3.3　蒸汽循環(huán)

蒸汽循環(huán)主要包括透平式汽輪機、凝汽器、工質泵、回熱器、預熱器、蒸發(fā)器、過熱器、再熱器。主要類型可以分為換熱元件及壓力變化元件。

3.3.1　換熱元件

在發(fā)電站中，主要的換熱元件有預熱器、蒸發(fā)器、過熱器及回熱器鍋爐、冷凝器及回熱器。圖3-5為兩股流換熱器示意圖，建立的模型也適用于其他模塊的簡單換熱，下文中對相似模塊將不再介紹。

換熱器中的傳熱量為

式中：mh，mc分別為熱流、冷流質量流量，kg/s；hhi 、hho 、hci 、hco分別為熱流進口比焓、熱流出口比焓、冷流進口比焓、冷流出口比焓，kJ/kg；U為平均傳熱系數(shù)，kW/m2K；A為傳熱面積，m2；ΔT為平均傳熱溫差K。

流量變化對換熱器中工質壓力損失的影響為

圖3-6為兩股流換熱器模型，每個換熱器都有兩股流，本文采用兩個Heater模塊分別模擬熱流放熱及冷流吸熱的過程，熱流放熱為冷流吸熱過程提供熱量Q。

在Heater模塊中，輸入?yún)?shù)為壓力、溫度、濕度，由于有熱量Q的存在，冷流側換熱器只需要輸入壓力或者溫度中的一個參數(shù)，由于出口溫度一般未知，所以采用壓力輸入。由于在實際的換熱器中存在壓力降，所以這里熱端換熱器及冷端換熱器的壓力均由Calculator模塊根據(jù)進口壓力及所計算的壓力降來定義。

以上是只有兩股流的常規(guī)換熱器，由于回熱器有多股流及不同的型式，其計算相對于常規(guī)兩股流換熱器更加復雜，回熱器原理見圖3-7。［46］

蒸汽散熱量為

式中：qj為抽汽放熱量，kJ/kg；γj為給水加熱量，kJ/kg；τj為疏水放熱量，kJ/kg；Ej為回熱器型式，0為表面式，1為混合式；hB，j為第j級加熱器蒸汽比焓，kJ/kg；hd，j為第j級加熱器疏水比焓，kJ/kg；hf，j為第j級加熱器出口水比焓，kJ/kg。

回熱器模型見圖3-8。在回熱器中（圖3-8），進口流可能只有抽汽，也可能有抽汽及前一級回熱器的疏水。為了簡化模型，在抽汽及疏水進入換熱器時，將兩股流混合匯成一股流作為熱端換熱器輸入，而且假設熱流側疏水均為飽和水狀態(tài)。其他的條件同常規(guī)換熱器。

另外，由于除氧器屬于混合式換熱器，所以采用Mixture模塊模擬除氧器。其輸入?yún)?shù)為壓力。假設在除氧過程中壓力降為0。

在實際操作過程中換熱器熱流進口溫度與冷流出口溫度之間，熱流出口溫度及冷流進口溫度之間存在最小溫度差，而這個溫度差在這里由設計規(guī)定來實現(xiàn)。因此針對每一級回熱器設定一個設計規(guī)定，通過控制抽汽量來實現(xiàn)每一級的出口溫度差達到合適的范圍。針對除氧器H3，控制目標為出口蒸汽比例為0。

3.3.2　汽輪機

汽輪機是將蒸汽的內(nèi)能轉換成軸的動能的組件。由于在汽輪機中存在抽汽，在抽汽后的級中流量存在變化，因此在兩個抽汽口之間的級的總體稱為級組，其進出口有相同的質量流量。級組的原理圖見圖3-9，兩個虛線框中分別表示兩個級組。［46，49］

式中：mj，i、mj，o為第j級級組的進出口流量，kg/s；Bj為第j級級組的抽汽量，kg/s。

汽輪機的理想過程是絕熱膨脹，實際中并不能實現(xiàn)

式中：hj，i、hj，o、hj，os分別為第j級組進口、出口及理論出口比焓，kJ/kg；ηj，is為第j級絕熱效率；Wj為第j級級組做功，kW；mj為第j級級組流量，kg/s；Pj，o為第j級出口壓力，MPa；sj，i為第j級進口比熵，kJ/kg·K；ηe為電機效率；ηm為機械效率；Pe為發(fā)電功率，kW。

在汽輪機中，進口流量或者壓力變化會對級組其他因素造成影響，其中對流量與壓力的相互影響關系式為［49-51］

式中：m、mref分別為當前進口質量流量、參考進口質量流量，kg/s；pi、po分別為級組當前進口壓力、當前出口壓力，MPa；pi，ref、po，ref分別為級組參考進口壓力、參考出口壓力，MPa。

流量變化對級組等熵效率的影響為［12］

在模擬過程中，級組在Aspen中用Compr模塊來表示。Compr模塊的主要輸入?yún)?shù)是等熵效率及出口壓力相關的參數(shù)，例如出口壓力、壓力降等。每個級組的精確性很大程度上取決于等熵效率的準確性。還有一個主要參數(shù)是機械效率，其缺省值為100%，本文取缺省值。當采用Compr計算等熵膨脹的輸出功時，通過FSplit模塊被分成兩股流，其中一股是抽汽部分B，另一股流則是下一個機組的進口流T1-I。這兩股流的分配由一個設計規(guī)定來控制，這個設計規(guī)定通過控制兩股流的比例或者流量分配以實現(xiàn)回熱器出口溫度差達到合適的范圍。

在運行過程中，常會因為工況改變級組流量產(chǎn)生變化，按照前面提到的流量與壓力及流量與等熵效率之間的關系，在進口壓力不變時，出口壓力、等熵效率也會變化，而出口壓力及等熵效率均是輸入?yún)?shù)，所以本文用一個Calculator模塊來寫入流量變化時級組變化后的參數(shù)，使模擬過程順利進行，級組模型見圖3-10。

每一個級組都會產(chǎn)生功，要知道汽輪機總體做功需要針對所有級組做的功做加法，這個加法功能可以由一個Mixer模塊來完成。當考慮到發(fā)電機的發(fā)電損失時，可以對輸出總功率做減法，這個減法功能可以由FSplit模塊來模擬，其中電功率的比例因子是發(fā)電機效率。

3.3.3　泵

等熵效率也常常用來表示泵的性能。各項因子定義與汽輪機類似，但是要注意分子與分母位置的區(qū)別。在汽水循環(huán)中，有冷凝泵及給水泵，各自的等熵效率不同。等熵效率的計算公式為

式中：ηis為泵的等熵效率。

3.3.4　模型驗證

在Aspen Plus中，根據(jù)抽汽口的位置，把汽輪機分為7個級組。每兩個抽汽口中間的級的總體稱為級組，每個級組中間的蒸汽流量相同。高壓缸分為2個級組T1、T2，低壓缸分為4個級組T3～T6。蒸汽循環(huán)模型見圖3-11。

將本模型的計算結果與Lippke的SEGS-Ⅵ蒸汽循環(huán)參數(shù)結果進行比較，見表3-4。可以看出，抽汽流量計算值與參考值有良好的匹配性。由于在第2、5、6級組中存在氣液兩相態(tài)，使計算結果與參考值差別較大，但是也保持在可接受范圍內(nèi)。

在發(fā)電機效率為97%的情況下，模擬發(fā)電量為35002 kW，參考數(shù)據(jù)為34985 kW，相對誤差只有0.4%，這證明本模型得出的數(shù)據(jù)是比較可靠的。

換熱器端差計算值見表3-5。與之前假設條件中設定的10℃相比，盡管存在誤差，但是均在容差范圍內(nèi)，而且在實際設備中也是可行的。

根據(jù)能量平衡關系

從熱源吸收的熱量-釋放至冷源的熱量=系統(tǒng)做功

QB-QCO=35.01MW，W-WCP-WFP=34.97MW，相對誤差為0.15%。其中QB為鍋爐供熱量，QCO為冷凝器放熱量，W為汽輪機做功量，WCP為冷凝水泵功率，WFP為給水泵功率。