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供热机组变工况功率计算研究
摘要：本文基于热电联产冷源领域研究的需要，对比纯凝机组变工况功率的计算，利用特征通流面积的公式，研究供热机组变工况时汽轮机的变化情况，确定各工况点参数和功率变化。
关键词：热电联产；变工况；特征通流面积；
1 前言
目前，供热机组越来越受到人们的关注，集中供热已经成为了人们生活水平的重要标志，供热机组在火电机组中所占的比重越来越重，包括新上供热机组还有旧机组的供热改造。而且供热机组的参数也在不断提高，现在主力供热机组已经由100MW以下提高到了200MW、300MW，还有一些600MW的供热机组也在进行供热改造。对于传统的“由热定电”供热机组来说，仅仅需要满足供热要求即可，但是对于现在的大容量高参数的供热机组，如果还是仅仅满足供热，就会损失大量电功率[1]。
对于现在大部分的供热机组来说，仅仅考虑满足最大供热工况，没有考虑随着环境温度的变化，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的影响。对于大型供热机组来说，不仅仅需要研究供热的某一部分，如热用户、热网、供热机，而是需要把它们联合起来系统的考虑；不仅仅需要考虑热负荷的变化情况，还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，确定其电功率的变化，即需要进行供热机组的变工况计算。
2 供热机组变工况计算的原理和研究方法
现有的变工况计算都为纯凝机组的计算，供热机组的变工况研究比较缺少，而供热机组的变工况计算和纯凝机组的变工况计算有所不同。纯凝机组的变工况是根据电负荷确定主汽量，主要采用顺序的方法进行计算，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，因此就需要重新研究供热机组的变工况计算。
在研究供热机组变工况之前，首先需要了解供热机组联合特性曲线的概念，简单来说，供热机组的联合特性曲线是指供热抽汽压力以及汽轮机低压缸入口压力与供热抽气量的关系，由此曲线可以确定热负荷变化时汽轮机的供热抽汽参数。
供热机组的变工况功率计算以纯凝机组汽轮机的热力计算程序为基础；采用特征通流面积不变原理进行编程计算；并根据供热机变工况时，确定确定的中压缸排汽压力和供热抽汽流量，优先计算中压缸功率，之后再分别计算高压缸和低压缸功率[2]。
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：
（1）
G为级组流量，T0为级组温度， “0”表示级组前，“2”表示级组后，机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，求出级组的出口压力
（2）
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[3]。
基于Excel可以使计算一目了然，简单易学，方便调整文档和查看结果等特点，本次的计算模型建立在Excel之上[4]。
3 供热机组变工况功率计算实例
本次采用的计算实例为
C160/N210-12.75/535/535/0.325型汽轮机，为哈尔滨汽轮机厂制造的典型的大型供热机机型。
3.1确定各工况的理论功率
在计算之前首先需要要确定一个理论功率，用来校核之后计算得到功率的准确性。本次计算的依据为该型汽轮机的一系列热平衡图，但是在后来的计算过程中，发现热平衡图上的功率存在一定的问题，与热平衡计算所得到的功率有一定的误差，而热平衡计算则是根据热平衡图上的各段参数计算得到的，初步认为出现这种情况的原因有两个：计算所采用的焓熵表的版本不一样、计算过程中保留的有效数字不一样。因此决定选定热平衡计算的到功率为理论功率。
3.2 确定基准工况
计算过程分别选取抽汽压力为0.20Mpa、0.25Mpa、0.30Mpa和0.35Mpa，抽汽流量为250t、300t、360t和400t的一个工况作为基准功率，根据其特征同流面积和段效率，进行其它所有工况（包括抽汽压力为0.15Mpa和0.40Mpa时）的功率计算，与该工况的理论值进行比较，检查误差的大小。
Figure 1．Power curve
图1．功率曲线
图1为7组比较合适的基准工况，其中纵坐标为计算得到的功率与理论功率的误差，横坐标为各个工况点，从左到右分别为：抽汽压力0.15Mpa，抽汽量为250t、300t、360t、400t；抽汽压力为0.2Mpa，抽气量250t、300t、360t、400t……抽汽压力为0.4Mpa，抽气量为250t、300t、360t、400t等24个工况点。对图1中的基准工况进行比较，选用抽汽参数为0.25MPa、300t的工况作为基准工况时，计算的功率误差较小，计算最为准确，因此决定选择其作为基准工况。由此确定基准工况：基准工况压力值取中低压缸分缸压力设计值；基准工况抽汽量为中压缸排汽量60％。
由图1可以发现：这七组曲线从左到右呈现明显的波浪形态，而且总体来说，从左到右误差逐渐减小。由此可以确定，由于抽汽量的改变而引起的功率的误差较小，而抽汽压力的改变引起的功率的误差则较大。另外在计算过程中发现，在抽汽压力小于基准工况的抽汽压力时，功率的变化比较大，而抽汽压力大于基准工况的抽汽压力时，工况的变化比较小，特别是对于抽汽压力为0.15Mpa的工况，其误差尤其大，需要对这些误差较大的工况进行修正。
3.3.功率修正
为了继续研究在计算过程中，功率的误差是由于那一段导致的，比较选定的基准工况计算得到的各抽汽段功率与热平衡计算的各段功率进行比较。经过比较发现功率变化比较大的抽汽段为中亚缸末段和次末端、低压缸末段，其中变化最大为中亚缸末段，而在抽汽压力小于基准工况的抽汽压力时变化比较明显，而抽汽压力大于基准工况的抽汽压力时变化不大。
通过研究发现，压力降低以后，主要是因为效率变化，导致了中压缸末段的功率变化，而影响中压缸末段效率的主要因素是余速损失的增大，对抽汽压力小于基准工况抽汽压力的工况进行修正，修正方法为根据中压缸排汽余速损失变化对功率的影响进行修正：先假定基准工况中压缸排汽流速为100m/s，当中压缸排汽压力降低，即可求出相应的排汽流速，再求出流速增加使余速损失增加的差值，从而求出对功率影响差值；根据已知“基准工况功率比较”计算表明，中压缸因排汽压力降低的功率变化约为五段级组功率变化的1.5倍，经过核算，将上述计算再乘以1.52.3，对中压缸进行功率修正，修正后所得的功率与理论值的误差小于3%，如表1为修正后的功率误差。
表2.功率修正
由此我们可以看到，变工况计算程序在计算抽汽压力较小的工况时，有一定的局限性，这是因为在抽气压力较小时，汽轮机的工作状态远离额定工况，汽轮机各段工作状态比较恶劣，需要对这些工况单独对待。
4 结论
本文通过对供热机组变工况功率的计算研究，得出以下结论：
1 供热机组的变工况不同于纯凝机组的变工况，但可以借鉴于纯凝机组的变工况计算，如热力系统计算。
2 需要合理确定各工况的理论值，不能直接拿热平衡图上标明的功率作为理论功率。
3供热机组供热变工况功率计算可以选定一个基准工况，按特征通流面积不变进行计算；选定的基准工况的抽汽压力为中低压缸的分缸压力，抽气量为中压缸排气量的60%；
4抽汽压力较小时，供热机组的工作状态比较特殊，需要对这些工况单独进行修正，通过对抽汽压力小于基准工况抽汽压力的工况的功率进行修正，要使得计算出来的所有工况功率与理论值的误差小于0.3%。
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