

ΔGBDT——锅炉疏水箱水位变化当量流量,t/h;

ΔGML——系统明漏量,t/h。

主蒸汽流量计算以除氧器入口的主凝结水流量为基准流量,对高压加热器、除氧器进行热平衡计算,得出除氧器水箱出水流量,并对除氧器水箱出口至锅炉过热器出口的其他进出系统流量进行考虑,最终计算得出主蒸汽流量。计算公式为

(3)

式中:GCND——除氧器入口主凝结水流量,t/h;

GE4——除氧器抽汽流量,t/h;

GD3——3#高压加热器疏水流量,t/h;

ΔGBFPS——给水泵密封水进入系统流量,t/h;

ΔGVB——锅炉侧分配的不明泄漏量,t/h。

冷再热蒸汽流量计算公式为

(4)

式中:GVL——高压门杆漏汽流量,t/h;

GGL——高压前后轴封漏汽流量,t/h;

GAi——1#和2#高压加热器抽汽流量,t/h。

热再热蒸汽流量为

GHRH=GCRH+GRHS

(5)

发电机端净功率为

PST=PM-PEXC+ΔPPF

(6)

式中:PM——实际功率,MW;

PEXC——励磁功率,MW;

ΔPPF——功率因数偏差的功率修正值,MW。

在20种典型工况下,计算汽轮机热耗,部分计算结果的平均计算值如表1所示。

表1表明,在锅炉主烧高炉煤气(Blast Furnace Gas,BFG),掺烧焦炉煤气(Coke Oven Gas,COG)、转炉煤气(Linz Donawitz Gas,LDG)和天然气(Natural Gas,NG)工况下,在270 MW负荷时,热耗最小,其次是240 MW,210 MW,180 MW;在高于270 MW的高负荷区域,掺烧轻油(Light Fuel Oil,LFO)时热耗较低,机组经济性能较好。综上,对于高炉煤气汽轮机组,应尽量在 210 MW 负荷以上运行,如果在较高负荷区适量掺烧一些LFO等热值较高的燃料会降低汽轮机热耗,提高此机组的经济性能。

1.2 高中压缸效率计算

通过现场试验或大量历史数据,读取高中压缸的进口排汽压力、出口排汽压力、进口排汽温度和出口排汽温度等参数,运用自定义函数swptah计算高中压缸排汽焓、等熵焓,然后计算高中压缸的效率。高中压缸效率的计算式分别为

(7)

(8)

表1 汽轮机热耗部分计算数据

式中:hhpex——高压缸排汽焓,kJ/kg;

h′hpex——高压缸排汽等熵焓,kJ/kg。

hRHS——中压缸进汽焓,kJ/kg;

hipex——中压缸排汽焓,kJ/kg;

h′ipex——中压缸排汽等熵焓,kJ/kg。

式(7)和式(8)均可用于计算低压缸效率。对于低压缸,由于无法现场读取准确的排汽压力和排汽温度等数据,故通过粒子群优化支持向量机的软测量方法预测出排汽焓。根据排汽焓运用swptah自定义函数得到排汽压力和温度,进而计算出等熵焓,运用效率公式可计算低压缸的效率。

1.3 加热器性能计算

汽轮机加热器性能计算运行参数主要包括加热器上端差和加热器下端差[3]。其中,加热器上端差的计算公式为

Δt=tbh-tcs

(9)

式中:tbh——进口蒸汽压力下饱和温度,℃;

tcs——加热器的水侧出口温度,℃。

加热器下端差是指被加热工质进入疏水冷却器时的温度与离开疏水冷却器的疏水温度的差值,计算公式为

Δtxd=tss-tjs

(10)

式中:tss——加热器疏水温度,℃;

tjs——加热器的水侧进口温度,℃。

加热器温升表示工质在加热器中的受热程度,计算公式为

Δtns=tcs-tjs

(11)

1.4 凝汽器性能计算

汽轮机凝汽器性能计算运行参数主要包括循环水温升和凝汽器端差[4]。循环水温升计算公式为

Δtxhs=txhc-tshj

(12)

式中:txhc,tshj——凝汽器出口和进口循环水温度,℃。

凝汽器端差计算公式为

Δtk=tbbh-txhs

(13)

式中:tbbh——背压下饱和温度,℃。

2 汽轮机试验结果的修正计算

汽轮机的修正部分包括功率修正和热耗率修正。功率修正公式为

(14)

式中:PSTC——修正至设计条件下的电功率,MW;

KPi——各电功率修正项目的修正率,%。

热耗率修正公式为

(15)

式中:HRC——修正至设计条件下的热耗率,MW;

KHRi——各热耗率修正项目的修正率,%。

修正项目及具体修正公式由厂家给出的修正曲线为准。其主要修正项目包括:主蒸汽压力、主蒸汽温度、热再热蒸汽温度、再热蒸汽压损、低压缸排汽压力、最终给水温度、补水流量、再热减温水流量、给水泵的焓升、小汽轮机进汽流量等。

3 电厂运行数据的二元相关性分析

在电站运行过程中产生了大量的实时数据,成为分析机组历史、了解机组运行状况、评估经济性指标和优化机组运行的宝贵资源。19 世纪 80 年代,英国统计学家 PEARSON K在基于 GALTON F思想的基础上提出了Pearson相关性系数。Pearson相关性系数的数学表达式为[5]

(16)

式中:X,Y——随机变量;

Cov(X,Y)——随机变量X和Y的协方差。

(17)

由相关系数定义可知,|ρ(x,y)|≤1。对随机变量X和Y来说,当X与Y不相关时,|ρ(x,y)|的值为零;当X与Y线性相关时,|ρ(x,y)|的值为1。相关系数ρ(x,y)用来表示相关程度的大小。当两变量在同一增减趋势上变化时,即为正相关;在相反的增减趋势上变化时,即为负相关;无变化即为不相关。相关系数ρ(x,y)的取值范围为(-1,+1),+1表示完全正相关,-1则表示完全负相关,0表示不相关。通过Pearson相关性系数,可以获得条件变量与目标变量之间的相关程度[6]。在统计学研究领域,一般根据样本Pearson相关性系数绝对值大小对条件变量与目标变量之间的相关性强度进行划分[7],如表2所示。