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热力系统优化方法研究
热力系统优化方法研究
摘要：如何提高机组经济性，使机组的各项指标接近设计水平，达到或超过国内同类机组水平，成为各发电企业生产经营的重要课题，本文以热力系统的优化方法为研究目标，针对热力系统的优化设计方法进行了研究，提出了优化设计的方法和内容，并最终对热力系统优化设计的一些思路进行了探讨。
关键词：热力系统、综合优化、优化方法
1. 绪论
随着社会的进步及其科学技术的发展，人们越来越认识到能源与环境是实现可持续发展的两大要素，受到了全球的广泛关注。提高能源利用效率、减少环境污染成为世界各国发展的重要战略方针。尤其是电力行业，本身即是产能的行业，但更是耗能大户。据统计，在我国每年用于发电所消耗的煤量占全国总耗量的四分之一甚至更多，因此电力行业的节能具有重要意义并且具有极大的潜力。我国的供电煤耗一直较高，与发达国家相比差距较大。从我国300MW机组运行情况看，机组实际运行供电煤耗率均大于设计值，全国数十台300MW机组的平均供电煤耗为340~360g/(kwh)，比设计值高20~25g/(kwh)，比国外同类运行机组高40g/(kwh)左右[1]。
如何提高机组经济性，使机组的各项指标接近设计水平，达到或超过国内同类机组水平，成为各发电企业生产经营的重要课题，只有内部挖潜、节能降耗才能使发电成本降下来，使发电企业处于有利的竞争地位。可见，努力降低火电厂的标准煤耗，对存量机组进行能耗分析，找出其节能潜力，进行节能改造并指导汽轮机组的设计，具有极其深远的意义。
2. 热力系统优化
热力系统结构优化是以热力系统全局为对象，通过热力系统优化和热力系统节能潜力分析，探讨整体热力系统的改造方案和节能潜力的大小。就是说，从总体的角度，系统地分析研究热力系统的各项节能措施，挖掘各种潜力，力图获得尽可能大的节能效果。
在拟订或设计热力系统时，对热力系统进行全面的优化分析，能够发现它的缺陷，探寻改造的最佳方案，使系统在设计时就处于最优技术状态，热经济性最高，从而达到节能的目的。
对运行机组的热力系统以及它的运行数据进行全面的分析处理，能够发现热力系统结构上的缺陷，探讨各种改进的途径和措施，预测可能的节能潜力，为逐步改造热力系统提供必要的资料和依据。这是热力系统节能和技术改造的一项重要工作。
热力系统结构优化包括两个方面的内容:
1)各分系统及参数的优化。它包括回热系统、补充水系统、抽气器系统、除氧器、喷水减温系统、排污扩容系统、厂用蒸汽系统等。
2)热力设备及参数的优化。它包括加热器、疏水冷却器、蒸汽冷却器、疏水泵、除氧器、扩容器、余热利用等热力设备及参数的优化。
热力系统结构优化的方法可以用数学优化方法，对各分系统和热力设备及其参数进行总体优化，就是通常说的系统工程法[4]。也可以用热力方案优化方法，对各分系统和热力设备及其参数逐个地进行优化，就是通常说的经典优化方法。这种优化的定量计算和分析可以借助等效热降方法[5]。
3. 热力系统优化的方法
（1）等效热降法
等效热降法的思想是先计算出各级回热抽汽的抽汽等效热降和抽汽效率，并计算出新蒸汽等效热降，然后分析各局部变化引起的新蒸汽等效热降变化，即各种附加成份引起的做工损失及循环吸热量从而由下式计算汽轮机装置效率:
式中H一一新蒸汽等效热降，kJ/kg；
一一为汽轮机装置效率，%；
进而根据
得到机组的发电标准煤耗率，其中ql为低位发热量，锅炉效率为0.90~0.92，管道效率=0.90~0.92，机械效率=0.99，发电机效率=0.98~0.99，汽轮机效率=0.45~0.47。
1) 抽汽等效热降的计算
抽汽等效热降HJ表示Ikg抽汽汽流返回汽轮机的真实作功能力，它标志着汽轮
机各抽汽口蒸汽能级的高低，抽汽效率是排挤Ikg抽汽获得的功与排挤Ikg抽汽需加入的热量之比，它反映出任意抽汽能级j处的热变功的程度。
抽汽等效热降的计算，一般从冷凝器开始逐级计算，其计算通式为:
式中Ar加热器疏水放热量沁或给水焙升:r，视加热器形式而定;
一一Ikg抽汽在加热器中的放热量，kJ/kg;
一一j级加热器的抽汽焙，kJ/kg;
一一汽轮机排汽焙，kJ/kg;
r一一j级加热器后更低压力抽汽口脚码
2)新蒸汽等效热降的计算
Ikg新蒸汽的实际作功，即新蒸汽等效热降H计算如下:
式中——新蒸汽的毛等效热降，kJ/kg;
对再热机组，
——各种附加成分如给水泵焓升、轴封漏汽等引起的作功损失。
（2）热力系统变工况计算
热力系统变工况计算是指系统的工况发生变动，偏离设计工况或者偏离某一基准工况。热力系统工况发生变动的原因是多方面的，比如机组热、电负荷变化，热力系统及设备发生变动(含改造)以及蒸汽初、终参数及再热参数发生变化等都将引起热力系统工况发生变化。
运行中的机组和热力系统很难完全处于设计的状态，从这个意义上说，变工况是运行的主要工况。所以研究机组和系统在变工况下的状态以及在变工况下的安全性和经济性，就成为非常必要而且重要的课题。对热力系统进行变工况计算是了解变工况的基本方法，是探讨热力系统安全性与经济性的重要手段。
热力系统变工况计算的目的在于确定汽轮机各抽汽口和排汽端的蒸汽参数以及回热系统的各相应参数，其实质是确定汽轮机新的膨胀过程线和系统参数，这是系统变工况的安全性与可靠性分析以及经济指标计算分析的基础。
4. 热力系统分析研究的思路
影响整个机组热经济性的因素很多，除了运行管理之外有主、辅设备的设计、制造、安装等多个方面，对于同一类型的机组，由不同设计单位设计的热力系统也不尽相同，有的甚至相差很大，有些设计并不十分合理，热力系统的很多改造都能达到改动小，投资少的效果。可见，针对实际运行机组通过热力系统改造提高机组运行经济性以达到节能降耗的目的具有很大的研究价值。
电厂热力系统中影响热经济性的主要因素主要有以下几个方面：
1)最终给水温度
从热力循环的角度提高给水温度，可以提高循环吸热平均温度，提高循环热效率，但另一方面提高给水温度，回热抽汽压力提高，回热抽汽做功量减少，回热做功比减少，冷源热损失增加，又会降低机组的热经济性，所以存在一个最佳的给水温度，对应机组的热效率最大。
2)加热器给水回热分配
在回热级数一定，最终给水温度一定的前提下，存在一种最佳的回热焙升分配，使得机组的热效率最大。汽轮机通流部分改造，使机组的相对内效率提高，蒸汽的膨胀过程线变陡，抽汽参数相应变化，应重新分配各加热器的焙升，使热力系统效率最大。
3)回热加热器的疏水方式
表面式加热器的疏水方式有逐级自流和疏水泵方式，采用逐级自流会排挤低压抽汽，使机组的回热做功量减少，回热做功比减少，冷源损失增加，机组热效率降低，采用疏水泵将疏水打入本级加热器出口的主凝结水中，提高较高压力加热器的入口水温，排挤较高压力的抽汽，减少了对低压抽汽的排挤，冷源损失相对于逐级自流有所减少，可以改善机组的热经济性。
4)抽汽管道的压降
从热力学第一定律的角度分析，抽汽管道的压降会使本级回热抽汽量减少，较高压力一级的抽汽量增加，从而机组回热做功量减少，凝汽做功量增加，机组的冷源损失增加;从热力学第二定律的角度分析，抽汽管道的压降会引起做功能力损失，机组增容改造后，回热抽汽流量发生变化，抽汽压降发生变化，进而热经济性发生变化。
5)加热器端差
从热力学第一定律的角度分析，回热加热器端差的存在使本级回热抽汽量减少，较高压力一级的抽汽量增加，从而机组回热做功量减少，凝汽做功量增加，机组的冷源损失增加;从热力学第二定律的角度分析，回热加热器端差的存在使加热器存在换热温差，引起做功能力损失，机组增容改造后，回热抽汽流量发生变化，加热器端差发生变化，进而热经济性发生变化。
6)除氧器的运行方式
除氧器的运行方式有定压运行和滑压运行，定压运行时除氧器抽汽管路上装有压力调节阀，存在节流损失，从从热力学第一定律的角度分析，该压降会使本级回热抽汽量减少，较高压力一级的抽汽量增加，从而机组回热做功量减少，凝汽做功量增加，机组的冷源损失增加;机组的热效率降低;滑压运行时除氧器抽汽管路上取消压力调节阀，不存在相应的节流损失，特别是在低负荷运行时，滑压运行的除氧器比定压运行的除氧器具有更高的经济性。
7)补充水的补入地点
机组正常运行过程中不可避免会产生工质的泄漏和损失，为维持机组功率不变，需要补充相应的工质损失，补入的地点一般为除氧器或凝汽器，从凝汽器补入可以利用各级低压抽器逐级加热，总换热温差最小，相比于补入除氧器经济性有所提高，目前国内大机组都补充到凝汽器，小机组大部分补充到除氧器。
8)过热减温水
过热减温水有两种来源，一是给水泵出口的主给水，一是高加出口的主给水，高加出口的主给水作为减温水与主给水循环一致，不会影响主循环的吸热平均温度，因而不会影响机组的热经济性;给水泵出口的主给水作为减温水，会降低循环的吸热平均温度，从而降低机组的热经济性。
9)再热减温水
再热蒸汽温度的调节正常时使用烟气侧调节，但烟气侧调节困难时要采用喷水调节，而再热器减温水来自于给水泵中间抽头，再热喷水会使循环的吸热平均温度降低，从而降低机组的热经济性。
10)轴封漏气的回收利用
为防止高压缸蒸汽外漏，低压缸空气内漏，需要设置轴封供汽系统，同时应回收轴封漏汽，以减少工质和热量损失，轴封漏汽的回收应按照能级匹配的原则，引入相应能级的回热加热器中，尽量减少不可逆损失。
11)锅炉连续排污扩容蒸汽的回收利用
为保证过热蒸汽的品质，减少蒸汽含盐量，汽包锅炉都设有连续排污，由于排污水量较多，为减少工质和热量损失，设置连续排污扩容蒸汽回收利用系统，一般扩容蒸汽都引入除氧器。
12)暖风器疏水的回收利用
为防止锅炉尾部受热面发生低温腐蚀，空气预热器入口的空气管路上设置暖风器，利用汽轮机回热抽汽加热冷空气以提高进入空气预热器的入口风温，暖风器疏水应回收到热力系统相应的抽汽能级，以减少补充水量，提高机组的经济性。应该考虑这部分热量的回收利用。
5. 总结
提高能源利用效率、减少环境污染成为世界各国发展的重要战略方针。尤其是电力行业，本身即是产能的行业，但更是耗能大户。努力降低火电厂的标准煤耗，对存量机组进行能耗分析，找出其节能潜力，进行节能改造并指导汽轮机组的设计，具有极其深远的意义。
参考文献：
郑体宽热力发电厂北京中国电力出版社，沈士一，庄贺庆，康松等汽轮机原理北京中国电力出版社 |
