主汽压变化对汽轮机热耗率影响的修正分析

闫顺林，兰红颖

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

在电厂实际运行当中，主蒸汽压力会不可避免地发生扰动，偏离设计值，从而对机组的热经济性产生影响［1～4］。目前通常以热耗率作为研究和衡量电厂热经济性的重要指标，热耗率是指每生产1 kW·h的电能所耗的热量。目前，热耗率指标的考核与分析已得到电厂的普遍重视，成为监视汽轮机性能的重要手段之一［5］。主蒸汽压力的变化对能耗影响的计算方法主要有特性实验法、特性曲线法、偏导原理算法以及工程简化回热算法［6］。本研究以火电厂热经济性统一物理模型和数学模型为基础［7～8］，根据多元扰动下的热力系统能效分析模型得到主蒸汽压力对热耗率修正的计算模型，以此来绘制出主蒸汽压力对热耗的修正曲线。以某660 MW机组为例进行验证，并绘制出THA工况 (指汽轮机在额定进汽参数下、额定背压、回热系统正常投运，补水率为0，能连续运行发出的功率的运行工况，即热耗率验收工况)、75%负荷滑压运行工况、50%负荷滑压运行工况下主蒸汽压力对热耗的修正曲线，并对其规律进行了分析。以此计算模型得到的主蒸汽压力对热耗的修正曲线误差较小，足以满足工程的需要。

1 主蒸汽压力对热耗率修正的计算模型

主蒸汽压力变化对汽轮机热耗率的修正，是以主蒸汽压力变化后，影响汽轮机发电机组热耗率变化的数值占机组热耗率的百分率表示，单位为 “%”［9］。文献 ［8］在火电机组热经济性分析的统一物理模型的基础上，根据热力系统的汽水分布方程、比内功方程和循环吸热量方程这三大基本方程，保持机组主蒸汽温度、再热蒸汽温度、背压不变，以主蒸汽压力为扰动因素，建立了多元扰动下的热力系统能效分析模型。在此基础上，进而得到主蒸汽压力对热耗率修正的计算模型，如式 (1)所示。

式中:q为汽轮机热耗率，kJ/kW·h;δq为汽轮机热耗率的变化率，%;dp0为主蒸汽压力的变化量，MPa;mp0为主汽压变化对 δq影响的强度系数，MPa－1，表示主汽压每变化1 MPa时 δq的变化量，其计算式为

式 (2)～ (5)中形式为▽A|X的式子表示矩阵A对X的微分算子X表示扰动因素如主汽压、主汽温等，详细定义参见文献 ［8］。N为整个汽轮机所做的比内功，kJ/kg，Q表示机组在整个循环中的循环吸热量，kJ/kg，Hb表示由各个小锅炉中的工质焓升所组成的行矩阵;Ht表示各个小汽轮机的焓降所组成的行矩阵;A为热力系统结构矩阵;τ是由各级控制体中给水 (或凝结水)的焓升所组成的 n×n阶对角矩阵;Db是由进入各个小锅炉的工质流量组成的列矩阵;Dt是各个小汽轮机流量组成的列矩阵;Qb是由对应于各个小锅炉的辅助热量组成的列矩阵;I是由n+1个1组成的行矩阵;D是由各级名义抽汽量组成的列矩阵;G是由各加热器的名义水流量组成的列矩阵;Q是由各级控制体名义辅助加热量组成的列矩阵。“⊗”表示矩阵的块乘运算，其计算法则参见文献 ［8］。通过引入矩阵算子和矩阵块乘运算，解决了利用矩阵微分理论进行火电厂热力系统热经济性分析的数学难题。

2 主蒸汽压力对热耗率修正的计算模型的实例验证

以某电厂 CLN660－24.2/566/566型超临界凝汽式机组为例，利用本文计算模型计算了三阀全开工况下主蒸汽压力对热耗率的修正率，根据结果绘制了主蒸汽压力对热耗的修正曲线，并与厂家提供的曲线进行对比，结果如图1所示。

图1 三阀全开工况主蒸汽压力对热耗的修正曲线Fig.1 Main steam pressure and heat rate correction curves under the three valve full working condition

在三阀全开工况下，额定主蒸汽压力为24.2 MPa，热耗率为7 539.2 kJ/kW·h。主蒸汽压力偏离设计值时，机组的热耗率也会随之变动。可以看出，主蒸汽压力对热耗的修正曲线近似呈直线关系。当主蒸汽压力减小时，机组热耗率变大，主蒸汽压力对热耗的修正率为正值;相反，当主蒸汽压力增大时，机组热耗率变小，主蒸汽压力对热耗的修正率为负值。当主蒸汽压力偏离额定值越大时，对机组热耗的影响也就越大。

利用本文的计算模型得到的主蒸汽压力对热耗的修正曲线与厂家提供的热耗修正曲线变化趋势基本一致。主蒸汽压力偏离设计值越大，热耗率计算值与厂家提供的值误差就越大。主蒸汽压力计算区间为23.8～24.6 MPa，当主汽压为23.8 MPa时误差达到最大为0.058 32%，在此计算区间外，计算误差也不大，例如当主蒸汽压力为20 MPa和19MPa时，误差分别为 0.703%和0.891%，但已能够满足工程实际的需要，同时验证了此计算模型的正确性。此模型形式统一，经计算得知，同样也适用于其他型号的机组。当厂家未提供热耗修正曲线时，可以利用此方法得到主蒸汽压力对热耗的修正曲线。

3 不同工况下主蒸汽压力对热耗率修正的计算与分析

现应用此计算模型计算此机组THA工况、75%负荷滑压运行工况、50%负荷滑压运行工况下主蒸汽压力对热耗率的修正率，根据计算结果绘制出主蒸汽压力对热耗的修正曲线，如图2所示。

图2 不同工况下主蒸汽压力对热耗的修正曲线Fig.2 Main steam pressure and heat rate correction curves under different working conditions

从图2可以看出，不同工况下主蒸汽压力对热耗的修正曲线是不同的。曲线的斜率是随着负荷的变大而减小的，即负荷越大，曲线的斜率越小，负荷越小，曲线的斜率越大。也就是说，负荷越小，主蒸汽压力的偏离对热耗率的影响越大。因此，在机组实际运行中，应密切监视主蒸汽压力，尤其是低负荷时主蒸汽压力的偏离。

4 结论

(1)计算并绘制了三阀全开工况下主蒸汽压力对热耗的修正曲线，与厂家提供的热耗修正曲线进行了对比，误差较小，验证了此计算模型的正确性，能够满足工程实际的需要。(2)绘制了不同工况下主蒸汽压力对热耗的修正曲线，随着负荷的减小，曲线的斜率越大，因而负荷越低主蒸汽压力的偏离对热耗的影响越大。应密切监视低负荷时主蒸汽压力的偏离。(3)对于某一特定的机组，当厂家未提供热耗修正曲线时，可以根据此模型绘制出主蒸汽压力对热耗的修正曲线，从而根据该曲线可以查出主蒸汽偏离时机组的热经济性。

［1］周兰欣，华敏，王统彬，等.主蒸汽压力与热耗修正曲线的变工况计算法 ［J］.热能动力工程，2011，26(3):351－353.

［2］周兰欣，华敏，王为，等.机组初参数与热耗修正曲线的变工况计算法 ［J］.动力工程学报，2011，31(5):387－390.

［3］华敏.火电机组局部参数变化与热经济性的微增关系研究 ［D］.保定:华北电力大学，2011.

［4］Han Zhinyong，He Renmu，Xu Yanhui.Effect of steam pressure fluctuation in turbine steam pipe on stability of power system ［C］.Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies，2008:1127－1131.

［5］云曦，阎维平.火电厂汽轮机组热耗率计算影响因素的分析 ［J］.电力设备，2007，8(3):50－53.

［6］蔡杰进，马晓茜，廖艳芬.主蒸汽参数耗差分析方法的比较研究 ［J］.汽轮机技术，2006，48(1):31－33.

［7］闫顺林，胡三高，徐鸿，等.火电机组热经济性分析的统一物理模型和数学模型 ［J］.中国电机工程学报，2008，28(23):37－40.

［8］闫顺林.多元扰动下的热力系统能效分析模型及应用研究 ［D］.保定:华北电力大学，2011.

［9］蒋明昌.火电厂能耗指标分析手册 ［M］.北京:中国电力出版社，2011.