CN111639417B - 一种余热利用发电汽轮机蒸汽参数优选方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于节能领域，公开了一种余热利用发电汽轮机蒸汽参数优选方法及系统。可以根据锅炉给出的蒸汽参数(温度、压力)，迅速计算出这种蒸汽参数值对于汽轮机来说是否是最佳、最安全可靠的。在实际生产中，锅炉厂家给出的蒸汽参数，再经过此方法的优化，在温度不变的前提下，可以给出适用于汽轮机的最优参数，再将此参数反馈给锅炉厂家和用户，进而可比较整个系统发电量的提升与造价提升之间的优劣，最终得到系统的最优蒸汽参数。

Description

一种余热利用发电汽轮机蒸汽参数优选方法及系统

技术领域

本发明属于节能领域，涉及烧结余热、大烟道余热、煤气利用等方面的余热利用领域，尤其涉及一种余热利用发电汽轮机蒸汽参数优选方法及系统。

背景技术

在目前节能减排的能源发展趋势下，余热利用成为国内外石化、化工、冶金等行业大力发展的项目，在冶金企业的烧结余热、大烟道余热、煤气利用等方面的余热利用尤其较多，余热利用项目的核心设备之一就是蒸汽轮机和余热锅炉，余热锅炉产生的蒸汽参数相对于传统较为标准化的中温中压蒸汽参数、高温高压蒸汽参数、超高温超高压蒸汽参数、亚临界超高温蒸汽等参数有所不同，其通常温度和压力较低且波动范围较大，没有标准化的蒸汽参数，而蒸汽参数的变化对蒸汽轮机的输出功率、运行效率有很大影响。

现有技术常涉及两种获取蒸汽参数范围的方法：

一是通过相关的技术标准如基于锅炉蒸发量或者汽轮机发电量来规定锅炉出口或者汽轮机入口蒸汽参数的优选参考值，但是此方法获得的参数不具有连续性且系列化参数组不多，尤其是随着余热利用技术方案的不断发电和改进，上述系列化参数不能够完全涵盖目前余热锅炉的蒸汽参数范围，因此参考价值有限。

二是根据余热锅炉的工艺流程及热力学方程计算蒸汽参数，此方法要结合设计经验确定系统不可逆性的大小、锅炉热损失等值，而且要考虑锅炉的造价等各个因素，最终的蒸汽参数值是考虑了锅炉本身的各个因素，很有参考价值，也是目前余热锅炉常用的设计方案，但是余热发电系统除了包含锅炉系统以外，最重要的是汽轮机系统，这种方法并没有充分考虑蒸汽参数对汽轮机系统的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种余热利用发电汽轮机蒸汽参数优选方法及系统，用以解决现有技术中未经优化设定的蒸汽参数对汽轮机运行造成不良影响的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种余热利用发电汽轮机蒸汽参数优选方法，包括如下步骤：

步骤1：在x和y的二维坐标系下根据发电汽轮机进口温度T₀、内效率η_s和排汽压力P_out绘制曲线a、b、c和d，曲线a的表达式为：

其中，P₀表示汽轮机进口压力，Δh₀表示进出口有效焓降，

表示进口蒸汽比焓，

表示理想排汽比焓，S₀表示给水状态熵；

曲线b的表达式为：

其中，X_out表示汽轮机排汽干度，

h_out＝h₀-(h₀-h_out)*η_S，h₀表示进口比焓，h_out表示排汽实际比焓；

曲线c的表达式为：

其中，c∈(0.8,1.0)；

曲线d的表达式为：

其中，y_k为

的一次导数函数；

步骤2：根据步骤1得到的曲线b、c和d，在曲线d上恒定点所在垂直线的左侧区域内进行判断：

若曲线b和c有交点，则将交点的横坐标值作为汽轮机进口压力优选值；

若曲线b和c无交点，则将曲线d上恒定点的横坐标值作为汽轮机进口压力优选值。

进一步的，步骤1中c＝0.88。

一种余热利用发电汽轮机蒸汽参数优选系统，包括蒸汽参数输入模块，曲线拟合模块和参数优选模块；

所述蒸汽参数输入模块用于设置发电汽轮机进口温度T₀、内效率η_s和排汽压力P_out；

所述曲线拟合模块用于在x和y的二维坐标系下根据发电汽轮机进口温度T₀、内效率η_s和排汽压力P_out绘制曲线a、b、c和d，曲线a的表达式为：

其中，P₀表示汽轮机进口压力，Δh₀表示进出口有效焓降，

表示进口蒸汽比焓，

表示理想排汽比焓，S₀表示给水状态熵；

曲线b的表达式为：

其中，X_out表示汽轮机排汽干度，

h_out＝h₀-(h₀-h_out)*η_S，h₀表示进口比焓，h_out表示排汽实际比焓；

曲线c的表达式为：

其中，c∈(0.8,1.0)；

曲线c的表达式为：

其中，y_k为

的一次导数函数；

所述参数优选模块根据曲线拟合模块得到的曲线b、c和d，在曲线d上恒定点所在垂直线的左侧区域内进行判断：

若曲线b和c有交点，则将交点的横坐标值作为汽轮机进口压力优选值；

若曲线b和c无交点，则将曲线d上恒定点的横坐标值作为汽轮机进口压力优选值。

进一步的，曲线拟合模块中c＝0.88。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

(1)本发明能够根据锅炉给出的蒸汽参数(温度、压力)，判断出所给的蒸汽参数对于汽轮机来说是否是最佳、最安全可靠的。还能够根据锅炉厂家给出的蒸汽参数，再经过优化，在温度不变的前提下，可给出适用于汽轮机的最优参数。

(2)本发明所提供的优选的蒸汽参数的计算结果，一方面可以提供给用户作为参考，有助于其在制定整体系统方案过程中考虑更加全面，系统效率更高。另一方面，可以给锅炉厂家作为参考，并且可以结合锅炉厂家的计算结果，可比较整个系统发电量的提升与造价提升之间的优劣，最终为用户提供最为合理的热平衡系统。最后，通常汽轮机厂家不参与锅炉蒸汽参数的设计，通过本发明的应用我们可以更加深入的了解项目，对未来分布式能源系统解决方案的发展打下好的基础。

(3)在实际运行中也可通过采用各个蒸汽参数点的试算法求得较为合理的蒸汽波动范围，但是需要消耗大量的计算时间和数据处理时间，本发明所提供的确定最佳蒸汽参数的方法，相比现有方法，更加快速、准确、有效。

附图说明

图1为较低温进汽(300℃以下)参数优选示意图；

图2为中温进汽(300℃～435℃)参数优选示意图；

图3为高温、次高温进汽(450℃～540℃)参数优选示意图；

图4为高温、超高温进汽(530℃以上)参数优选示意图；

图5为实施例1蒸汽参数优选示意图。

具体实施方式

在本实施例中压力的单位为MPa，焓降单位为kJ/kg，温度的单位为℃。

在本实施例中公开了一种余热利用发电汽轮机蒸汽参数优选方法，包括如下步骤：

步骤1：在x和y的二维坐标系下根据发电汽轮机进口温度T₀、内效率η_s和排汽压力P_out绘制曲线a、b、c和d，曲线a进汽压力--有效焓降曲线的表达式为：

其中，P₀表示汽轮机进口压力，Δh₀表示进出口有效焓降，

表示进口蒸汽比焓，

表示理想排汽比焓，S₀表示给水状态熵；

曲线b进汽压力--排汽干度曲线的表达式为：

其中，X_out表示汽轮机排汽干度，

表示根据P_out和h_out查询水蒸气表获得排汽干度，h_out＝h₀-(h₀-h_out)*η_S，h₀表示进口比焓，h_out表示排汽实际比焓；

曲线c干度直线的表达式为：

其中，c∈(0.8,1.0)；

曲线d为(a)的一次导数曲线的表达式为：

其中，y_k为

的一次导数函数；

步骤2：根据步骤1得到的曲线b、c和d，在曲线d上斜率趋于不变(即曲线d趋于恒定)的点所在垂直线的左侧区域内进行判断：

若曲线b和c有交点，此时蒸汽温度较低，选定交点P对应横坐标值为最佳压力值，如附图1和2中所示，此时若再增加压力P₀，会增加排汽湿度，因此可以根据需要改变曲线c的干度值，例如饱和蒸汽余热利用的情况；

若曲线b和c无交点，则将曲线d上恒定点P1对应的横坐标值作为汽轮机进口压力优选值。此时蒸汽温度较高，如附图3所示。

关于恒定点的解释：

随着P₀的增加，当进汽压力变化值与对应的有效焓降变化值之比：

称为恒定状态，即当曲线d的纵坐标值小于等于5时作为恒定状态。上式等号成立时对应的点为恒定点。当压力再增加时，有效焓降的变化率很小，因此没有必要再增加压力，恒定点对应的压力即为此时最佳建议压力值。

由于汽轮机在运行过程中，进口蒸汽温度、等熵效率、排汽压力一定的情况下，进口蒸汽压力越高，入口焓值越低，排汽焓值越低，此时判定汽轮机的输出功率是否增加，取决于汽轮机进出口的焓降，通常进口压力越高，焓降越大；但当压力增加到一定程度后，有效焓降增加非常缓慢，此时再增加压力对汽轮机系统的影响很小，而且排汽湿度可能过高，超过允许值而影响汽轮机后几级的运行效率以及叶片的使用寿命。入口蒸汽参数的优化选择受进出口有效焓降Δh₀、排汽湿度x_out的影响，即汽轮机进口压力P₀、进口温度T₀、内效率η_s、排汽压力P_out四个因素；其中P₀、T₀、η_s和Δh₀呈正相关，P_out与Δh₀呈反相关；P₀增加、η_s增加、P_out增加会导致x_out增加；当T₀一定时，P₀增加到一定值以后有效焓降增加幅度会越来越小，此时通过增加成本而增加P₀后得到的收益越来越不经济。

因此，本方法设定温度一定，预先给定机组的排汽压力、内效率能够迅速得到余热蒸汽参数对于汽轮机的最佳值。其计算结果，一方面可以提供给用户作为参考，有助于其在制定整体系统方案过程中考虑更加全面，系统效率更高。

优选的，步骤1中c＝0.88，常规情况下排汽干度小于0.88不利于汽轮机的长期可靠运行。如汽轮机配除湿装置或采用钛合金叶片等特殊手段，通过修正c值可适当减小。

一种余热利用发电汽轮机蒸汽参数优选系统，包括蒸汽参数输入模块，曲线拟合模块和参数优选模块；

所述蒸汽参数输入模块用于设置发电汽轮机进口温度T₀、内效率η_s和排汽压力P_out；

所述曲线拟合模块用于在x和y的二维坐标系下根据发电汽轮机进口温度T₀、内效率η_s和排汽压力P_out绘制曲线a、b、c和d，曲线a的表达式为：

其中，P₀表示汽轮机进口压力，Δh₀表示进出口有效焓降，

表示进口蒸汽比焓，

表示理想排汽比焓，S₀表示给水状态熵；

曲线b的表达式为：

其中，X_out表示汽轮机排汽干度，

h_out＝h₀-(h₀-h_out)*η_S，h₀表示进口比焓，h_out表示排汽实际比焓；

曲线c的表达式为：

其中，c∈(0.8,1.0)；

曲线c的表达式为：

其中，y_k为

的一次导数函数；

所述参数优选模块根据曲线拟合模块得到的曲线b、c和d，在曲线d上恒定点所在垂直线的左侧区域内进行判断：

若曲线b和c有交点，则将交点的横坐标值作为汽轮机进口压力优选值；

若曲线b和c无交点，则将曲线d上恒定点对应的横坐标值作为汽轮机进口压力优选值。

优选的，曲线拟合模块中c＝0.88，常规情况下排汽干度小于0.88不利于汽轮机的长期可靠运行。如汽轮机配除湿装置或采用钛合金叶片等特殊手段，通过修正c值可适当减小。

曲线a为随着横坐标压力P₀增加，纵坐标有效焓降Δh₀的变化情况，可作为辅助参考。随着温度的不断增加，沿着横坐标压力增加的方向，交点P对应横坐标值与恒定点P1对应横坐标值之间的差值越来越大，此时，P1点对应的横坐标依然可作为一个优选值，而P点对应横坐标的则可作为是否增加再热系统的参考值，如附图4所示。

实施例1

在本实施例中给定了初步蒸汽参数为：1.5MPaA，280℃，流量25t/h，以此作为其余热项目发电汽轮机所用蒸汽参数。

以280℃作为给定温度，对应汽轮机机型内效率约80％，排汽压力设计为0.01MPaA，确保排汽干度大于等于0.88，采用插值法求得交点压力为1.92MPaA，如附图5所示。有效焓降提升约23kJ/kg，输出功率增加158kW，发电量提升约3.6％。当然，此时也可继续增加蒸汽压力以增加发电量，但是会增加汽轮机成本，同时压力增加过多会增加锅炉的成本，综合考虑后，用户采用了1.92MPaA，280℃的蒸汽参数建议。

Claims (4)

1.一种余热利用发电汽轮机蒸汽参数优选方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在x和y的二维坐标系下根据发电汽轮机进口温度T₀、内效率η_s和排汽压力P_out绘制曲线a、b、c和d，曲线a的表达式为：

其中，P₀表示汽轮机进口压力，Δh₀表示进出口有效焓降，

表示进口蒸汽比焓，

表示理想排汽比焓，S₀表示给水状态熵；

曲线b的表达式为：

其中，X_out表示汽轮机排汽干度，

h_out＝h₀-(h₀-h_out)*η_S，h₀表示进口比焓，h_out表示排汽实际比焓；

曲线c的表达式为：

其中，c∈(0.8,1.0)；

曲线d的表达式为：

其中，y_k为

的一次导数函数；

步骤2：根据步骤1得到的曲线b、c和d，曲线d上恒定点所在垂直线的左侧区域内进行判断：

若曲线b和c有交点，则将交点的横坐标值作为汽轮机进口压力优选值；

若曲线b和c无交点，则将曲线d恒定点的横坐标值作为汽轮机进口压力优选值。

2.如权利要求1所述的余热利用发电汽轮机蒸汽参数优选方法，其特征在于：步骤1中c＝0.88。

3.一种余热利用发电汽轮机蒸汽参数优选系统，其特征在于，包括蒸汽参数输入模块，曲线拟合模块和参数优选模块；

所述蒸汽参数输入模块用于设置发电汽轮机进口温度T₀、内效率η_s和排汽压力P_out；

所述曲线拟合模块用于在x和y的二维坐标系下根据发电汽轮机进口温度T₀、内效率η_s和排汽压力P_out绘制曲线a、b、c和d，曲线a的表达式为：

其中，P₀表示汽轮机进口压力，Δh₀表示进出口有效焓降，

表示进口蒸汽比焓，

表示理想排汽比焓，S₀表示给水状态熵；

曲线b的表达式为：

其中，X_out表示汽轮机排汽干度，

h_out＝h₀-(h₀-h_out)*η_S，h₀表示进口比焓，h_out表示排汽实际比焓；

曲线c的表达式为：

其中，c∈(0.8,1.0)；

曲线c的表达式为：

其中，y_k为

的一次导数函数；

所述参数优选模块根据曲线拟合模块得到的曲线b、c和d，在曲线d上恒定点所在垂直线的左侧区域内进行判断：

若曲线b和c有交点，则将交点的横坐标值作为汽轮机进口压力优选值；

若曲线b和c无交点，则将曲线d上恒定点的横坐标值作为汽轮机进口压力优选值。

4.如权利要求2所述的余热利用发电汽轮机蒸汽参数优选系统，其特征在于，曲线拟合模块中c＝0.88。

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