汽轮机缸效率和热耗值之间关系的分析研究

李少华，姚 亮，宋东辉，许乐飞，郑 楠

(东北电力大学能源与机械工程学院，吉林吉林 132012)

汽轮机缸效率和热耗值之间关系的分析研究

李少华，姚 亮，宋东辉，许乐飞，郑 楠

(东北电力大学能源与机械工程学院，吉林吉林 132012)

阐述了汽轮机高压缸、中压缸、低压缸效率和热耗率的计算方法，推导出了缸效率和热耗率之间的关系式，并以某电厂亚临界600 MW机组为例，采用不同工况下的热力性能测试实验数据对汽轮机高压缸、中压缸、低压缸效率进行了计算，分析了不同工况下机组各缸效率变化对热耗值的影响程度，合理评价了机组的运行经济性。

汽轮机;缸效率;热耗率;关系分析

0 引言

目前，电厂运行过程中仅通过汽耗率和热耗率指标已无法对再热式汽轮发电机组的经济性进行合理评价［1］，而作为反映蒸汽在汽轮机内部膨胀和做功能力大小的缸效率已经成为汽轮机经济性研究的一个重要指标。由于现行机组的实际运行状态与设计运行条件存在明显差异，汽轮机缸本体能耗也会随着汽轮机各缸效率偏离设计工况产生较大的变化，通过分析缸效率和机组热耗率之间关系能为机组经济性能诊断提供依据，因此，本文阐述了汽轮机高压缸、中压缸、低压缸效率和热耗率的计算方法，并分析了不同工况下机组各缸效率变化对热耗值的影响程度，对今后电站的节能减排有一定的指导意义。

1 电厂汽轮机缸效率的计算

汽轮机缸效率为蒸汽在汽轮机中的实际焓降与理想焓降之比。通过蒸汽在汽轮机中做功实际焓降和理想焓降计算汽轮机缸效率，包含蒸汽在进汽阀和调节阀中的压力损失，不过高压缸、中压缸、低压缸的效率计算表达式是一致的，故可统一进行表述［2］，即

式中:η为汽轮机缸效率;Hoi为各缸进口蒸汽焓，kJ/kg;Hci为各缸实际出口蒸汽焓，kJ/kg;Hsoi为各缸理想蒸汽出口焓，kJ/kg。

由此可知，只要绘出汽轮机各缸的膨胀热力曲线，就能由式(1)计算汽轮机各缸的缸效率。图1为蒸汽在汽轮机内部膨胀曲线。

2 汽轮机组热耗率计算

在电厂经济性监控中，热耗率能够评价不同参数汽轮机组的热经济性。通常热耗率指电厂每产生1 kW·h的电能所消耗的热量，而汽轮机热耗率为进入汽轮机系统的总热量和离开系统的总热量的差值与发电机输出功率的比值。

图1 蒸汽在汽轮机中的膨胀曲线

对于再热式汽轮机组，热耗率的计算可表示为

式中:q 为汽轮机组热耗率，kJ/kW·h;Wqj、Wgs、Wzr、Wlz、Wzj、Wgj分别为汽轮机主蒸汽流量、给水流量、再热器蒸汽流量、冷再蒸汽流量、再热器减温水流量、过热器减温水流量，kg/h;Hqj、Hgs、Hzr、Hlz、Hzj、Hgj分别为汽轮机主蒸汽焓值、给水焓值、再热器蒸汽焓值、冷再蒸汽焓值、再热器减温水焓值、过热器减温水焓值，kJ/kg;Pel为发电机输出电功率，kW。

3 汽轮机组热耗率与缸效率的关系

在火力发电机组中，锅炉产生的主蒸汽进入汽轮机后，以高温高压蒸汽的形式在汽轮机中进行热功转换，克服各项损失后，由发电机输出有效电功率。这个过程的能量传递方程为［3］

式中:Q为进出汽轮机总热量的差值(包括中间再热输入热量)，kJ/h;Pt为汽轮机的理想功率，表示在单位时间内蒸汽理想焓降全部转换成的机械功，kW;Pi为汽轮机的实际内功率，表示在单位时间内蒸汽实际焓降全部转换成的机械功，kW;Pm为汽轮机的轴端功率，kW;ηm为机械效率;ηri为缸效率;ηg为电气效率。

由式(3)可得反平衡法热耗率计算式为

式(4)即为汽轮发电机组热耗率与缸效率的表达式，汽轮机组热耗率与缸效率成反比关系。

依据文献［4］按设计参数计算得到高压缸效率变化1%时对机组热耗影响值的表达式为

式中:ηk为高压缸效率;q为机组设计热耗率，kJ/kW·h;H0k为高压缸等熵焓降，kJ/kg;W0z为高压缸折算流量;Wr为高压缸排汽流量，kg/h。该式主要考虑到了机组运行时再热循环，把机组实际消耗热量考虑在内，并通过折算流量确定高压缸实际热耗。在忽略中压缸冷却蒸汽量的情况下，高压缸折算流量的计算可表示为

式中:W0、Wm、Wz、Wl分别为主蒸汽流量、高压门杆漏汽量、高压缸前汽封漏汽量、一段抽汽流量，kg/h，H0、Ht、H1、H2分别为主蒸汽焓、调节级后焓、一段抽汽焓、高压缸排汽焓，kJ/kg。

同理，依据文献［4］可得中压缸效率和热耗率之间的关系，即中压缸效率变化1%时机组热耗率的变化量，可表示为

式中:η1为中压缸效率;H01为中压缸等熵焓降，kJ/kg;Wrz为中压缸折算流量，kg/h。

在忽略高压缸后轴封漏汽流量、再热减温水流量及中压缸冷却蒸汽流量的情况下，中压缸折算流量计算可表达为

式中:W3、W4、W5分别为三段抽汽流量、四段抽汽流量、五段抽汽流量，kg/h;Hr、H3、H4、H5、H6分别为三段抽汽焓、四段抽汽焓、五段抽汽焓、中压缸排汽焓，kJ/kg。

同理，可得低压缸效率和机组热耗率之间的关系式为

式中:ηp为低压缸效率;H0p为低压缸等熵焓降，kJ/kg;Wpz为低压缸折算流量，kg/h。

低压缸折算流量计算可表示为

式中:Wps、W7、W8分别为低压缸进汽流量、七段抽汽流量、八段抽汽流量，kg;Hps、H7、H8、Hk分别为低压缸进汽焓、七段抽汽焓、八段抽汽焓、低压缸排汽焓，kJ/kg。

表1 机组基本热力计算参数

4 计算实例

以某电厂600 MW汽轮发电机组为例，该600 MW汽轮机组是一次中间再热、单轴、三缸四排汽、空冷凝汽式汽轮机，亚临界工作条件下具有八级非调整回热抽汽。表1为该机组不同运行工况下基本的热力参数。

通过上述计算方法分别对不同运行状态和工况下高压缸效率、中压缸效率和低压缸效率进行了计算，以求得到各运行状态下各缸效率随不同工况变化的趋势。在不同运行状态和工况下计算得到的各缸效率如表2所示。THA运行不同状态不同负荷下各缸效率变化曲线如图2所示。

表2 汽轮发电机组各缸效率的计算数据 %

从表2和图2可以看出，汽轮机高压缸效率在定压运行下随负荷变化曲线逐渐攀升，效率变化幅度较大。主要因为汽轮机定压运行时高压进汽阀门处于节流调节状态，随着工况负荷的提高，理想焓降基本保持不变，实际焓降变化逐渐变小，使式(1)计算的高压缸效率提高明显;再热蒸汽焓值变化不大，中压缸实际焓降和理想焓降均保持在一定数值范围内，故中压缸效率基本保持不变。当汽轮机滑压运行时，主蒸汽温度和再热蒸汽温度保持不变，汽轮机低压缸内部蒸汽的容积流量基本不变，速比、焓降趋于稳定;随着负荷的变小，主蒸汽压力降低，汽轮机湿气损失随之减小，汽轮机缸效率仍很高。

图2 THA运行不同状态不同负荷下各缸效率变化曲线

结合热耗率公式，对汽轮机各缸效率变化1%时对应不同运行状态和负荷下汽轮机组热耗率的变化值进行了计算，从而得到了不同运行状态和运行负荷下各缸效率与热耗率之间的关系。THA运行不同负荷下各缸效率变化1%对热耗影响值的曲线如图3所示。汽轮机各缸效率变化1%对热耗影响的计算如表3所示。

图3 THA运行不同负荷下各缸效率变化1%对热耗影响值的曲线

表3 汽轮机各缸效率变化1%对热耗影响的计算kJ/(kW·h)

从表3和图3可以看出，不同负荷下高压缸、中压缸和低压缸效率的改变对机组热耗的影响变化不是很大，相邻两个工况之间各缸效率对热耗的影响值基本控制在0.5～1.0 kJ/kW·h。在滑压和定压工况运行时，各缸效率对热耗的影响值不太明显，特别是在75%到满负荷运行时影响值基本趋于一致。对高压缸和中压缸来说，随着负荷的增大，缸效率变化对热耗的影响值有减少的趋势，而低压缸随负荷的增大，低压缸效率对热耗的影响值有增大的趋势，低压缸效率变化对热耗的影响值控制在1.0～1.5 kJ/kW·h。经过上述分析，实际运行中可以通过对各缸效率计算指导机组热经济性调控，从而实现机组运行经济水平实时监控。

5 结论

上述计算分析结果表明，定压运行状态下汽轮发电机组的高压缸的效率随负荷增加的增长趋势明显，且敏感，而中压缸和低压缸的效率基本保持不变;滑压运行状态下各缸效率随负荷变化较小，基本呈现出变化不大的趋势;不同工况运行下可以通过各缸效率对机组的热耗进行调控，从而能够直接对机组的运行经济性进行合理评价。

［1］沈士一.汽轮机原理［M］.北京:水利电力出版社，1992:109－110.

［2］刘凯.汽轮机试验［M］.北京:中国电力出版社，2005:61.

［3］洪文鹏，张玲，周勤，等.汽轮机各缸相对内效率变化对热耗率影响的计算模型［J］.东北电力学院学报，2001(12).

［4］美国机械工程师协会，ASME PTC REPORT－1970汽轮机例行试验的简化方法［S］.

Analysis of relation between cylinder effect and heat consumption of steam turbine

LI Shaohua，YAO Liang，SONG Donghui，XU Lefei，ZHENG Nan
(School of Energy and Mechanical Engineering of Northeast Dianli University，Jilin 132012，China)

This paper introduces the calculation method of cylinder effect and heat consumption of high－voltage cylinder，medium－voltage cylinder and low－voltage cylinder and deduces the relation between cylinder effect and heat consumption，and taking sub－critical 600 MW unit in a power plant for example，adopts experimental data of thermal performance under different working conditions to calculate the effect of high－voltage cylinder，medium －voltage cylinder and low －voltage cylinder，and analyzes how cylinder effect influences heat consumption under different working conditions and gives reasonable evaluation on the running economy of this unit.

steam turbine;cylinder effect;heat consumption;relation analysis

TK262

A

1002－1663(2012)02－0089－04

2011－10－31

李少华(1957－)，男，1999年毕业于西安交通大学流体机械专业，博士，教授。研究方向为流体机械内部流动特性、防磨技术、数字电站系统及电站运行经济特性评价方法。

(责任编辑 侯世春)