生活垃圾焚烧发电项目
——热机离线扰动分析*

王 敏，刘 帅，王 琦，刘淑玲，高 波，周 欣，闵海华，曲伟国，郝丽华

（中国市政工程华北设计研究总院第三设计院，天津 300074）

生活垃圾焚烧发电项目
——热机离线扰动分析*

王 敏，刘 帅，王 琦，刘淑玲，高 波，周 欣，闵海华，曲伟国，郝丽华

（中国市政工程华北设计研究总院第三设计院，天津 300074）

选取大型凝汽机组为主要研究对象，探讨不同负荷下初温、初压等主要运行参数变化对系统能耗的影响，以火电机组热经济性分析统一物理模型和数学模型为基础，建立初温、初压对煤耗影响的单因素扰动模型并对其进行定性分析。以求在热力系统能耗分析中，使计算过程更加快速、准确，计算模型可适应多种不同火电机组。

凝汽机组；热经济性分析；扰动；模型

汽轮机在运行过程中，不可避免地会发生运行参数偏离标准值的现象。当偏离值的大小不超过其允许范围时，虽不会引起危险，但会导致机组经济性变化。作为回热系统局部定量技术分析的简捷方法，如等效焓降法、顺序扰动解除法等，已成为火电厂能损分析的首选理论和方法。然而，小扰动理论存在着许多局限性，只能解决火电厂的部分能损分析问题，对于引起汽轮机膨胀过程线变化的主汽压、主汽温等大扰动参数的耗差分析却无法适用。笔者引入系统工程的观点，以火电机组热经济分析统一物理模型［1］为基础，导出了凝汽机组主要运行参数的耗差分析模型，为垃圾焚烧发电项目的在线监测提供了理论依据。

1 模型的基础

1）标准煤耗率方程：

式中：B为电厂煤耗量；Pe为发电机输出有效功率；q1为燃煤的低位发热量；ηb为锅炉效率；ηp为管道效率；ηt为循环热效率；ηm为机械效率；ηg为发电机效率。

2）机组循环吸热量方程及其微分表达式：循环吸热量表示在机组的整个循环中，工质从广义锅炉吸收的热量，即，

式中：Dbi为进入第i号小锅炉中的工质流量；hi-1为第 i号小锅炉的出口工质的焓；h（i-1）（i-1）为第i号小锅炉进口工质的焓；Qbi为第i号小锅炉辅助汽水放热量；Db1*为虚拟第1号小锅炉的工质流量；htj为调节级出口工质的焓；htj0为调节级进口工质的焓；Qb1*为虚拟第1号小锅炉辅助汽水放热量。

3）机组比内功方程及其微分表达式：比内功是机组在循环中，在各个小汽轮机中所做的比内功之和［2］，即，

式中：Dttj为第tj号小汽机中的工质流量；h0为第1号小汽机进口的焓值；htj为第1号小汽机的出口焓值，也是第tj号小汽机的进口焓值；Dt1为第1号小汽机中的工质流量；h11为第tj号小汽机的出口焓值；Dtj为第i号小汽机中的工质流量；hi-1为第i号小汽机的入口焓值；hii为第i号小汽机的出口焓值。

2 模型的建立和分析

2.1 模型建立的背景和方法

在耗差分析中，各参数的变化量都是指在某一工况下的运行值与其应达值之间的差值，可认为是在定功率（同一工况）的条件下，分析各参数相对于其应达值的变化量对机组煤耗的影响。而汽轮机内功率P和发电机输出有效功率Pe的关系如下：

式中：ηg为发电机效率；ηm为汽轮机机械效率。

当机组各参数扰动时，ηg和ηm的变化很小，因此当电功率基本保持不变时，可以认为汽轮机内功率的变化量△P也很小，因此可利用下式来计算运行参数扰动对机组煤耗的影响，即：

式中：δbs为煤耗率的变化量；Q为热量。通过对循环吸热量和功率的变化量的计算推导来求得煤耗率的变化量。

2.2 主汽温单因素耗差分析模型

对主蒸汽温度T0进行单因素耗差分析时，主蒸汽压力、再热蒸汽温度、调节阀开度和开数、汽轮机背压及各级加热器端差不变，则此时主蒸汽流量、低压缸排汽焓、锅炉给水焓值和给水泵功率将发生改变，而其他非独立扰动参数可视为基本不变，则主蒸汽温对煤耗率变化的影响见公式 （6）：

式中：△D0（T0）、△Pzr（T0）、△hc（T0）、△hgs（T0）、△τb（T0）分别表示主蒸汽温度T0扰动对主蒸汽流量D0、再热蒸汽压力Pzr、汽轮机低压缸排汽焓hc、锅炉给水焓值hgs及给水泵功τb的影响；［△ari（T0）］主要考虑T0扰动对其中的小机耗汽量arxq的影响［3］；λ1、 λ3、 λ5、 λ6、 λ7、 λ8、 λ9为 将 公 式 （1）、（2）、（3） 代入公式 （5） 所得的矩阵系数。

2.3 主汽压耗差分析模型

对主蒸汽压力P0进行单因素耗差分析时，主蒸汽温度、再热蒸汽温度、调节阀开度和开数、汽轮机背压、各级加热器端差及各类辅助汽水流量不变，则此时主蒸汽流量、低压缸排汽焓、锅炉给水焓值和给水泵功将发生改变，而其他非独立扰动参数可视为基本不变［4-5］，则主蒸汽压力对煤耗率变化的影响见公式（7）：

式中：△D0（P0）、△Pzr（P0）、△hc（P0）、△hgs（P0）、△τb（P0）分别表示主蒸汽压力P0扰动对主蒸汽流量D0、再热蒸汽压力Pzr、汽轮机低压缸排汽焓hc、锅炉给水焓值hgs及给水泵功τb的影响；［△ari（P0）］主要考虑P0扰动对其中的小机耗汽量arxq的影响；λ2为将公式 （1）、 （2）、 （3） 代入公式 （5） 所得的矩阵系数。

经计算所得，所建模型误差很小，满足工程需要，适用多数凝汽式机组的煤耗计算。

2.4 主蒸汽温度的变化对机组的影响

1）主蒸汽温度升高从经济性角度来看对机组是有利的，它不仅提高了循环热效率，而且减少了汽轮机的排汽湿度，如果保持调速汽门开度不变，则蒸汽流量下降，机组功率增加，汽耗率减少，经济性提高。此时，调节级理想焓降增大。但从安全角度来看，主蒸汽温度的上升会引起金属材料性能恶化，缩短某些部件的使用寿命，如主汽阀、调节阀、轴封、法兰、螺栓以及高压管道等。对于超高参数机组，即使主蒸汽温度上升不多也可能引起金属急剧的蠕变，使许用应力大幅度降低。因此绝大多数情况下不允许升高初温运行。

2）在机组额定负荷下主蒸汽温度下降将会导致蒸汽流量增大，各监视段的压力上升。此时调节级安全，但非调节级尤其是最末几级焓降和主蒸汽流量同时增大将产生过负荷，比较危险。同时，蒸汽温度下降会导致末几级的叶片湿度增加，增大了湿汽损失，同时也加剧了末几级叶片的冲蚀作用，直接威胁汽轮机的安全运行。因此，在主蒸汽温度降低的同时应降低压力，使汽轮机热力过程线尽量与设计工况下的热力过程线重合，以提高机组排汽干度。因此机组的功率限制较大，必要时应申请减负荷运行。

3）从理论上讲，主蒸汽温度越高，对机组的热经济性越有利，但主蒸汽温度的升高受到金属材料性能及电厂投资成本的限制。某发电厂汽轮机的额定进汽温度为535℃。出于对机组安全性及经济性的考虑，运行规程中一般规定，机组正常运行时主蒸汽温度不高于额定值5℃，不低于额定值10℃，主蒸汽温度偏离额定值运行，将会造成经济性的损失，因此，在对机组热力系统进行经济性分析时，大都将主蒸汽温度的额定值作为其目标值。初蒸汽温度对焓降的影响大于对流量的影响，初温改变对功率的影响取决于初温改变时分别对焓降、流量、相对内效率的影响之和。汽轮机设计理想焓降越大，初温变化对功率的影响越小。

4）主蒸汽温度的改变，将引起汽轮机进汽状态点的改变，进而使汽轮机做功的热力过程线发生变化，根据扰动顺序解除法的原则，保持主蒸汽压力、再热蒸汽温度和汽轮机排汽压力不变，可以确定此时的热力系统状态，从而得到该状态下机组的发电煤耗率及由于主汽温偏离额定值造成的能损。

2.5 主蒸汽压力的变化对机组的影响

1）在机组额定功率下主蒸汽压力升高后蒸汽流量有所减少，各监视段压力相应降低，各中间级焓降基本保持不变，因此主蒸汽流量减少，各中间级动叶应力均有所下降，隔板的压差和轴向推力也都有所减少。调节级前后压差虽有上升，但其危险工况不在额定负荷，因此调节级和中间各级在主蒸汽压力上升时都是安全的。对于末几级叶片，由于前后压差的减小（级前压力减小），级的焓降减少，在维持调速汽门的开度不变，随主蒸汽压力的上升，蒸汽流量和机组功率均上升，因而汽耗率下降。引起整机焓降增加，再加上汽压增加使蒸汽流量增加，末几级叶片弯曲应力增大。当主蒸汽压力增大时，可关小调速汽门，使主蒸汽流量减小。从强度观点看末几级叶片也是安全的。当然，主蒸汽压力也不能过高，否则有可能造成机组过负荷，隔板、动叶过负荷及机组轴向位移大、推力轴承故障等不安全情况的发生。

2）在调速汽门开度不变的情况下，在主蒸汽压力下降后，整机理想焓降下降，排汽湿度减少，主汽流量不变，机组功率降低，汽耗率增加，经济性下降。机组仍要发出额定功率，则主蒸汽流量会相应增加。因此会引起非调节级各级级前压力升高，而末几级焓降增大，因此非调节级各级的负荷都有所增加，末几级过负荷最为严重，全机的轴向推力也相应增大。因此运行中主蒸汽压力下降机组应适当带负荷。

3）对于喷嘴配汽定压运行机组来讲，主蒸汽压力越高，经济性越好。而对于节流配汽滑压运行机组，机组负荷一定时，主蒸汽压力有一个最佳值。一般情况下，滑压运行机组都有特有的滑压运行曲线，在经济性分析时，该曲线就可以作为确定主蒸汽压力目标值的依据。

4）在分析主蒸汽压力偏离目标值对热经济性的影响时，认为主蒸汽温度、再热蒸汽温度和汽轮机排汽压力保持不变。主蒸汽压力的偏离，同样引起汽轮机进汽状态点的改变，根据扰动顺序解除法确定热力系统状态，得到机组在该状态下的发电煤耗率及主蒸汽压力偏离目标值造成的能损。

3 结论

1）以往建立的主蒸汽温度与压力的耗差分析模型，只针对某一特定机组进行分析，不具备通用和统一性，本文中建立模型是以热力系统统一物理模型为基础，模型更加直观，规律性强，适应各种机组尤其是垃圾焚烧发电厂的在线监测分析，所以该模型形式更鲜明，计算更方便。

2）该计算方法形式简单，计算方便快捷，计算精度高，通用性强，适合于不同类型的火电机组，应用于垃圾焚烧发电项目，可以用标准煤热值转换为低热值的垃圾焚烧量，可更直观地在线监测发电功耗。

3）根据所建模型定性分析了主蒸汽温度、主蒸汽压力变化对机组安全性和经济性的影响，为焚烧发电厂安全经济运行提供了理论基础。

［1］ 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）：37-41.

［2］ 郑体宽.热力发电厂［M］.北京：中国电力出版社，1999.

［3］ 闫顺林，张春发，李永华，等.火电机组热力系统汽水分布通用矩阵方程［J］.中国电机工程学报，2000，20（8）：69-73，78.

［4］李晓金，曹洪涛，张春发.火电机组耗差分析系统的实现方式和数学模型的分析研究［J］.华北电力技术，2003（8）：4-8.

［5］林万超.火电厂热系统节能理论［M］.西安：西安交通大学出版社，1994.

Domestic Waste Incineration-power Generation Project:Off-line Disturbance Analysis of Combustion Engines

Wang Min,Liu Shuai,Wang Qi,Liu Shuling,Gao Bo,Zhou Xin,Min Haihua,Qu Weiguo,Hao Lihua
（The Third Design Institute,North China Municipal Engineering Design and Research Institute,Tianjin 300074）

Taking large condensing steam unit as the main studying object,impact of initial temperature and pressure on system energy consumption at different loads was discussed.The disturbance model about single influencing factor of initial temperature and pressure on coal consumption was built,based on the unified physical model and the mathematic model of heateconomic analysis for coal-fired power unit.It is hoped that calculation process is more rapid and accurate in analysis of thermal energy consumption,and the model can be suitable for various kinds of coal-fired power units.

condensing steam unit；heat-economic analysis；disturbance；model

X705；X773

A

1005－8206（2011） 03－0015－03

国家科技支撑计划课题（2006BA04A06-06）

2011-01-13

王敏（1960—），高级工程师，主要从事固体废物处理工艺设计与研究工作，现任中国市政工程华北设计研究总院设计三院专业副总。E-mail：wangmin83@cemi.com.cn。

（责任编辑：苏媛）