“自由路径法则”在电厂热力系统分析中的应用

1、“自由路径法则”在电厂热力系统分析中的应用 “自由路径法则”在电厂热力系统分析中的应用郭民臣, 魏楠, 刘文毅(华北电力大学, 北京 102206) 摘 要：基于矩阵热平衡方程式，提出了电厂热力系统内汽水流动的“虚拟”描述，即汽水可以沿热力系统内实际存在或不存在的路径流动。以凝汽器的热井为中心，汽水流动路径构成一个封闭的循环，并且汽水流动的方向和路径是任意的。对同一股流量，在热力系统内的流动可以存在多条不同的路径，选择任意一条路径结合热耗变换系数的概念及其计算原则，都能够计算该流量对整个热力系统热耗量的影响，并且与传统的计算方法相比使计算工作得到简化，而计算结果却是相同的。文中分别对轴封漏气、

2、供热抽汽、小汽轮机用汽、再热减温水、高压门杆漏汽等的热经济性分析分项进行了叙述，并以300 MW机组额定工况的数据进行了验算。 关键词：热经济性；热耗变换系数；热效率；热耗量1 引言 随着电厂热力系统矩阵分析手段的采用，电厂热力系统分析方法也出现了许多新发展。结合“热(汽)耗变换系数法”的应用，电厂热力系统分析表现出极大的灵活性，本文所述“自由路径法则”就是对辅助流量热经济计算的多种处理，旨在进一步简化热力系统的分析计算，使对热力系统的理解更加容易、清楚和方便。2 热力系统内的汽水流动模型2.1热力系统内汽水流动的物理描述 一般情况下，汽轮机的高压抽汽进入高压加热器放热后疏水进入下一级高加，疏

3、水逐级自流后最终进入除氧器。除氧器属于汇集式加热器，疏水汇集于除氧器后转为给水最终进入锅炉。同样汽轮机的低压抽汽在低压加热器中放热后疏水，疏水逐级自流进入带疏水泵的表面式加热器或凝汽器，转化为主凝结水后最终进入除氧器。这是对热力系统各种流量的实际描述，传统的热力系统分析都是基于如此思路处理的。2.2热力系统内汽水流动的“虚拟”描述 基于矩阵热平衡方程式出现了对电厂热力系统的一种新描述，该描述不是按照汽水实际的物理流动过程形容汽水流动路径，而是通过假设某些物理上并不存在的流动路径，使热力系统分析得到简化。当然虚拟汽水流动的路径，并不影响热力系统的特性和计算结果，虚拟的效果必然在其它方面得到补偿；

4、如，经虚拟描述虽然汇入除氧器的疏水转向进入凝汽器，但是主凝结水却不再是实际的流量，而是按虚拟的给水流量计算，因此相互抵消后主凝结水的流量保持不变。电厂热力系统虚拟流动的描述需结合矩阵热平衡式的建立进行，详述见文1，图1是300 MW机组虚拟的汽水流动过程图。 图2是热力系统汽水虚拟流动过程的抽象效果图。凝汽器的热井既是汽水流量的发源地，又是汽水流量的目的地，每一股流量从热井出发，最后又回到热井，形成闭合循环，每个闭合循环中实现能量转换或者一个特定功能。整个系统从锅炉补充能量，从凝汽器补充质量。需要从外界补充能量的循环必需经过锅炉，不需要从锅炉补充能量的个别小股流量与凝汽器自成一个循环，例如再热

5、减温水等。3 热耗变换系数和热耗变换系数法分析原则3.1 热耗变换系数的概念 热耗变换系数的定义式如下：式中 Qo为锅炉吸热量；Qrh为再热吸热量；DQi为从第i级吸入的微小外热量；P为功率。 热耗变换系数的物理意义是，定功率条件下从某级引入微小外热量进入热力系统，必然引起循环上相当量的热耗量减小，减小的循环热耗量与所加入的微小外热量之比，就是该级抽汽的热耗变换系数。 热耗变换系数是分析热力系统的工具，借助于它们可以对热力系统进行局部定量分析，或者对某一股流量在热力系统中的循环进行分析。这个参数借助于矩阵计算获得，其计算式为2式中 A为与各点参数有关的结构矩阵；Y为抽汽作功不足系数矢量；t为给

6、水焓升矢量；qo为1kg工质锅炉中焓升；s为水蒸汽再热焓升。 上式是一组线性方程，解出一组i的值， 每一个i的值代表了一级抽汽的品位，i随着抽汽级数从高压到低压由大到小。3.2 汽轮机的热耗变换系数 从汽轮机进出热力系统的能量是功而不是热量，汽轮机的功的微小变量折算到循环热耗量就是汽轮机的热耗变换系数。在热耗变换系数法分析中总是假设辅助成分近似为常数，在某设备上增加外部能量，然后从循环上观察热耗量的变化。当汽轮机多做1 kJ功时，热力循环需加热量,T就是汽轮机的热耗变换系数,M是主循环的效率，其计算方法见文3。3.3热耗变换系数的分析原则 当热力系统处于某工况下，热耗量为Q、功率为P，则由于外

7、界因素的影响将使热耗量变化，从而影响热力系统的经济性。例如第i级加热器散热量为Qli，那么定功率下由于散热使热耗量增加：另外，如果有一股辅助蒸汽从1号高加回收进入热力系统，根据虚拟流动原则该股流量将流过1号高加、除氧器、4号低加至1号低加、最后进入凝汽器。辅助蒸汽的质量为1 kg时，分别在流过的设备上放热qf3、4、5、6、7、8，如果辅助蒸汽的总质量为Df3, kg/h，那么定功率下该股蒸汽回收于热力系统使热耗量减小：4 “自由路径法则”的概念 所谓“自由路径法则”包括： 辅助流量进出热力系统的位置，沿其流动的路径可以任意移动，为保证热力系统热经济性不变，在流量移动前和移动后所扫过的加热器上

8、需增加相应量的外热量； 只要符合虚拟流动的规则，辅助流量在热力系统中的流动路径是任意的，可以顺着实际方向，也可以是逆着流动方向，可以是原流动路径，也可以不是原流动路径，只要围绕凝汽器的热井进行并循环。 显然“自由路径法则”是建立在热力系统中虚拟化流动基础之上的，因为流量的移动是虚拟移动，而不是真的移动，流量的自由路径也是虚拟的。自由路径法则的使用是以凝汽器的热井为核心，一切流量的发源来自热井，一切流量的流向又都归于热井中，只要该路径能够走得通就是合法的流动路径。“自由路径法则”的使用可以使热力系统的分析更容易。5 “自由路径法则”的应用5.1 辅助流量的移动 (1) 把300 MW机组3号高加

9、的回收的轴封漏汽移动到1号高加上，示意图见图3。辅助蒸汽从3号高加回收进入热力系统后沿加热器依次疏水流动，进入除氧器后虚拟流动进入4号低加(水侧)。根据热耗变换系数分析法，该股蒸汽进入热力系统后引起热耗量减小为可见，对于流量从3号高加移动到1号高加只需要在3号、2号、1号高加上加入外热量，就可以使改变流量位置后对经济性的计算不变。这里需要在3号、2号、1号高加上分别加上外热量Df1qf1、Df12、Df1(q33)。 (2) 3号高加回收的轴封漏汽移动到3号低加水侧出口，流量移动前后的经济性为：和前面相同，在3号、2号、1号高加、除氧器和4号低加上分别增加外热量Df1qf1、Df12、Df13

10、、Df14、Df15，热力系统的热经济性不变。5.2 供热抽汽热经济性的计算 如图4所示, 从6段抽汽有一股蒸汽用于供热，供热的蒸汽没有回水，因此需要从凝汽器补充水来满足工质的平衡。由于抽汽对外供出了热量，因此循环的热耗量增加，在此假设供热蒸汽的流动过程(没有回水的情况为(a)，分别经过1号、2号、3号低加加热后对外供出合格蒸汽，根据热耗变换系数法该股蒸汽使循环增加的热耗量为从上式看出，热力系统对外供出的热量是Dh(q6+7+8)= Dh(hh )，分别是由3个低加供给的，3个低加供给的热量分别是Dhq6、Dh7、Dh8。 如果回水是回到本级加热器的水侧出口，则供热蒸汽和回水流过的虚拟路径见图

11、4(b)。回水使循环热耗量减小：回水引入本级加热器水侧出口，供热抽汽使循环热耗量发生的总变化量为5.3 小汽轮机抽汽 如图5用3种路径表示了对小汽轮机用汽进行的经济性分析，在分析中我们只考虑小汽机用汽流出热力系统引起循环的热耗量增加，来反映小汽机用汽的经济性。 （1）路径1：主凝结水从凝汽器1号低加至3号高加锅炉高压缸再热器中压缸四段抽汽小汽轮机凝汽器。 流量按上述路径经过加热器、锅炉和再热器都是吸热，根据热汽耗变换系数法的原则，定功率下会使热耗量增加；流量流过高中压缸对外作功，定功率下使热耗量降低。因此小汽轮机用汽热经济性总的效果是： （3） 路径3：凝汽器汽轮机低压缸(反方向流动)小汽轮机

12、凝汽器。在这样的处理方式中，流量经过汽轮机不是实际方向的而是反向流动，因此不是对外作功而是要使汽轮机的功减小，定功率下使循环的热耗量增加。 (4) 计算比较 以 300 MW机组额定工况为例，温度压力数据取自热平衡图，对热力系统分析后得出描述各加热器的基本参数q i i和i等，限于篇幅原始数据及q i 、i和i的数值从略，而根据式(12)得出的各级抽汽的热耗变换系数列于表1。 根据式(10)、(11)、(12)沿3种不同路径分别计算Qadd/DsT的值，结果均为1677.09 kJ/kg。 在这3种情况中，似乎只有路径1合乎流动的物理原则，但是3种情况用于热经济分析结果都是一样的。5.4 再热

13、减温水的分析 只要符合“自由流动法则”，减温水流量组成的辅助循环有无数个，其中我们选出3个循环为例进行分析,见图6。 （1） 路径1：凝汽器1号、2号、3号、4号低加除氧器给水泵再热器中压缸低压缸凝汽器。 从凝汽器到给水泵并且流出热力系统，再热减温水在各低加中接受热量，使循环的热耗量增加。根据热耗变换系数分析法再热减温水从再热器又回到热力系统，通过中、低压缸作功，因此定功率下使热耗量减小 （2） 路径2：凝汽器1号、2号、3号、4号低加除氧器给水泵再热器2号高加1号高加除氧器4号、3号、2号、1号低加凝汽器。 根据热耗变换系数法，再热减温水对热耗量总的影响为 （3） 路径3：凝汽器1号、2号、

14、3号、4号低加除氧器给水泵再热器中压缸除氧器4 号、3号、2号、1号低加凝汽器。 根据热耗变换系数法，循环热耗量总的变化量为 （4） 计算 再对前述300 MW机组额定工况进行计算，根据式（13） (15)计算再热减温水的热耗量变化，其结果完全相同，Qadd/ Drd都等于514.447 kJ/kg。5.5 高压门杆漏汽的热经济性 高压门杆漏汽回收进入1号高压加热器，该股流量的循环路径为：凝汽器1号低加至3号高加锅炉回收进入1号高加除氧器4号低加至1号低加凝汽器。该股蒸汽从主汽阀门出热力系统，定功率下使循环热耗量增加：循环热耗量的总变化量:高压阀杆漏汽组成的循环也可以有许多个，这里仅举一例说明

15、。像补充水、锅炉排污、过热减温水等其它辅助流量的分析，与上面相同。6 结束语 （1）论述了热力系统流量的虚拟化流动方法，指出虚拟化流动围绕的核心是凝汽器的热井。热井是物质的“源”，也是物质的“穴”。 （2）在流量虚拟流动基础上提出了辅助流量分析的“自由路径法则”，按照该法则辅助流量可以在热力系统中任意流动组成封闭的循环，但是必需从凝汽器的热井出发，最后又回到凝汽器热井。沿着任意封闭循环都可以对辅助流量进行热经济计算，结果都相同。 （3）辅助流量进出热力系统的位置可以虚拟的移动，在移过的设备上补充相应的热量后系统的热经济性不变。 （4）分别对轴封漏汽、抽汽供热、小汽轮机用汽和高压阀杆漏汽进行了计

16、算，证明了“自由路径法则”的正确性。 （5）该方法与传统的方法共同存在，同时也可以根据虚拟变换后的网络结构设计新的模块化方法。参考文献1郭民臣，等（Guo Minchen, et al.） 电厂热力系统矩阵分析方法的改进. (The improvement of matrix analysis in thermodynamic system in power plant)J. 热能动力工程（Journal of Engineering for Thermal Energy and Power） 1997,12(2): 103106.2郭民臣，等（Guo Minchen, et al.） 热(汽)耗变换系数法分析电厂热力系统的新方法(Method of conversion coefficients of heat/Steam ratesmethod for power plant sysyem ana