新型梯级循环EC机组在环境检测中的性能分析
摘要：从?的角度出发，对带背压式给泵汽机的梯级循环机组的性能进行全面分析。首先，对具有相同回热级数及压力参数的常规超超临界机组与梯级循环机组进行建模；其次，将模型的热力参数仿真结果与系统设计值对比以检验模型的精度；第三，从?的角度对比分析了两种机组的部件效率差异；基于上述分析，得出EC系统拥有更高的性能得益于回热系统?损失的大大降低。
关键字：超超临界；EC系统；背压式给泵汽轮机
中图分类号：X830.5 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）04-0180-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.085
Abstract： From the point of view， the performance of the cascade cycle unit with pump back to the pump is analyzed comprehensively. Firstly， the conventional super-supercritical unit and the cascade cycle unit with the same regenerative series and pressure parameters are modeled. Secondly， the simulation results of the thermal parameters of the model are compared with the system design values to test the accuracy of the model. Thirdly， Based on the above analysis， it is concluded that the EC system has a higher performance thanks to the greatly reduced loss of the regenerative system.
Key words： ultra-supercritical； EC system； back pressure type pump turbine
燃煤电厂超超临界的回热系统的高压加热器抽汽通常来自于再热后的高能级蒸汽，这些蒸汽过热度很高，不仅使得回热加热器的造价很高，同时导致这些部件能级损失很大。因而，丹麦Dong Energy公司提出并采用的MC（master cycle）系统[1]，通过带抽汽回热的背压式汽轮机T-Turbine给部分高加提供汽源，降低系统造价的同时降低了加热器部件的?损，为双再热机组的系统设计提供了新的思路。国内甲湖湾单次再热项目中也将带抽汽回热背压式给泵汽轮机（BEST，back extraction steam turbine）的EC（echelon cycle）系统运用到机组中[2]。
Sven Kjaer等对MC系统进行了汽轮机组主要参数的优化及热经济性评价，结果表明：该系统能够改善抽汽过热度过高的情况，且其热效率可达53%[1]；蔡晓燕等人[2-3]对700℃超超临界机组进行了热力系统设计及?分析，结果表明：采用MC系统机组的热经济性比常规热力系统机组的热经济性高，主要体现在MC系统中汽轮机系统的中压缸、第3-6级加热器具有更高的热经济性。杨宇等采用能级效率法对配置EC系统的机组中各加热器的能量损失进行解耦分析，结果表明：各级加热器对于降低热力系统热耗率的贡献从低压级向高压级逐级递减[4-5]。
目前关于EC系统的文献较少，仅有的文献也未对EC系统与常规超超临界机组的整体性能进行评价及部件?效率进行对比。本文以此为背景，建立电站汽轮机系统的性能计算模型，从热耗和?效率两个角度对EC的整体性能和部件?效率进行评估，从而为系统设计和运行优化提供指导。
1 EC系统建模
与常规超超临界机组的热力系统相比，EC系统最大的特点就是取消了中压缸的抽汽，将传统的凝汽式给泵汽机改为BEST，其进汽来自于冷再，抽汽至#3、4高压加热器、除氧器，其排汽进入#6低压加热器。热力系统示意图如图1所示。依据图1所示的系统结构图，分别建立汽轮机、锅炉以及回热器等各部件模块。
1.1 汽轮机
采用级组的方式对汽轮机通流部分进行建模。级组由流量相同的若干个连续排列的级构成，因而在每个抽汽口将各汽轮机分段处理。根据质量、能量守恒方程，Stodolas Ellipse law [6]和厂家提供的级组效率曲线进行变工况计算。
式中：K1为常数，m为汽机流量，P1、V1分别为汽机入口压力、比容，r为本段汽机的膨胀比。
1.2 锅炉
本文建立的锅炉模型主要针对锅炉汽水系统。根据质量、能量平衡方程及汽水压力损失建立平衡方程，锅炉的压力损失方程如下：
式中：K2为常数，G为流经锅炉的质量流量，v为管内工质的平均比容。
1.3 回热系统
回热系统用于将汽机一部分蒸汽引入加热器加热给水或凝水，从而提高整机热效率。加热器主要有表面式和混合式两种类型。其中表面式加热器可看作逆流换热器，用于实现汽水间的能量交换。一般由蒸汽冷却段、冷凝段及疏水冷却段构成，部分加热器仅包含一段或者两段。除氧器则是属于混合式加热器，不但实现能量的交换，还有质量的混合，并保证了出口给水为饱和状态。
对于表面式加热器，在变工况计算时，可假设上、下端差基本不變，进而确定抽汽量和疏水温度。不带冷凝段的表面式加热器疏水温度为其对应压力下的饱和温度。
2 EC系统模型变工况分析及验证
针对各部件的模型，依据图1所示的结构在IpsePro平台上建立相应的EC系统模型。其中在设计工况下，计算出各设备的部件结构参数；在变工况下则由固定的结构参数计算出相应的性能参数。为了验证建立模型的准确性，分别比较了75%和50%工况点的各性能参数，如表1所示。
3 EC系统?性能分析
3.1 ?分析方法
在给定的压力和温度环境下，?表征从所处状态到与环境相平衡的状态的可逆过程中，对外界做出的最大有用功[7-8]。根据能量形式不同，?可分为机械?，热量?，焓?，化学?等。电站热力系统主要涉及机械?，焓?和燃料?。在稳态条件下，对于任意部件的控制容积内，通用的?损方程为：
式中等号右侧第一、二项代表流入、流出控制容积的物质?；第三、四项代表涉及热交换的?，其中T0为系统周围的环境温度，Q为系统处于恒定温度T下，系统边界和环境发生的热交换率；等号右侧最后一项代表控制容积的输入或输出功。
对于稳定物质流的?，可定义为：稳定物质流从任一给定状态流经开口系统以可逆的方式转变到环境状态，并且只与环境交换热量时，所能做出的最大有用功。本文研究中，物质流经控制容积的物理?的计算公式可表示为：
式中h0、s0分别为系统周围环境的比焓、比熵。
3.2 EC系统与常规系统比较
EC系统与常规超超临界热力系统相比，取消了中压缸抽汽，采用了BEST给部分加热器提供回热汽源，因此，主要对3号、4号、除氧器和5号加热器进行了?分析。
为了对比分析EC系统与带有十级回热的常规超超临界机组因回热系统差异引起的整机性能变化，除了系统差异部分的热力参数以外，两个系统的热力和性能参数应尽可能取得一致。因此，假设两个系统对应各级组焓降相等，相应的效率相同；對应各加热器上下端差一致；高压抽汽管道压损均为3%，低压抽汽管道压损均为5%，主再热蒸汽参数及排汽参数也一致。两系统的主要输入参数如表2所示。
以1atm，20℃的环境条件作为?值计算相对基准值。对3号，4号高压加热器，除氧器及6号低压加热器?损和?效率进行相应的分析。结果如表4中所示。
从表3可以看出，与常规超超临界机组相比，EC系统取消了过热度很高的中压缸抽汽，部分加热器选择从BEST中抽取过热度较低的蒸汽，因而这些部件的?损失大大降低，?效率显著提高。
另外，从表3中可看出EC系统中除氧器[7]的?损降低特别明显，原因主要有以下几点：
（1）常规超超临界中除氧器汽源温度为387℃，过热度高达195℃，而EC系统中除氧器的加热汽源为饱和蒸汽，进入除氧器后凝结为饱和水，从热量角度释放出大量的汽化潜热，但是从?角度来看，?损失非常小。这就如同凝汽器的热量损失很大，但是?损失却很小。
（2）EC系统中高压加热器的汽源过热度较低，因而在保证相同的给水温度的前提下，高加就需要更多的抽汽量，这使得进入除氧器的高加疏水量[8]增加，因而可使除氧器需要的抽汽量减少43%左右。
4 结论
本文分别对带BEST的EC系统和同等级参数常规超超临界汽轮机热力系统建立数学模型，首先参照设计参数验证了模型的精准度，然后基于?指标分析方法对仿真结果进行对比和分析。具体结论如下：
（1）从?效率的角度来看， EC系统取消了过热度很高的中压缸抽汽，采用BEST小机抽汽，使得#3、4高加，除氧器以及#6低加的部件?效率大大提高。
（2）?分析法对于机组的设计和运行优化都有十分重要的指导作用。?效率则可以解释EC系统为什么可以获得更高的性能。
（3）?指标分析方法对于机组设计和节能改造都重要的指导意义。
参考文献
[1] Kjaer S， Drinhaus F. A Modified Double Reheat Cycle[C]// ASME 2010 Power Conference. 2010：285-293.
[2]蔡小燕，张燕平，李钰等. 700 ℃超超临界燃煤发电机组热力系统设计及?分析[J].动力工程学报，2012，32（12）：971-978.
[3]陶新磊.大型燃煤机组蒸汽参数设计优化与能耗分析[D]. 北京：华北电力大学， 2013.
[4]杨宇，范世望，蒋俊等.采用EC系统的1000MW超超临界机组能级利用分析[J].热力透平，2015，44（3）：151-155.
[5]杨宇，范世望，蒋俊等.超超临界1000MW机组加热器对系统热耗率的影响[J].热力发电， 2016， 45（5）：79-83.
[6]Erbes M R. Phased construction of integrated coal-gasification combined-cycled power plants[R]. Stanford Univ.， CA （USA）， 1987.
[7]闫丽涛. 300MW火力发电机组热力系统（?）分析及优化研究[D]. 保定：华北电力大学， 2009.
[8] Erdem H H， Akkaya A V， Cetin B， et al. Comparative energetic and exergetic performance analyses for coal-fired thermal power plants in Turkey[J]. International Journal of Thermal Sciences， 2009， 48（11）：2179-2186.
作者简介：邬文泰（1966-），男，工学硕士，研究方向为汽轮机给泵系统及燃气轮辅助系统等。
关键字：超超临界；EC系统；背压式给泵汽轮机
中图分类号：X830.5 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）04-0180-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.085
Abstract： From the point of view， the performance of the cascade cycle unit with pump back to the pump is analyzed comprehensively. Firstly， the conventional super-supercritical unit and the cascade cycle unit with the same regenerative series and pressure parameters are modeled. Secondly， the simulation results of the thermal parameters of the model are compared with the system design values to test the accuracy of the model. Thirdly， Based on the above analysis， it is concluded that the EC system has a higher performance thanks to the greatly reduced loss of the regenerative system.
Key words： ultra-supercritical； EC system； back pressure type pump turbine
燃煤电厂超超临界的回热系统的高压加热器抽汽通常来自于再热后的高能级蒸汽，这些蒸汽过热度很高，不仅使得回热加热器的造价很高，同时导致这些部件能级损失很大。因而，丹麦Dong Energy公司提出并采用的MC（master cycle）系统[1]，通过带抽汽回热的背压式汽轮机T-Turbine给部分高加提供汽源，降低系统造价的同时降低了加热器部件的?损，为双再热机组的系统设计提供了新的思路。国内甲湖湾单次再热项目中也将带抽汽回热背压式给泵汽轮机（BEST，back extraction steam turbine）的EC（echelon cycle）系统运用到机组中[2]。
Sven Kjaer等对MC系统进行了汽轮机组主要参数的优化及热经济性评价，结果表明：该系统能够改善抽汽过热度过高的情况，且其热效率可达53%[1]；蔡晓燕等人[2-3]对700℃超超临界机组进行了热力系统设计及?分析，结果表明：采用MC系统机组的热经济性比常规热力系统机组的热经济性高，主要体现在MC系统中汽轮机系统的中压缸、第3-6级加热器具有更高的热经济性。杨宇等采用能级效率法对配置EC系统的机组中各加热器的能量损失进行解耦分析，结果表明：各级加热器对于降低热力系统热耗率的贡献从低压级向高压级逐级递减[4-5]。
目前关于EC系统的文献较少，仅有的文献也未对EC系统与常规超超临界机组的整体性能进行评价及部件?效率进行对比。本文以此为背景，建立电站汽轮机系统的性能计算模型，从热耗和?效率两个角度对EC的整体性能和部件?效率进行评估，从而为系统设计和运行优化提供指导。
1 EC系统建模
与常规超超临界机组的热力系统相比，EC系统最大的特点就是取消了中压缸的抽汽，将传统的凝汽式给泵汽机改为BEST，其进汽来自于冷再，抽汽至#3、4高压加热器、除氧器，其排汽进入#6低压加热器。热力系统示意图如图1所示。依据图1所示的系统结构图，分别建立汽轮机、锅炉以及回热器等各部件模块。
1.1 汽轮机
采用级组的方式对汽轮机通流部分进行建模。级组由流量相同的若干个连续排列的级构成，因而在每个抽汽口将各汽轮机分段处理。根据质量、能量守恒方程，Stodolas Ellipse law [6]和厂家提供的级组效率曲线进行变工况计算。
式中：K1为常数，m为汽机流量，P1、V1分别为汽机入口压力、比容，r为本段汽机的膨胀比。
1.2 锅炉
本文建立的锅炉模型主要针对锅炉汽水系统。根据质量、能量平衡方程及汽水压力损失建立平衡方程，锅炉的压力损失方程如下：
式中：K2为常数，G为流经锅炉的质量流量，v为管内工质的平均比容。
1.3 回热系统
回热系统用于将汽机一部分蒸汽引入加热器加热给水或凝水，从而提高整机热效率。加热器主要有表面式和混合式两种类型。其中表面式加热器可看作逆流换热器，用于实现汽水间的能量交换。一般由蒸汽冷却段、冷凝段及疏水冷却段构成，部分加热器仅包含一段或者两段。除氧器则是属于混合式加热器，不但实现能量的交换，还有质量的混合，并保证了出口给水为饱和状态。
对于表面式加热器，在变工况计算时，可假设上、下端差基本不變，进而确定抽汽量和疏水温度。不带冷凝段的表面式加热器疏水温度为其对应压力下的饱和温度。
2 EC系统模型变工况分析及验证
针对各部件的模型，依据图1所示的结构在IpsePro平台上建立相应的EC系统模型。其中在设计工况下，计算出各设备的部件结构参数；在变工况下则由固定的结构参数计算出相应的性能参数。为了验证建立模型的准确性，分别比较了75%和50%工况点的各性能参数，如表1所示。
3 EC系统?性能分析
3.1 ?分析方法
在给定的压力和温度环境下，?表征从所处状态到与环境相平衡的状态的可逆过程中，对外界做出的最大有用功[7-8]。根据能量形式不同，?可分为机械?，热量?，焓?，化学?等。电站热力系统主要涉及机械?，焓?和燃料?。在稳态条件下，对于任意部件的控制容积内，通用的?损方程为：
式中等号右侧第一、二项代表流入、流出控制容积的物质?；第三、四项代表涉及热交换的?，其中T0为系统周围的环境温度，Q为系统处于恒定温度T下，系统边界和环境发生的热交换率；等号右侧最后一项代表控制容积的输入或输出功。
对于稳定物质流的?，可定义为：稳定物质流从任一给定状态流经开口系统以可逆的方式转变到环境状态，并且只与环境交换热量时，所能做出的最大有用功。本文研究中，物质流经控制容积的物理?的计算公式可表示为：
式中h0、s0分别为系统周围环境的比焓、比熵。
3.2 EC系统与常规系统比较
EC系统与常规超超临界热力系统相比，取消了中压缸抽汽，采用了BEST给部分加热器提供回热汽源，因此，主要对3号、4号、除氧器和5号加热器进行了?分析。
为了对比分析EC系统与带有十级回热的常规超超临界机组因回热系统差异引起的整机性能变化，除了系统差异部分的热力参数以外，两个系统的热力和性能参数应尽可能取得一致。因此，假设两个系统对应各级组焓降相等，相应的效率相同；對应各加热器上下端差一致；高压抽汽管道压损均为3%，低压抽汽管道压损均为5%，主再热蒸汽参数及排汽参数也一致。两系统的主要输入参数如表2所示。
以1atm，20℃的环境条件作为?值计算相对基准值。对3号，4号高压加热器，除氧器及6号低压加热器?损和?效率进行相应的分析。结果如表4中所示。
从表3可以看出，与常规超超临界机组相比，EC系统取消了过热度很高的中压缸抽汽，部分加热器选择从BEST中抽取过热度较低的蒸汽，因而这些部件的?损失大大降低，?效率显著提高。
另外，从表3中可看出EC系统中除氧器[7]的?损降低特别明显，原因主要有以下几点：
（1）常规超超临界中除氧器汽源温度为387℃，过热度高达195℃，而EC系统中除氧器的加热汽源为饱和蒸汽，进入除氧器后凝结为饱和水，从热量角度释放出大量的汽化潜热，但是从?角度来看，?损失非常小。这就如同凝汽器的热量损失很大，但是?损失却很小。
（2）EC系统中高压加热器的汽源过热度较低，因而在保证相同的给水温度的前提下，高加就需要更多的抽汽量，这使得进入除氧器的高加疏水量[8]增加，因而可使除氧器需要的抽汽量减少43%左右。
4 结论
本文分别对带BEST的EC系统和同等级参数常规超超临界汽轮机热力系统建立数学模型，首先参照设计参数验证了模型的精准度，然后基于?指标分析方法对仿真结果进行对比和分析。具体结论如下：
（1）从?效率的角度来看， EC系统取消了过热度很高的中压缸抽汽，采用BEST小机抽汽，使得#3、4高加，除氧器以及#6低加的部件?效率大大提高。
（2）?分析法对于机组的设计和运行优化都有十分重要的指导作用。?效率则可以解释EC系统为什么可以获得更高的性能。
（3）?指标分析方法对于机组设计和节能改造都重要的指导意义。
参考文献
[1] Kjaer S， Drinhaus F. A Modified Double Reheat Cycle[C]// ASME 2010 Power Conference. 2010：285-293.
[2]蔡小燕，张燕平，李钰等. 700 ℃超超临界燃煤发电机组热力系统设计及?分析[J].动力工程学报，2012，32（12）：971-978.
[3]陶新磊.大型燃煤机组蒸汽参数设计优化与能耗分析[D]. 北京：华北电力大学， 2013.
[4]杨宇，范世望，蒋俊等.采用EC系统的1000MW超超临界机组能级利用分析[J].热力透平，2015，44（3）：151-155.
[5]杨宇，范世望，蒋俊等.超超临界1000MW机组加热器对系统热耗率的影响[J].热力发电， 2016， 45（5）：79-83.
[6]Erbes M R. Phased construction of integrated coal-gasification combined-cycled power plants[R]. Stanford Univ.， CA （USA）， 1987.
[7]闫丽涛. 300MW火力发电机组热力系统（?）分析及优化研究[D]. 保定：华北电力大学， 2009.
[8] Erdem H H， Akkaya A V， Cetin B， et al. Comparative energetic and exergetic performance analyses for coal-fired thermal power plants in Turkey[J]. International Journal of Thermal Sciences， 2009， 48（11）：2179-2186.
作者简介：邬文泰（1966-），男，工学硕士，研究方向为汽轮机给泵系统及燃气轮辅助系统等。
