基于等效焓降法热电联产机组变工况计算

戈志华，贺茂石

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206)

0 引言

近年来，我国热电联产得到迅速发展。到2009年底，全国供热机组总容量达14464万千瓦，占火电总装机容量约20%，占全国发电机组总容量的17%左右。热电联产机组承担了城市热水采暖供热量约30%，城市工业用汽约83%。在城市集中供热的总面积中，有三分之一是由热电厂满足供热的。热电联产机组相对于热电分产，避免了冷凝损失。据测算，热电联产与热电分产相比热效率高30%，集中供热比分散小锅炉供热效率高50%。热电联产机组在北方采暖城市、南方工业园区及一些工业企业，都适合发展［1］。热电联产是国内外公认的节能减排的重要手段，是城市化发展的重要基础设施，也是我国政府大力倡导的十大重点节能工程之一。目前，全国拥有的在用小锅炉约54万多台，“三北”地区约30亿平米建筑面积仍采用分散供热，因而发展热电联产的空间很大［2］。

对于大部分热电联产机组来说，仅仅考虑了满足最大供热工况，并没有考虑随着外界环境温度的变化所引起的供热的变化;也有些机组虽然考虑了热负荷的变化，可是并没有考虑热负荷的变化对于汽轮机发电功率的影响。对于大型热电联产机组来说，不仅需要研究供热的某一部分，如热用户、热网、供热机，还需要把它们联合起来系统的考虑;不仅需要考虑热负荷的变化情况，也需要考虑电负荷的变化情况。根据不同的外界环境温度，匹配不同的热网参数，进而确定合适的机组供热抽汽参数;根据不同的供热抽汽参数，研究汽轮机的变化情况，确定其发电功率的变化，则需要进行供热机组的变工况计算。

在确定机组供热抽汽参数之后，首先选定合理的基准工况，利用特征通流面积和段效率不变原理［3］，确定出各段回热抽汽的压力和焓值等，再利用等效焓降法［4］对整体热力系统进行计算，利用热平衡和质量守恒原理计算出各段回热抽汽的流量。然后计算出汽轮机各段的段流量，与假设值相比较进而得到真实段流量和各段回热抽汽参数，进而确定各段等效焓降和新蒸汽等效焓降，去除各种焓降损失之后得到机组的功率、汽耗率和热耗率。

1 等效焓降法在变工况功率计算程序中的应用原理

等效焓降法是基于热力学的热工转换原理，既可用于整体热力系统的计算，也可用于热力系统的局部分析定量。等效焓降法不仅适用于凝汽式机组，同时也适用于供热机组。如果把新蒸汽流量固定不变，则热力系统中出现的任何影响经济性的变化，只是改变了汽轮机的功率和该变工况以后的供热抽汽份额，各级抽汽流量不致全部变动。然而供热机组的变工况则是指，主汽量不变，而热负荷变化，供热抽汽参数也随之发生变化，从而影响汽轮机的做功。因此，就可以把等效焓降法应用在热电联产机组变工况功率计算程序中。

1.1 供热抽汽参数的确定

由于外界环境的变化引起室内温度的变化，为了满足热用户的供热要求，通过对热网、热网加热器和供热汽轮机热力性能的分析计算，得到热电联产系统联合特性［5］，如图1所示。先通过热用户换热器可计算出二次网供、回水温度要求曲线。通过供热站换热器继而计算出一次网供、回水温度要求曲线。进而根据热网加热器特性计算出供热抽汽参数，再由低压缸性能曲线联立得到供热机组联合性能曲线，即可确定出供热机组实际供热抽汽参数和流量。

图1 热电联产系统供热机组联合性能曲线图

1.2 特征通流面积不变原理

特征通流面积的概念是由徐大懋院士提出的，是根据弗留格尔公式变化得到，表征级组的通流能力，定义级组的特征通流面积F为

“0”表示级组前，“2”表示级组后，级组的概念是进出口的流量相等。F为级组的重要特性参数，只要级组的几何参数不改变，不论热力参数如何变，F为常数，且正比于级组的通流能力。因此就可以根据额定工况求出各级组的特征通流面积F，已知变工况时某级组的初参数［6］，求出级组的出口压力为

进而确定该级组的出口参数即下一级组的入口参数，如此逐段进行计算。

1.3 等效焓降法的具体应用

在计算出各段抽汽压力和抽汽焓之后，就可以用等效焓降法来进行热力系统的计算。具体计算公式如表1所示。

表1 等效焓降法重要计算公式

对于汇集式加热器Ar=τr，对于疏水自流式加热器，从i+1级知道汇集式加热器Ar=rr，以后Ar=τr。表中的计算公式中i′(i+1)对于i+1级采用疏水泵表面式加热器时为汇集后的热焓。

在算出新蒸汽等效焓降之后，减去辅助循环附加成分和供热抽汽做功损失，再加上部分成分做功增益，即可得到新蒸汽净等效焓降，通过换算即可得到机组功率。

2 实例应用

以哈尔滨汽轮机厂300 MW抽凝机组(其中主蒸汽流量为960 t/h，主蒸汽压力为16.7 MPa，供热抽汽压力为0.49 MPa，供热抽汽量为340 t/h)为例，根据热电联产机组联合性能曲线首先由环境温度确定出供热抽汽参数，即供热抽汽压力和供热抽汽量。进而选定基准工况，选定基准工况的目的是为了计算出机组的各段特征通流面积和段效率，由特征通流面积和段效率不变原理可知，在进行计算任何变工况的供热机组的功率时，就可以带入进行计算。

2.1 各段抽汽参数的确定

确定各段抽汽参数是进行热平衡计算的基础，为此在Excel上建立模型［7］，进行各段抽汽的迭代计算，其中中压缸各段参数计算流程图［8］如图2所示，高压缸和低压缸的计算流程和中压缸同理。

2.2 段流量的确定

图2 中压缸计算流程图

在算出各段抽汽参数之后，根据等效焓降法的原理，分别计算出1 kg给水焓升、抽汽放热量、回热加热器疏水焓降和热网加热器疏水焓升。再用热平衡关系式计算出各段抽汽系数和抽汽量。进而算出流经各段的段流量［9］。算出的段流量和假设的段流量进行比较，通过迭代求解，得到真实段流量。在算出段流量的同时，各段回热抽汽参数也进行了迭代计算，使得计算出的抽汽系数更加准确。

2.3 机组段功率的计算及计算结果

由各段抽汽等效焓降计算公式可以得出各段抽汽等效焓降，再由抽汽效率公式计算出各段抽汽效率［10］。通过计算得出新蒸汽毛等效焓降，减去各漏汽做功损失和供热抽汽做功损失，再加上循环水泵焓升增益、轴封冷却器焓升增益和给水泵焓升增益，即得到新蒸汽净等效焓降，进而转化为汽轮机功率，除去损失，得到机组电功率、汽耗率和热耗率等参数［11］。计算结果分别如表2，表3所示。

表2 热电联产机组各段回热抽汽相关指标计算结果

表3 热电联产机组各项指标计算结果

通过程序计算得出供热抽汽压力为0.49 MPa，供热抽汽量为340 t/h下各段抽汽系数，即各段抽汽量和热平衡图中给出的各段抽汽流量的误差在0.2%之内。汽轮机热平衡图中给出的功率为264 006 kW，汽耗为 3.636 kg/kW·h，热耗为6 408.1kJ/kW·h。由此可以看出，基于等效焓降法的热电联产机组变工况功率计算程序误差也在0.2%之内，表明计算程序正确可行。

2.4 不同供热工况的计算结果及误差

为了验证程序的准确度，本文对不同供热工况(工况一:340 t/h，0.49 MPa;工况二:340 t/h，0.45 MPa;工况三:200 t/h，0.49 MPa;工况四 200 t/h，0.45 MPa)进行了计算，计算结果如表4所示。可见计算误差都在0.2%之内，说明程序准确可靠。

表4 不同供热抽汽参数下变工况计算结果及误差

3 结论

热电联产机组变工况功率计算程序是在Excel中建立模型，能比较方便快捷的计算出各个热经济性指标，并且计算结果比较精确，较常规热量法和循环函数法在计算程序上简单易懂，并且工作量不大。由于热电联产机组变工况功率计算程序比较少，本文用等效焓降法在Excel中编程，计算热电联产机组变工况功率和其他热经济性指标，计算结果比较准确。

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