CN110566298B - 一种回热循环效率的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种回热循环效率的优化方法,其步骤如下:步骤1:确定热力系统中工质的流动路径、流量分配,以及循环中工质的状态变化,并设定由第一汽轮机中抽汽至第Ⅰ级回热加热器的过程为A,设定由第一汽轮机中抽汽至第Ⅱ级回热加热器的过程为B;步骤2:定义流量系数为1、状态为(p1,t1)的新蒸汽由第一锅炉进入第一汽轮机进行绝热膨胀作功,至压力为pA时抽出部分蒸汽αA,引至第Ⅰ级回热加热器;步骤3:将第一汽轮机中其余蒸汽(1‑αA)继续膨胀作功,至压力pB时又抽出αB引至第Ⅱ级回热加热器;步骤4:定义由第一汽轮机至第一冷凝器的流量系数为2,将剩余的蒸汽αC=(1‑αA‑αB)继续膨胀至p2后排入第一冷凝器,借此,本发明具有减少回热过程的平均换热温差,提高热力循环效率的优点。
Description
技术领域
本发明属于火力发电技术领域,特别涉及一种回热循环效率的优化方法。
背景技术
目前,随着材料高温性能的持续提升,燃煤发电机组的蒸汽参数不断提高,以获得更高的循环效率,进一步降低机组的煤耗,减少温室气体和其它污染物排放。20世纪90年代末期和21世纪初,欧盟、美国和日本先后启动了700℃及以上参数的先进超超临界(USC)发电技术研究计划,为下一代火电装备的更新提供技术。欧盟于1998年1月启动的“AD700”先进超超临界发电计划,其目标是建立500MW、700℃/720℃/35MPa等级的示范电站,结合烟气余热利用、降低背压、降低管道阻力、提高给水温度等技术措施,使机组效率达到50%以上。提高蒸汽参数,是提高发电系统循环效率的最直接途径之一。
但是随着蒸汽参数的提高,回热抽汽过热度增大,回热加热器内汽侧和水侧换热不可逆损失增加,削弱了蒸汽参数升高带来的收益。蒸汽参数越高,这一矛盾越突出。对于这一问题,目前常规的解决办法是,通过在再热后的部分回热抽汽增设外置式蒸汽冷却器,来降低回热抽汽的过热度。但是,但随着初温和再热温度的提高,抽汽温度也随之增加,外置式蒸汽冷却器和部分高加需选用适应更高温度等级的材料,成本会大幅增加。在朗肯循环中,新蒸汽的热量在第一汽轮机中转变为功的部分只占30%左右,而其余70%左右的热量随乏汽进入凝汽器,在凝结过程中被循环水带走。另外,进入第一锅炉的给水温度是凝汽器工作压力下的饱和温度。因为凝汽器内饱和温度很低,在第一锅炉内将给水加热到过热蒸汽的整个过程,吸热平均温度不高,致使朗肯循环热效率也较低。
发明内容
本发明提出一种回热循环效率的优化方法,能够减少回热过程的平均换热温差,提高热力循环效率。
本发明的技术方案是这样实现的:一种回热循环效率的优化方法,包括步骤如下:
步骤1:确定热力系统中工质的流动路径、流量分配,以及循环中工质的状态变化,并设定由第一汽轮机中抽汽至第Ⅰ级回热加热器的过程为A,设定由第一汽轮机中抽汽至第Ⅱ级回热加热器的过程为B;
步骤2:定义流量系数为1、状态为(p1,t1)的新蒸汽由第一锅炉进入第一汽轮机进行绝热膨胀作功,至压力为pA时抽出部分蒸汽αA,引至第Ⅰ级回热加热器;
步骤3:将第一汽轮机中其余蒸汽(1-αA)继续膨胀作功,至压力pB时又抽出αB引至第Ⅱ级回热加热器;
步骤4:定义由第一汽轮机至第一冷凝器的流量系数为2,将剩余的蒸汽αC=(1-αA-αB)继续膨胀至p2后排入第一冷凝器。
作为一种优选的实施方式,第一锅炉的出气口和第一汽轮机的进气口相连通,第一汽轮机的出气口和第一冷凝器的进气口相连通,第一汽轮机的一侧同轴设置有发电机,第一冷凝器和第Ⅱ级回热加热器之间设置有第一水泵,第一冷凝器的出水口和第一水泵的进水口之间相连通,第一水泵的出水口和第Ⅱ级回热加热器的进水口相连通,第Ⅱ级回热加热器和第Ⅰ级回热加热器之间设置有第二水泵,第Ⅱ级回热加热器的出水口和第二水泵的进水口相连通,第二水泵的出水口和第Ⅰ级回热加热器的进水口相连通,第Ⅰ级回热加热器和第一锅炉之间设置有第三水泵,第Ⅰ级回热加热器的出水口和第三水泵的进水口相连通,第三水泵的出水口和第一锅炉的进水口相连通,其中第一汽轮机上设置有第一抽汽口和第二抽汽口,第一抽汽口和第Ⅰ级回热加热器的进气口相连通,蒸汽由第一抽汽口送至第Ⅰ级回热加热器的过程即为所述A,第二抽汽口和第Ⅱ级回热加热器的进气口相连通,蒸汽由第二抽汽口送至第Ⅱ级回热加热器的过程即为B。
作为一种优选的实施方式,第一汽轮机包括主汽轮机和回热式小汽轮机,所述新蒸汽由第一锅炉进入主汽轮机进行做功,做功后的一部分蒸汽进入回热式小汽轮机进行做功,另一部分蒸汽进入第一冷凝器中,蒸汽由回热式小汽轮机抽出,蒸汽αB由主汽轮机抽出。
作为一种优选的实施方式,主汽轮机包括第一汽轮机超高压汽缸、第一汽轮机高压汽缸、第一汽轮机中压汽缸和第一汽轮机低压汽缸,所述流量系数为1的新蒸汽由第一锅炉进入第一汽轮机超高压汽缸进行做功,做功后一部分蒸汽进入回热式小汽轮机中,另一部分蒸汽经过第一锅炉再热进入第一汽轮机高压汽缸进行做功,做功后的蒸汽进入第一汽轮机中压汽缸进行做功,做功后的蒸汽进入第一汽轮机低压汽缸进行做功,做功后的流量系数为2的蒸汽进入第一冷凝器中,蒸汽由第一汽轮机低压汽缸抽出。
作为一种优选的实施方式,第I级回热加热器共包括依次连接的5台,且第I级回热加热器均为高压加热器。
作为一种优选的实施方式,第II级回热加热器共包括依次连接的2台,且第II级回热加热器均为低压加热器。
作为一种优选的实施方式,2台第II级回热加热器的进气测之间通过管道连接,且管道上设置有调节阀。
作为一种优选的实施方式,步骤2和步骤4中定义的流量系数表示为:
作为一种优选的实施方式,定压放热过程包括如下步骤:
采用了上述技术方案后,本发明的有益效果是:
1、采用抽汽加热给水减轻了第一锅炉的热负荷,因此第一锅炉受热面得以减少,节省了金属材料。
2、进入第一冷凝器的乏汽减少,使第一冷凝器的换热面积得以减少,节省了金属材料。
3、汽耗率的增加使第一汽轮机高压段的蒸汽流量增大,抽汽又使第一汽轮机低压段的流量减小,从而使第一汽轮机的结构更为合理减少回热过程的平均换热温差,提高热力循环效率。
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性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程示意图;
图2为理想的回热循环示意图;
图3为理想的回热循环TS示意图;
图4为本发明回热循环示意图;
图5为本发明回热循环TS示意图。
图中,a-加热回热水套;b-第二锅炉;c-第二汽轮机;d-第二冷凝器;e-第四水泵;f-第一锅炉;j-第一汽轮机;h-第一冷凝器;i-第一水泵;g-第Ⅱ级回热加热器;k-第二水泵;o-第Ⅰ级回热加热器;n-第三水泵。
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作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。
如图1所示,一种回热循环效率的优化方法,包括步骤如下:
步骤1:确定热力系统中工质的流动路径、流量分配,以及循环中工质的状态变化,并设定由第一汽轮机j中抽汽至第Ⅰ级回热加热器o的过程为A,设定由第一汽轮机j中抽汽至第Ⅱ级回热加热器g的过程为B;
结合图2和图3所示,朗肯循环的理想回热循环,包括第二锅炉b、第二汽轮机c、第二冷凝器d、第四水泵e加热回热水套a,图中15表示蒸汽从第二锅炉b送至第二汽轮机c的过程,点15(状态点15)为此过程中某一状态点的流量,16表示蒸汽从第二汽轮机c送至第二冷凝器d的过程,点16(状态点16)为此过程中某一状态点的流量,17表示冷凝水从第二冷凝器d送至第四水泵e的过程,点17(状态点17)为此过程中某一状态点的流量,18表示冷凝水从第四水泵e送至加热回热水套a的过程,点18(状态点18)为此过程中某一状态点的流量。
蒸汽在第二汽轮机c中绝热膨胀至c点后,c点即为在第二汽轮机c中的某个状态点,即边膨胀边放热以加热回热水套a内的给水。第二汽轮机c中蒸汽放出的热量(图中面积cHG16c)正好等于水在低温吸热段18-a所吸入的热量(图中面积aFE18a),这样,第二锅炉b内水的吸热过程将从a点开始,循环的吸热过程由18-a-b-15变为a-b-15。由于消除了水的低温吸热段18-a,循环的平均吸热温度得以明显提高,循环热效率也随之提高。这里要说明的是,虽然低温段18-a同样吸入了热量,但与无回热的朗肯循环比较,不同之处在于此时的吸热量并非来自外部热源,而是来自循环内部的换热。
但是,这种理想的回热循环方法的实际困难在于,在第二汽轮机c缸外加上一层加热回热水套a使蒸汽在第二汽轮机c中放热膨胀的c-16段是难以实现的,而且放热膨胀使蒸汽干度大大下降也是第二汽轮机c工作所不允许的。在工程实用上按此原则略加改变,不是使用全部蒸汽在膨胀中放热,而是取出一部分用于回热给水,这就是分汽回热。如果每次取出蒸汽无穷小量,取无穷多次,则能达到极限回热。当然此无穷多次的分汽回热只是理论上的讨论,实际也是办不到的。而且分汽次数太多,会使系统设备复杂庞大,这也是不利的。
根据上述回热原理,用第一汽轮机j中的蒸汽来加热低温段的水,可以提高平均吸热温度,因此可以采取抽汽加热给水的方法来实现蒸汽回热循环。从第一汽轮机j中抽出部分已作过一些功的蒸汽,在回热加热器内加热给水,从而减少了低温水从热源的吸热,回热加热器包括第Ⅰ级回热加热器o和第Ⅱ级回热加热器g。
本发明采用双机回热系统,结合图4和图5所示,第一锅炉f的出气口和第一汽轮机j的进气口相连通,第一汽轮机j的出气口和第一冷凝器h的进气口相连通,第一汽轮机j的一侧同轴设置有发电机,第一冷凝器h和第Ⅱ级回热加热器g之间设置有第一水泵i,第一冷凝器h的出水口和第一水泵i的进水口之间相连通,第一水泵i的出水口和第Ⅱ级回热加热器g的进水口相连通,第Ⅱ级回热加热器g和第Ⅰ级回热加热器o之间设置有第二水泵k,第Ⅱ级回热加热器g的出水口和第二水泵k的进水口相连通,第二水泵k的出水口和第Ⅰ级回热加热器o的进水口相连通,第Ⅰ级回热加热器o和第一锅炉f之间设置有第三水泵n,第Ⅰ级回热加热器o的出水口和第三水泵n的进水口相连通,第三水泵n的出水口和第一锅炉f的进水口相连通,其中第一汽轮机j上设置有第一抽汽口和第二抽汽口,第一抽汽口和第Ⅰ级回热加热器o的进气口相连通,蒸汽由第一抽汽口送至第Ⅰ级回热加热器o的过程即为所述A,第二抽汽口和第Ⅱ级回热加热器g的进气口相连通,蒸汽由第二抽汽口送至第Ⅱ级回热加热器g的过程即为B。
第一汽轮机j包括主汽轮机和回热式小汽轮机,新蒸汽由第一锅炉f进入主汽轮机进行做功,做功后的一部分蒸汽进入回热式小汽轮机进行做功,另一部分蒸汽进入第一冷凝器h中,蒸汽由回热式小汽轮机抽出,蒸汽由主汽轮机抽出。
主汽轮机包括第一汽轮机超高压汽缸、第一汽轮机高压汽缸、第一汽轮机中压汽缸和第一汽轮机低压汽缸,所述流量系数为1的新蒸汽由第一锅炉f进入第一汽轮机超高压汽缸进行做功,做功后一部分蒸汽进入回热式小汽轮机中,另一部分蒸汽经过第一锅炉f再热进入第一汽轮机高压汽缸进行做功,做功后的蒸汽进入第一汽轮机中压汽缸进行做功,做功后的蒸汽进入第一汽轮机低压汽缸进行做功,做功后的流量系数为2的蒸汽进入第一冷凝器h中,蒸汽由第一汽轮机低压汽缸抽出。
第I级回热加热器o共包括依次连接的5台,且第I级回热加热器o均为高压加热器。第II级回热加热器g共包括依次连接的2台,且第II级回热加热器g均为低压加热器。2台第II级回热加热器n的进气侧之间通过管道连接,且管道上设置有调节阀,不同负荷时通过调节阀门开度控制小汽机背压。
定义的流量系数表示为:
步骤42:第一冷凝器h和第Ⅱ级回热加热器g之间设置有第一水泵i,步骤41中的凝结水经第一水泵i升压后送入第Ⅱ级回热加热器g,并在第Ⅱ级回热加热器g内与抽汽混合而被加热,流出第Ⅱ级回热加热器g的水为下的饱和水;
图中,1表示蒸汽从第一锅炉f送至第一汽轮机j的过程,点1(状态点1)为此过程中某一状态点的流量,2表示蒸汽从第一汽轮机j送至第一冷凝器h的过程,点2(状态点2)为此过程中某一状态点的流量,3表示凝结水从第一冷凝器h送至第一水泵i的过程,点3(状态点3)为此过程中某一状态点的流量,4表示凝结水从第一水泵i送至第Ⅰ级回热加热器o的过程,点4(状态点4)为此过程中某一状态点的流量,5表示凝结水从第Ⅰ级回热加热器o送至第二水泵k的过程,点5(状态点5)为此过程中某一点的流量,6表示凝结水从第二水泵k送至第Ⅱ级回热加热器g的过程,点6(状态点6)为此过程中某一点的流量,7表示给水第Ⅱ级回热加热器g送至第三水泵n的过程,点7(状态点7)为此过程中某一状态点的流量,8表示给水由第三水泵n送至第一锅炉f的过程,点8(状态点8)为此过程中某一状态点的流量。
流量系数为1、状态为的新蒸汽进入第一汽轮机j绝热膨胀作功,至压力为时抽出部分蒸汽(称为第一级抽汽),引至第Ⅰ级回热加热器o,其余蒸汽继续膨胀作功,至压力时又抽出(称为第二级抽汽)引至第Ⅱ级回热加热器g,剩余的蒸汽继续膨胀至后排入第一冷凝器h。
在第一冷凝器h中,的蒸汽经历下的定压放热过程,即向外部冷却水放出热量,凝结为饱和水(点3),此凝结水经水泵升压后(点4)送入第Ⅱ级回热加热器g,并在第Ⅱ级回热加热器g内与抽汽混合而被加热,流出第Ⅱ级回热加热器g的水为下的饱和水(点5),然后再经给水泵升压后(点6)送入第Ⅰ级回热加热器o与抽汽混合,流出第Ⅱ级回热加热器g的水(流量系数为1)为下的饱和水(点7),最后经第三水泵n升压后(点8)送入第一锅炉f,从外部吸热后又变为新蒸汽,完成循环。忽略泵功,图2中点3与点4、点5与点6、点7与点8分别重合。
结合下表:
根据上表可以看出本方法与常规方法具有如下优势:1、热经济性:THA、75%THA工况下,本方法经济性优于常规方法;热耗降低26kJ/kWh。低负荷调速装置效率下降,50%THA工况常规方法济性略高;在55%负荷率下,两种回热系统经济性相当;2、机组出力:与常规方法相比,本方法总功率增大约2.5%;3、再热蒸汽流量:与常规系统相比,本方法一次再热蒸汽流量减少约24%,二次再热蒸汽流量减少约10%。
本发明由于各级回热抽汽均为低能级抽汽,蒸汽过热度较小。能够减少回热过程的平均换热温差,提高热力循环效率。回热式小汽机对应的所有抽汽均未经过再热过程,其过热度将大幅降低。主汽轮机仅在第一汽轮机j超高压汽缸排汽以及第一汽轮机j低压汽缸设置有回热抽汽,汽缸结构简化,设计难度降低,提高汽机高、中压缸效率。一次再热蒸汽流量减少25%,二次再热蒸汽流量减少10%,节省第一锅炉f和管道的成本。降低高温抽汽管道和高加材料等级,降低成本;不设外置蒸汽冷却器,节省设备投入。
以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种回热循环效率的优化方法,其特征在于,包括步骤如下:
步骤1:确定热力系统中工质的流动路径、流量分配,以及循环中工质的状态变化,并设定由第一汽轮机中抽汽至第Ⅰ级回热加热器的过程为A,设定由第一汽轮机中抽汽至第Ⅱ级回热加热器的过程为B;
步骤2:定义流量系数为1、状态为p1,t1的新蒸汽由第一锅炉进入第一汽轮机进行绝热膨胀作功,至压力为PA时抽出部分蒸汽αA,引至第Ⅰ级回热加热器;
步骤3:将第一汽轮机中其余蒸汽1-αA继续膨胀作功,至压力PB时又抽出αB引至第Ⅱ级回热加热器;
所述定压放热过程包括如下步骤:
所述第一汽轮机包括主汽轮机和回热式小汽轮机,所述新蒸汽由第一锅炉进入主汽轮机进行做功,做功后的一部分蒸汽进入回热式小汽轮机进行做功,另一部分蒸汽进入第一冷凝器中,蒸汽由回热式小汽轮机抽出,蒸汽由主汽轮机抽出;
2.根据权利要求1所述的一种回热循环效率的优化方法,其特征在于,所述第一锅炉的出气口和第一汽轮机的进气口相连通,第一汽轮机的出气口和第一冷凝器的进气口相连通,第一汽轮机的一侧同轴设置有发电机,第一冷凝器和第Ⅱ级回热加热器之间设置有第一水泵,第一冷凝器的出水口和第一水泵的进水口之间相连通,第一水泵的出水口和第Ⅱ级回热加热器的进水口相连通,第Ⅱ级回热加热器和第Ⅰ级回热加热器之间设置有第二水泵,第Ⅱ级回热加热器的出水口和第二水泵的进水口相连通,第二水泵的出水口和第Ⅰ级回热加热器的进水口相连通,第Ⅰ级回热加热器和第一锅炉之间设置有第三水泵,第Ⅰ级回热加热器的出水口和第三水泵的进水口相连通,第三水泵的出水口和第一锅炉的进水口相连通,其中第一汽轮机上设置有第一抽汽口和第二抽汽口,第一抽汽口和第Ⅰ级回热加热器的进气口相连通,蒸汽由第一抽汽口送至第Ⅰ级回热加热器的过程即为所述A,第二抽汽口和第Ⅱ级回热加热器的进气口相连通,蒸汽由第二抽汽口送至第Ⅱ级回热加热器的过程即为B。
3.根据权利要求1所述的一种回热循环效率的优化方法,其特征在于,所述第Ⅰ级回热加热器共包括依次连接的5台,且第Ⅰ级回热加热器均为高压加热器。
4.根据权利要求1所述的一种回热循环效率的优化方法,其特征在于,所述第Ⅱ级回热加热器共包括依次连接的2台,且第Ⅱ级回热加热器均为低压加热器。
5.根据权利要求4所述的一种回热循环效率的优化方法,其特征在于,所述2台第Ⅱ级回热加热器的进气侧之间通过管道连接,且管道上设置有调节阀。
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