CN107526711A - 汽轮机供热改造后输出功率的计算方法 - Google Patents

汽轮机供热改造后输出功率的计算方法 Download PDF

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徐乃华
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Abstract

本发明提供一种汽轮机供热改造后输出功率的计算方法，其包括如下步骤：S1、将汽轮机的各段抽汽分为n个级组；S2、以划分好的各级组为对象，计算各级组的工作特性；S21、计算单级组进出口蒸汽流量；S22、计算实际工况下单级组的出口蒸汽压力；S23、计算单级组的输出功率；S3、根据得到的各级组输出功率，计算汽轮机的输出功率。本发明公开一种汽轮机供热改造后输出功率的计算方法，其可适用于汽轮机任意抽汽段供热改造后的输出功率的设计计算。本发明不仅可以用于计算汽轮机单一段供热抽汽改造后的热耗率计算，也可以用于两段或者多段抽汽同时改造后发电机输出功率的计算。

Description

汽轮机供热改造后输出功率的计算方法
技术领域
本发明涉及热力发电技术领域，具体涉及一种汽轮机供热改造后输出功率的计算方法。
背景技术
能源工业是国民经济的基础产业，是实现现代化的物质基础。当前我国能源供应十分紧张，火力发电行业作为能源消耗大户，占据了我国每年近四分之一的煤炭用量，因此国家对燃煤电厂的节能降耗工作十分重视。
对于300MW级或以下容量的亚临界机组，采用热电联产技术，对机组进行供热改造，是降低机组发电煤耗率的重要手段，因此近些年来，全国火电行业进行供热改造的机组呈逐年递增趋势。
在机组进行供热改造的可行性研究和设计阶段，最重要的工作在于计算供热改造的经济性，而其经济性的核心数据，是机组供热改造后的节能量，一般体现在机组改造后发电煤耗率率的降低值上，而考虑到供热改造一般不涉及锅炉和发电机部分的改动，因此其节能效果主要体现在改造后汽轮机热耗率下降上。
汽轮机的热耗率计算公式如下：
其中：
q——汽轮机热耗率，kJ/kWh；
Q——汽轮机吸热量，kJ/h；
W——发电机输出功率，kW。
对于同一台汽轮机，以系统吸热量作为基准，在改造前后汽轮机吸热量不变的情况下，由于对外抽出了一部分蒸汽供热，其发电机输出功率会降低，改造后的热耗率计算公式如下：
其中：
q′——汽轮机供热改造后的热耗率，kJ/kWh；
Q——汽轮机吸热量，kJ/h；
ΔQ——汽轮机对外供出的热量，kJ/h；
W′——供热改造后发电机输出功率，kW。
由于改造前后汽轮机吸热量Q不变，而对外供热量ΔQ为已知的设计值，因此设计计算改造后汽轮机热耗率时，其重点和难点在于计算改造后发电机的输出功率W′上。
对于汽轮发电机组，发电机的输出功率计算公式为：
W＝ηgWT
其中：
WT——汽轮机输出轴功率，kW；
ηg——发电机效率；
由上式可以看出，由于改造前后发电机效率不变，因此实际上需要计算的是改造后的汽轮机输出功率。然而，供热改造通常发生在回热抽汽段，由于不同的抽汽段做功能力不同，且大型汽轮机存在多段抽汽，从单一级组后抽出的蒸汽并不能认为完全用来做功，因此无法有效地计算供热蒸汽的做功能力。
因此，针对上述问题，本发明提出进一步的解决方案。
发明内容
本发明旨在提供一种汽轮机供热改造后输出功率的计算方法，以克服现有技术中存在的不足。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种汽轮机供热改造后输出功率的计算方法，其适用于供热改造后汽轮机输出功率的计算，其包括如下步骤：
S1、将汽轮机的各段抽汽划分为n个级组；
S2、以划分好的各级组为对象，计算各级组的工作特性；
S21、计算单级组进出口蒸汽流量；
S22、计算实际工况下单级组的出口蒸汽压力；
S23、计算单级组的输出功率；
S3、根据得到的各级组输出功率，计算汽轮机的输出功率。
作为本发明的汽轮机供热改造后输出功率的计算方法的改进，所述步骤S21中，单级组进出口蒸汽流量Gi＝Gi-1-Gi′-ΔGi；
其中，Gi为本级组出口蒸汽流量，t/h，Gi-1为本级组进口蒸汽流量，t/h，Gi’为本级组回热抽汽流量，t/h，ΔGi为本级组供热抽汽流量，t/h。
作为本发明的汽轮机供热改造后输出功率的计算方法的改进，所述步骤S22中，工况下单级组的出口蒸汽压力
其中，Gi’为基准工况下的级组进口蒸汽流量，t/h，Gi为实际工况下的级组进口蒸汽流量，t/h，pi’为基准工况下的级组进口蒸汽压力，MPa,pi+1’为基准工况下的级组出口蒸汽压力，MPa,pi为实际工况下的级组进口蒸汽压力，MPa,pi+1为实际工况下的级组出口蒸汽压力，MPa,Ti为实际工况下的级组进口蒸汽温度，K，Ti’为基准工况下的级组进口蒸汽温度，K。
作为本发明的汽轮机供热改造后输出功率的计算方法的改进，所述步骤S23中，单级组的输出功率
其中，Gi为级组出口蒸汽流量，t/h，Δhi为蒸汽在级组内做功的实际焓降，kJ/kg。
作为本发明的汽轮机供热改造后输出功率的计算方法的改进，所述Δhi通过如下步骤进行计算：
S231、计算级组的理想出口蒸汽焓；
S232、计算蒸汽在级组内做功的理想焓降；
S233、计算蒸汽在级组内做功的实际焓降。
作为本发明的汽轮机供热改造后输出功率的计算方法的改进，所述步骤S231中，级组的理想出口蒸汽焓h′i+1＝fh(pi+1,si)；
其中，pi+1’为级组出口蒸汽焓，kJ/kg，Si为级组进口蒸汽熵，kJ/(kg·K)。
作为本发明的汽轮机供热改造后输出功率的计算方法的改进，所述步骤S232中，蒸汽在级组内做功的理想焓降Δhi′＝hi-h′i+1；
其中，hi为级组进口蒸汽焓，kJ/kg。
作为本发明的汽轮机供热改造后输出功率的计算方法的改进，所述蒸汽在级组内做功的实际焓降Δhi＝Δhi′×ηi；
其中，ηi为级组的相对内效率。
作为本发明的汽轮机供热改造后输出功率的计算方法的改进，所述步骤S3中，汽轮机的输出功率W′＝ηgWT′；
其中，所述ηg为发电机效率,
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明公开一种汽轮机供热改造后输出功率的计算方法，其可适用于汽轮机任意抽汽段供热改造后的输出功率的设计计算。本发明不仅可以用于计算汽轮机单一段供热抽汽改造后的热耗率计算，也可以用于两段或者多段抽汽同时改造后发电机输出功率的计算。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中汽轮机供热改造前热力系统图；
图2为本发明中汽轮机供热改造后热力系统图；
图3为本发明中汽轮机级组划分图；
图4为级组相对内效率和进汽流量的函数关系。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种汽轮机供热改造后输出功率的计算方法，其适用于进汽参数处于过热区的各型汽轮机供热改造后输出功率的计算，进汽参数在饱和蒸汽或湿蒸汽区的汽轮机，由于难以准确计算其工质的热力特性，不在本发明的适用范围之内。而由于饱和蒸汽或湿蒸汽蒸汽品质较低，基本不会用于对外供热，进行供热改造的汽轮机组，基本都是进汽参数处于过热区的汽轮机组，因此，本发明在相关领域仍具有普适性。
本发明计算过程中，涉及工质热力特性的中间参数，如焓、熵值等，均可由蒸汽基础特性参数如温度、压力等标准水及水蒸气热力性质函数(IAPWS-IF97或IFC1967)求得，如：
h＝fh(p,t) (a)
s＝fs(p,t) (b)
h＝fh(p,s) (c)
其中，fn(i,j)为标准水及水蒸气热力性质函数(IAPWS-IF97或IFC1967)；p为工质压力，Mpa；t为工质温度，℃；h为工质比焓，kJ/kg；s为工质比熵，kJ/(kg·K)。
因此，在介绍本发明的计算方法过程中，除必要外，不再介绍各段工质焓、熵值的计算过程。
如图1所示的汽轮发电机组，已知其汽轮机主蒸汽流量为G0，主蒸汽压力为P0，主蒸汽温度为t0；回热系统主给水流量为G0，主给水压力为Pl，主给水温度为tl；各段回热抽汽参数分别为(Gi’,Pi,ti,hi)；汽轮机排汽流量为Gn，排汽焓为hn；加热器进水焓为hnw；发电机功率为W。
现假设在汽轮机主蒸汽流量和各段回热抽汽流量不变的情况下，在第i段抽汽上进行供热改造，增设一段供热蒸汽，蒸汽流量为ΔGi，供热蒸汽焓值等于该段回热抽汽焓值hi，为保证系统工质质量平衡，往凝汽器补水流量为ΔGi，补水焓为hiw。
如图2所示，由于改造后存在对外供汽，在主蒸汽流量不变的情况下，机组输出功率会降低，改造后的机组功率为W’。从而，在第i段进行供热改造后，则从第i+1段起，由于各抽汽段进汽流量改变，级组效率会发生变化，则各段抽汽压力和抽汽焓会发生变化。
基于经过如上方式供热改造后的汽轮机，本发明的汽轮机供热改造后输出功率的计算方法包括如下步骤S1～S3：
S1、将汽轮机的各段抽气划分为n个级组。
如图3所示，该汽轮机以各段抽汽为边界，将其沿各段抽汽划分为n个级组，则汽轮机整体输出功率可看作各段级组输出功率之和。
S2、以划分好的各级组为对象，计算各级组的工作特性。
具体地，计算各级组的工作特性包括：
S21、计算单级组进出口蒸汽流量；
S22、计算实际工况下单级组的出口蒸汽压力；
S23、计算单级组的输出功率。
所述步骤S21中，单级组进出口蒸汽流量Gi＝Gi-1-Gi′-ΔGi；
其中，Gi为本级组出口蒸汽流量，t/h，Gi-1为本级组进口蒸汽流量，t/h，Gi’为本级组回热抽汽流量，t/h，ΔGi为本级组供热抽汽流量，t/h。从而，由质量平衡可知，本级组出口蒸汽流量即等于下一级组进口蒸汽流量。
所述步骤S22中，工况下单级组的出口蒸汽压力
其中，由弗留格尔公式：则有：
其中，Gi’为基准工况下的级组进口蒸汽流量，t/h，Gi为实际工况下的级组进口蒸汽流量，t/h，pi’为基准工况下的级组进口蒸汽压力，MPa,pi+1’为基准工况下的级组出口蒸汽压力，MPa,pi为实际工况下的级组进口蒸汽压力，MPa,pi+1为实际工况下的级组出口蒸汽压力，MPa,Ti为实际工况下的级组进口蒸汽温度，K，Ti’为基准工况下的级组进口蒸汽温度，K。
此外，如上所述基准工况即改造前的设计工况，以原设计工况的各级组相关参数来计算改造后各级组的出口蒸汽压力，该步骤利用了汽轮机经典理论，与逐级详细计算方法相比，大大简化了计算过程，且有着很高的精度。
所述步骤S23中，单级组的输出功率
其中，Gi为级组出口蒸汽流量，t/h，Δhi为蒸汽在级组内做功的实际焓降，kJ/kg。所述Δhi通过如下步骤进行计算：
S231、计算级组的理想出口蒸汽焓；
S232、计算蒸汽在级组内做功的理想焓降；
S233、计算蒸汽在级组内做功的实际焓降。
具体地，在算出本级组的出口蒸汽压力后，将蒸汽在级组内的膨胀做功过程看作一个等熵过程，根据水和水蒸汽性质函数求出该级组的理想出口蒸汽焓h′i+1＝fh(pi+1,si)；其中，pi+1’为级组出口蒸汽焓，kJ/kg，Si为级组进口蒸汽熵，kJ/(kg·K)。
则蒸汽在该级组内做功的理想焓降Δhi′＝hi-h′i+1；其中，hi为级组进口蒸汽焓，kJ/kg。
而蒸汽在该级组内做功的实际焓降Δhi＝Δhi′×ηi；其中，ηi为级组的相对内效率。
如图4所示，其为级组相对内效率和进汽流量的函数关系。
在汽轮机本体不进行改造，通流面积不发生改变的情况下，汽轮机各级的内效率与该级的进汽流量存在对应的函数关系，因此根据抽汽段划分的各级组相对内效率，与该级组的进汽流量同样存在对应的函数关系，该函数可通过设计数据拟合得到(如图4)。
因此，先通过改造前设计数据拟合出各级组相对内效率和进汽流量的函数关系，再由该函数和改造后级组的进汽流量，即可算出该级组在改造后的相对内效率ηi＝fη(Gi)。
由此，可得到单级组的输出功率
S3、根据得到的各级组输出功率，计算汽轮机的输出功率。
具体地，汽轮机的输出功率W′＝ηgWT′；
其中，所述ηg为发电机效率,其为定值，所述
综上所述，本发明公开一种汽轮机供热改造后输出功率的计算方法，其可适用于汽轮机任意抽汽段供热改造后的输出功率的设计计算。本发明不仅可以用于计算汽轮机单一段供热抽汽改造后的热耗率计算，也可以用于两段或者多段抽汽同时改造后发电机输出功率的计算。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种汽轮机供热改造后输出功率的计算方法，其特征在于，所述汽轮机供热改造后输出功率的计算方法包括如下步骤：
S1、将汽轮机的各段抽汽划分为n个级组；
S2、以划分好的各级组为对象，计算各级组的工作特性；
S21、计算单级组进出口蒸汽流量；
S22、计算实际工况下单级组的出口蒸汽压力；
S23、计算单级组的输出功率；
S3、根据得到的各级组输出功率，计算汽轮机的输出功率。
2.根据权利要求1所述的汽轮机供热改造后输出功率的计算方法，其特征在于，所述步骤S21中，单级组进出口蒸汽流量Gi＝Gi-1-G′i-ΔGi；
其中，Gi为本级组出口蒸汽流量，t/h，Gi-1为本级组进口蒸汽流量，t/h，Gi’为本级组回热抽汽流量，t/h，ΔGi为本级组供热抽汽流量，t/h。
3.根据权利要求1所述的汽轮机供热改造后输出功率的计算方法，其特征在于，所述步骤S22中，工况下单级组的出口蒸汽压力
其中，Gi’为基准工况下的级组进口蒸汽流量，t/h，Gi为实际工况下的级组进口蒸汽流量，t/h，pi’为基准工况下的级组进口蒸汽压力，MPa,pi+1’为基准工况下的级组出口蒸汽压力，MPa,pi为实际工况下的级组进口蒸汽压力，MPa,pi+1为实际工况下的级组出口蒸汽压力，MPa,Ti为实际工况下的级组进口蒸汽温度，K，Ti’为基准工况下的级组进口蒸汽温度，K。
4.根据权利要求1所述的汽轮机供热改造后输出功率的计算方法，其特征在于，所述步骤S23中，单级组的输出功率
其中，Gi为级组出口蒸汽流量，t/h，Δhi为蒸汽在级组内做功的实际焓降，kJ/kg。
5.根据权利要求4所述的汽轮机供热改造后输出功率的计算方法，其特征在于，所述Δhi通过如下步骤进行计算：
S231、计算级组的理想出口蒸汽焓；
S232、计算蒸汽在级组内做功的理想焓降；
S233、计算蒸汽在级组内做功的实际焓降。
6.根据权利要求5所述的汽轮机供热改造后输出功率的计算方法，其特征在于，所述步骤S231中，级组的理想出口蒸汽焓h′i+1＝fh(pi+1,si)；
其中，pi+1’为级组出口蒸汽焓，kJ/kg，Si为级组进口蒸汽熵，kJ/(kg·K)。
7.根据权利要求6所述的汽轮机供热改造后输出功率的计算方法，其特征在于，所述步骤S232中，蒸汽在级组内做功的理想焓降Δh′i＝hi-h′i+1；
其中，hi为级组进口蒸汽焓，kJ/kg。
8.根据权利要求7所述的汽轮机供热改造后输出功率的计算方法，其特征在于，所述蒸汽在级组内做功的实际焓降Δhi＝Δh′i×ηi；
其中，ηi为级组的相对内效率。
9.根据权利要求1所述的汽轮机供热改造后输出功率的计算方法，其特征在于，所述步骤S3中，汽轮机的输出功率W′＝ηgW′T；
其中，所述ηg为发电机效率,
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