供热机组中压缸排汽参数的确定方法

林振娴，杨勇平，何坚忍，赵志渊

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京，102206)

摘要：将热用户、热网、热网加热器和供热机组作为一个整体系统，以热网加热器为切入点，根据供暖期内室外环境温度的变化，计算热用户所需热负荷和热网加热器水侧参数，根据传热学理论计算热网加热器汽侧所需参数；结合汽轮机特性，根据热电联产系统联合特性，推算供热机组中压缸的排汽参数。建立供热机组中压缸排汽参数的数学模型，进行迭代计算，得到供热机组中压缸排汽参数的精确计算结果。研究结果表明：采用该方法，可准确计算在整个供暖期内满足不同热需求时所需的供热抽汽参数，为热电厂的运行调节起到指导作用；解决了供热机组变工况功率计算中确定第二冷源参数的问题，为供热机组变工况计算提供了条件；用准确的量化数字为热电联产领域的深入研究提供了可靠依据。

关键词：热电联产；供热机组；中压缸；排汽参数；环境温度；数学模型

中图分类号：TK 269.+2；TK212.+1          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)10-3201-06

A new method for determining exhaust parameters of medium-pressure cylinder of heating units

LIN Zhen-xian, YANG Yong-ping, HE Jian-ren, ZHAO Zhi-yuan

(School of Energy & Power Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Abstract: The heat user, heat network and thermal-system heater were taken as a whole, the heat load needed by the heat users and water-side parameters of thermal-system heater were calculated based on the thermal-system heater, and according to the change of outdoor ambient temperature during the heating period, and the exhaust parameters of medium-pressure cylinder of heating units were determined after calculating the steam-side parameters of thermal-system heater according to the heat transfer theory and combined with the performance of turbine and the combined performance of cogeneration system. The accurate calculation of medium-pressure exhaust parameters of heating units was done through establishing its mathematical model and iterative calculation. The results show that the extraction parameters for heating, which meets the different heat needs during the whole heating period, are calculated accurately in this method, and can be used as a guide to regulate the operation of power plant. The problem of how to determine the parameters of the second cold source in the off-design power calculation of heating units is solved and the conditions for the heating units off-design calculating is provided. The reliable basis for the depth research of cogeneration field can be provided using the accurate quantitative data.

Key words: cogeneration; heating units; medium-pressure cylinder; exhaust parameters; ambient temperature; mathematical models

热电联产是从同一个一次能源系统中生产电能(机械能)，又将发电后的余热用于供热的联合生产过程。热电联产是一种先进的能源利用形式，不但提高能源利用率，而且改善环境质量。随着我国城市化进程步伐的加快，对能源需求进一步增加，使能源利用与环境恶化的矛盾日益尖锐，对热电联产这项公认的节能技术提出了更高的要求^[1-4]。供热机组相对于凝汽机组而言，供热机组产生热、电2种不同能量，其用途也各不相同，使得供热机组比凝汽机组更加复杂，对供热机组的研究难度也就更大。目前，有关热电联产总能耗量的分配方法有很多，如归电法、归热法和做功能力法等，各种方法都有一定的合理性和局限性，因此，从理论上探讨热电厂总热耗量的合理分配，仍是发展热电联产过程中迫切需要解决的问题。评价热电联产经济性指标也有很多，但都不够完善，孙奉仲等^[5-7]提出将供热机组由于供热抽汽而减少的发电量与供热量的比值作为一种能源利用评价的标准，体现供热机组对冷源领域合理用能的先进程度。解决这些问题的根本就是要深入分析热电联产的特性，并能够准确计算供热机组的变工况功率。计算凝汽机组变工况时需要知道机组的初参数和排汽参数，而供热机组有2个冷源，不但要知道机组低压缸的排汽参数，而且需要知道中压缸的排汽参数，热用户的热负荷在供暖期内是随室外环境温度变化的，相应地，中压缸排汽参数也是变化的。供热机组中压缸排汽参数的准确计算成为了目前研究的一个瓶颈。为此，本文作者根据热电联产系统联合特性，以室外环境温度为基础，计算热网的供、回水温度、热网加热器汽侧所需的蒸汽参数，最后推算出中压缸的排汽参数^[8-9]。

1  供热机组中压缸排汽参数计算原理及方法

1.1  热网加热器参数计算

1.1.1  热网加热器水侧温度

热网加热器作为供热流冷源，是能量转换设备。将热用户、热网、热网加热器和供热机组作为一个整体系统，以热网加热器为切入点，根据室外环境温度确定热用户所需热负荷及热网的供、回水温度，也就确定了供热机组的中压缸排汽焓所放出的热量和热网加热器水侧的进、出口温度。

根据供热系统的基本原理和计算公式，已知设计工况参数确定室外温度与热网供、回水的函数关    系^[10]，即热网加热器水侧的进、出口温度。图1所示为室外温度与热网供回水温度的示意图。

   (1)

    (2)

式中：为相对热量比，；t_g，t_h，t_n和t_w分别为热网供水、回水、室温和环境温度，t′_g，t′_h，t′_n和t′_w表示t_g，t_h，t_n和t_w的设计值；b为散热器的传热指数；φ为相对流量比。

图1  热网特性曲线示意图

Fig.1  Performance curves of thermal-system

热网的供、回水温度t_g和t_h是相对热负荷比的单值函数，即室外温度t_w的单值函数。随着室外温度t_w的升高，热网和供暖系统的供、回水的温度随之降低，供、回水温差也随之减小。根据能量合理匹配的原则，理论上供热汽轮机的供热抽汽压力也应随室外温度升高而降低。

1.1.2  热网加热器汽侧参数

已知热网加热器水侧的温度，根据热网加热器全工况特性，准确计算出热网加热器的传热系数K^[11-13]。

已知热网加热器的传热系数K，计算热网加热器端差。端差公式为^[14]：

           (3)

式中：Δt为换热器水侧温升，℃；A为换热面积，m²；c_p为水侧的比热容，kJ/(kg·℃)；M为水侧流量，kg/h。

当热网加热器端差确定后，就可得出加热热网水从温度t_h到t_g，热网加热器所需饱和蒸汽温度t_s及该温度下热网加热器的饱和蒸汽压力p_s=f(t_s)和饱和水焓h=f(t_s)。

             (4)

确定热网加热器换热量Q，换热量公式为^[14]：

              (5)

式中：Δt_m为换热器平均温差，℃；

1.2  热网加热器参数计算

热网加热器汽侧的进口参数t_s和p_s有别于中压缸排汽参数。因为根据热电联产系统的联合特性，图2所示为热电联产系统供热机组联合特性曲线示意图，供热机组中压缸排汽压力分别由汽轮机低压缸特性和热网加热器特性决定，即中压缸排汽压力随两者之间压力较大的一方变化，中压缸排汽压力沿着曲线ABC变化，呈“V”字型，在无节流工况前，中压缸排汽压力随低压缸特性变化，供热抽汽控制阀不是呈全开状态，存在节流损失，这时，中压缸的排汽参数不等于热网加热器汽侧的进口参数；而在无节流工况之时和无节流工况之后，供热抽汽控制阀全开，如不考虑管道阻力，这时中压缸的排汽参数等于热网加热器汽侧的进口参数^[15]。

中压缸排汽压力p_z为：p_z=max(p_L，p_s)。其中：p_L为低压缸进口压力。

图2  热电联产系统供热机组联合特性曲线示意图

Fig.2  Combined performance curves of heating units of cogeneration system

1.3  供热机组中压缸排汽焓和排汽温度计算

中压缸的热力过程示意图如图3所示。由于中压缸的进汽流量不变，已知中压缸的排汽压力和额定工况时中压缸的初压和背压，根据弗留格尔公式，计算出中压缸该排汽压力时的初压；又据中压缸的进口温度不变，计算中压缸该排汽压力时的进口焓；根据中压缸的初压和排汽压力确定其理想焓降，再乘以中压缸的效率，可确定中压缸在该排汽压力时的实际焓降；中压缸在该排汽压力时的排汽焓为其进口焓与其实际焓降之差。弗留格尔公式为^[16]：

           (6)

式中：G为中压缸额定工况时的流量；p₀为中压缸额定工况时的进汽压力；p_g为中压缸额定工况时的背压； G₁为中压缸任意工况时的流量；p₀₁为中压缸流量为G₁时的初压；p_g1为中压缸流量为G₁时的背压。

图3  中压缸热力过程示意图

Fig.3  Thermal-procedure of medium-pressure cylinder

为提高计算精度，也可用上述方法对中压缸各段的参数进行计算，最后推出中压缸的排汽焓。

供热机组中压缸排汽温度t_z=f(p_z，h_z)，为中压缸排汽压力p_z和排汽焓h_z的函数。

1.4  供热机组中压缸排汽量计算

根据传热学的基本理论，忽略设备的散热损失和阻力，热网加热器的换热量等于热网水的吸热量，也等于中压缸排汽焓的放热量。中压缸排汽流量为热网加热器水侧吸热量与中压缸过热蒸汽放热焓之比。

中压缸过热蒸汽放热焓Δh等于中压缸排汽焓h_z与热网加热器汽侧饱和水焓h之差，即Δh=h_z-h。

供热机组中压缸排汽流量G_z为：

                 (7)

通过上述分析，建立了完整的中压缸排汽参数的数学模型，需要通过迭代计算的方法计算中压缸的排汽参数，具体逻辑关系见图4。

图4  供热机组中压缸排汽参数计算的逻辑关系图

Fig.4  Calculation logic diagram of medium-pressure cylinder exhaust parameters of heating unit

2  实例计算及分析

以某300 MW电厂2008—2009年度6号机热网加热器供热期数据为例进行计算。该电厂采用2台汽轮机串联模式运行，6号机热网加热器为二级尖峰加热器，已知热网加热器型号、热网的供回水温度、水量和换热量，运用上述方法进行计算，结果见表1。分析表1可知：

(1) 供热期内，热网供、回水温和水量的变化会导致热网加热器传热系数K发生变化。

表1  某300 MW热电厂2008—2009年度供热期计算结果

Table 1  Calculation results of a 300 MW power plant in 2008—2009 heating period

(2) 换热量的计算值与实际运行值的相对误差小于1%，说明上述模型的建立是合理的，并且计算精度较高。

(3) 在给出的热网供、回水温度下，中压缸排汽压力大于热网加热器汽侧入口压力，可判断该状态在无节流工况之前运行，即在图2中AB段之间运行，此时供热抽汽控制阀存在节流损失，p_z＞p_o；随着热负荷的增加，热网供、回水温度和温差都随之增加，要求中压缸排汽量增加，供热抽汽控制阀开度逐渐增大，节流损失逐渐减小，Δp逐渐减小，逐渐接近无节流工况运行。

3  结论

(1) 针对热电联产系统的联合特性，通过热网加热器将热用户的热需求和供热机组中压缸排汽参数紧密结合在一起。根据传热学理论和汽轮机朗肯循环的原理，建立数学模型，准确计算出在不同的室外环境温度下，供热机组中压缸排汽参数即供热抽汽参数。所得数据可靠性高，应用范围广，可对整个供热期进行计算。

(2) 供热机组中压缸的排汽参数不等于热网加热器汽侧的进口参数。因为中压缸背压呈“V”字型变化，中压缸排汽压力等于热网加热器汽侧进口压力和低压缸进口压力中的较大值。只有在无节流工况时和无节流工况后，中压缸排汽参数和热网加热器汽侧的进口参数相同。

(3) 供热机组中压缸排汽参数的确定解决了供热机组第二冷源排汽参数的问题，为供热机组变工况功率计算提供了条件。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2010-11-05；修回日期：2011-01-28

基金项目：国家重点基础研究发展规划(“973”计划)项目(2009CB219801)

通信作者：林振娴(1982-)，女，内蒙古自治区海拉尔人，博士研究生，从事热电联产领域的研究；电话：13426327764；E-mail：lzxttw@163.com