330 MW亚临界汽轮机缸效率变化对机组热耗影响定量分析

张佳佳，董霖，陈真，张志勇，卢杰

(华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州430000)

0 引言

随着国家淘汰落后产能和产业结构调整，居民和商业用电比重逐步增加，用电负荷峰谷差持续增加，在电网容量有限的情况下，火电机组将更频繁地参与深度调峰[1]。低负荷下，火电机组的煤耗将显著增加，其中，汽轮机组方面影响比重较大。影响汽轮机运行经济性的因素主要有负荷率、通流部分效率、运行参数、系统泄漏、回热系统等[2－3]。对于汽轮机本身来说，影响热耗比重较大的因素为通流部分效率及运行参数，为了准确分析不同负荷下机组热耗情况，需要定量分析缸效率对机组热耗的影响及运行参数的优化方式[4－5]。

不同负荷下，高压缸效率变化较大，中压缸效率变化不大，低压缸效率有一定的变化[6－8]。刘武峰[9]采用公式推导的方法获得缸效率变化对机组热耗影响的计算公式；万忠海等[10]借助等效焓降法理论，通过一定的简化，将缸效率的变化转化为汽缸不同能级间回热抽汽漏流问题进行处理；杨涛等[11]分析了通流部分变化对缸效率的影响；王运民[12]对汽轮机工况发生变化时，抽汽压力、温度发生的变化做了定量分析。本文以设备厂家提供的热平衡图为原始数据，采用线性化方法分析汽轮机缸效率变化对机组热耗的影响，在保证精度的同时，计算方法相对简洁，便于现场推广应用。

1 线性化分析计算方法

在系统中，物理量之间的关系并非真正线性的，不能应用迭加原理，使分析处理问题复杂化。为了克服非线性系统带来的问题，常需引入“等效”线性系统来代替非线性系统，小偏差法即为一种常用的线性化分析方法[13－14]。由此获得的汽轮机缸效率变化对汽轮机热耗影响的计算公式如下。

高压缸效率变化1%对汽轮机热耗的影响:

中压缸效率变化1%对汽轮机热耗的影响:

低压缸效率变化1%对汽轮机热耗的影响:

其中，当量吸热量R表达式为:

当量内功率表达式为:

式中，下标H、I、L分别表示高、中、低压缸；βi为各通流段相对流量，βi＝Gi/G0，Gi为各通流段流量，G0为主蒸汽流量；为各段等效焓降；为各段效率；βc、βr为冷凝器、再热器相对蒸汽流量，βc＝αc，βr＝αr；i0为主蒸汽焓；为凝结水焓；i01、in为再热器出口、进口焓；αek、iek为高压第k段相对抽汽量和抽汽焓；αrj、irj为中、低压第j段相对抽汽量和抽汽焓。

2 计算实例及分析

2.1 汽轮机主要设计参数

以某汽轮机厂生产的330 MW亚临界机组为对象进行计算。其中，中压缸末级抽汽为五段抽汽，低压缸排汽压力为5·39 kPa。

2.2 各缸效率变化对机组热耗变化影响

依据上述计算方法，分别对高、中、低压缸效率变化对机组热耗的影响进行计算，不同工况下，变化1%，高、中、低压缸效率变化对汽轮机热耗的影响见表1。图1—3分为高、中、低压缸效率变化对汽轮机热耗的影响，图4为THA工况下高、中、低缸效率变化对汽轮机热耗的影响。

图4 THA工况下，缸效率变化1%时，对汽轮机热耗的影响

表1 变化1%，高、中、低压缸效率变化对汽轮机热耗的影响 kJ/(kW·h)

图1 高压缸效率变化对汽轮机热耗影响

图2 中压缸效率变化对汽轮机热耗影响

图3 低压缸效率变化对机组热耗影响

THA、75%THA、50%THA工况下，变化1%，高压缸效率对汽轮机热耗的影响为14·20～16·12 kJ/(kW·h)，中压缸效率对汽轮机热耗的影响为25·56～25·75 kJ/(kW·h)，低压缸效率对汽轮机热耗的影响为32·65～33·10 kJ/(kW·h)，高压缸影响最小，低压缸影响最大。缸效率变化量与汽轮机热耗变化量成正比关系。

随着机组负荷的降低，变化1%，高压缸效率变化对汽轮机热耗的影响逐渐增加，且幅度逐步增大，相比THA工况，75%THA工况下热耗增加5·9%，50%THA工况下热耗增加13·5%；相比THA工况，75%THA工况下，中压缸效率变化导致热耗略微降低，50%THA工况下，热耗略微增加；相比THA工况，75%THA、50%THA工况下，低压缸效率变化导致热耗略微降低。

3 缸效率变化对汽轮机热耗影响变化分析

缸效率变化对汽轮机热耗的影响主要体现在两方面，一是对功率的影响，二是对系统吸热量的影响。其中，系统吸热量影响包含两方面，对于中、低压缸来说，缸效率变化使得相应的回热抽汽焓值发生变化，进而引起锅炉吸热量的变化；对于高压缸来说，除了相应抽汽焓值变化产生的影响外，还有再热循环对系统吸热量的影响。

以中压缸为例，缸效率变化对功率的影响为:

对系统吸热量的影响为:

通过计算得到缸效率提高1%，上述两因素对汽轮机热耗的影响见表2。

表2 不同工况下，缸效率变化对汽轮机热耗影响 kJ/(kW·h)

由表2可知，通过功率变化对汽轮机热耗产生的影响显著大于通过系统吸热量变化产生的影响，尤其是中、低压缸。

以THA工况为例，通过功率变化对机组热耗产生的影响方面，高压缸功率变化占总功率变化比为28·90%，中压缸功率变化占总功率变化比为32·72%，低压缸功率变化占总功率变化比为38·38%。

表3提供了不同负荷工况下各缸轴功率占比情况。由表3可知，THA工况下，高、中、低压缸轴功率占比分别为29·90%、32·72%、38·38%，与表2中缸效率变化对机组热耗影响(对功率的影响)的数值一致。由此可以得出，各缸效率变化对机组热耗的影响取决于各缸轴功率的占比。

表3 不同工况下，高、中、低压缸轴功率占比%

通过吸热量变化对汽轮机热耗产生的影响方面，高压缸影响较大，主要是因为其中包含了再热循环对系统吸热量的影响。

高压缸效率变化对吸热量的影响表达式为:

变换成与中、低压缸相同的形式为:

式中，等号右侧第一项表示高压缸回热抽汽变化对系统吸热量的影响；第二项表示高压缸效率变化时，高压缸排汽焓变化使再热器中吸热量产生变化占系统当量吸热量的份额。

表4列出了不同工况下，高压缸效率变化1%时，系统吸热量的变化情况。由表4可知，再热器吸热部分占比较大，且随着负荷降低，比例逐渐增大；抽汽回热部分占比较小，且随着负荷降低，比例逐渐降低。缸效率变化1%产生的抽汽回热部分的吸热量，高压缸高于中压缸，高于低压缸。

表4 不同工况下，高压缸效率变化1%对系统吸热量影响的分配

中、低压缸抽汽回热部分数据较小，且低压缸数据为负值，是因为中、低压缸效率变化虽引起低压排汽焓变化，但并未引起背压变化(背压主要取决于循环水系统)，因而，凝结水焓并未发生变化。

4 结论

1)THA、75%THA、50%THA工况下，变化1%，高压缸效率对机组热耗的影响在14·20～16·12 kJ/(kW·h)，中压缸效率对机组热耗的影响在25·56～25·75 kJ/(kW·h)，低压缸效率对机组热耗的影响在32·65～33·10 kJ/(kW·h)，高压缸影响最小，低压缸影响最大。

2)随着负荷的降低，高压缸效率变化对汽轮机热耗的影响逐渐增加，中、低压缸效率变化对汽轮机热耗影响变化较小。

3)缸效率变化对汽轮机热耗影响主要通过功率变化及吸热量变化来实现。通过功率变化对汽轮机热耗产生的影响较为显著，尤其是中、低压缸。高压缸效率变化对系统吸热量产生的影响包括抽汽回热部分及再热部分，再热部分占比较大，且随着负荷的降低而逐渐增加。

4)在相同负荷下，高、中、低压缸效率变化通过功率变化对汽轮机热耗产生的影响占比，与高、中、低压缸轴功率占比情况一致。