汽轮机及其热力系统性能分析与优化

丁维栋

（内蒙古京宁热电有限责任公司）

0 引言

随着能源价格不断上升，我国政府部门提出节能减排要求，各行业逐渐提高对电站锅炉烟气余热利用率的重视程度，在国际上具有健全的烟气余热回收利用技术。例如：德国某电厂褐煤发电机组在烟气脱硫塔和静电除尘器间设置烟气冷却器，通过烟气来加热锅炉凝结水；前苏联在锅炉对流竖井的下部安装低温省煤器来加热水温；在我国利用广义余热系统，将烟气余热应用在日常工作，从不同方面来分析运行数据，结合经济效益和烟温变量等因素，来研究回收烟气余热加热凝结水的省煤效果。本文提出四种集成发电方案，针对不同集成方案来制定热力计算模型，从不同方面来分析机组煤耗降低量、CO2排放量、节约标煤量等因素，以此数据为基础来制作经济性评价指标，进一步分析热力计算模型，从而制定可行性方案。将影响投资成本和传热效果的参数作为研究对象，来优化烟气换热器的设计参数。

1 烟气的热力学特征

根据烟气的热力学情况，将整个换热过程分为三个阶段：第一阶段，是可凝性气体和不凝性气体都进行放热；第二阶段，随着温度不断下降，烟气温度明显低于露点温度时，有个别水蒸气凝结，从而释放大量潜在热量，其他不凝结性气体和水蒸气都释放热能；第三阶段，当烟气温度下降到露点时，水蒸气只利用凝结放热，不凝结气体则继续释放热量。工作人员可将余热回收过程分为潜热和显热两个环节，换热器通常使用逆流方式进行布置。假如低温烟气初始温度为TCO，经过显热放热过程中，其温度降低到Tc1，通过潜热放热过程温度下降到Tc2。其中TC1表示两个放热过程的转折点，Tc1以上具有热量密度低、温差大等特征，Tc1以下则表示出相反特征。同时，不同燃料燃烧后所产生的烟气中水分不同，导致其冷凝温度也存在较强的差异性。

2 烟气余热和热煤机组混合发电系统的集成方式

从低压加热器中传输出适量冷凝水流到烟气换热器中，凝结水在烟气换热器中吸收大量热量，能有效降低排烟温度，而凝结水自身温度被升高后，会重新流到低压加热器系统中。同时，将烟气换热器和低压加热器相互连接，能替代个别低压加热器作用，排挤部分低压缸抽气，将排挤抽气从低压抽气口输送到汽轮机中继续进行膨胀工作。假如机组输出功率基本相同，会降低机组煤耗、污染排放量、热耗等；如果机组燃料消耗量变化程度较小，机组可收集到大量发电量。经过除尘工序后的烟气流到烟气换热器中，经过烟水换热再进入到脱硫塔中进行脱硫工作。

基于此上述情况，本文采用四种集成方案：第一，将烟气换热器和轴封加热器进行相互连接，加热轴封堵住加热器端口的凝结水，烟气换热器端口和7号低压加热器入口相连，这种方式能有效解决机组中的抽气，被处理的抽气会重新回到汽轮机中；第二，将烟气换热器设置在7号低压加热器和8号低压加热器中间，当水资源流过烟气换热器加热时，会自动流向7号低压加热器；第三，烟气换热器和8号低压加热器出口进行关联，加热器出口会流出大量水资源，烟气换热器出口和6号低压加热器入口交叉连接，这种方式能去除机组中的气体；第四，将烟气换热器连接到7号低压加热器和6号低压加热器之间，水资源通过烟气换热器处理后进入6号低压加热器[1]。

3 锅炉热力系统性能模型

3.1 热力学模型

燃煤电站发电用煤在整个能源消耗中占据较高比例，能有效提升电站活力发电组效率，降低污染物的排放量，对提升我国整体能源利用率，解决目前限制我国社会经济发展的能源问题具有至关重要的作用，对推动我国社会经济健康发展具有重要作用。而锅炉作为燃煤电站的主要设施，其NOX排放量和锅炉热效率作为目前锅炉燃烧系统的重要因素，根据专业人员统计发现，通过优化燃烧措施，能取得较低的NOX排放和锅炉燃烧效率，是目前最实用的优化方式。而针对烟气换热器和机组集成的热力系统，工作人员可通过节约型燃料运行方式，给凝结水提供烟气换热器，烟气和凝结水换热通常是利用对流换热。同时，凝结水在烟气换热器和烟气进行相互工作时，工作人员要合理控制烟气入口温度，确定烟气换热器结构，假设烟气换热器出口温度，根据上述这些参数来取得烟气放热量和总换热量，从而优化提前假定值。

（1）烟气放热量计算

烟气释放热量是烟气换热器进口烟气和出口烟气的差值，其表达公式如下：

式中，Qs为烟气换热器中烟气放热量；B为燃煤量。

（2）传热温差计算

烟气和凝结水换热属于逆流换热，在不损失任何热量的情况下，当工作人员确定烟气出口温度后，烟气放热量和凝结水吸热量基本相同，这时可利用能量平衡公式来计算凝结水出口温度。

式中，T1为烟气换热器的烟气入口温度；T2为烟气出口温度；t1为烟气换热器侧入口水温；t2为烟气换热器水侧出口水温[2]。

3.2 锅炉燃烧系统模型

能源不仅能给人们日常生活提供物质方面的支持，还能给社会经济发展打下坚实的基础。而我国煤炭能源储备量占据世界首位，被广泛应用在我们日常生活中，但由于煤炭能源在使用过程中会产生较强污染性，和我国政府部门所提倡的绿色节能理念相违背。随着该矛盾日渐激烈，创新低碳环保煤利用技术成为人们关注的重心。首先，构建贝叶斯神经网络结构，根据需要优化的目标，来确定神经网络输出变量，将其定义为NOX浓度和热效率，再从不同方向来分析哪些因素会影响到输出变量，从而确定网络输入变量，进而控制整个神经网络的神经元数量。同时，工作人员合理控制隐层神经元数量，利用重复多次仿真实验来确定具体的神经元数量，并采用科学方式将神经元数量控制在预期范围中，通过编制能准确发现隐层神经元的最优取值范围；其次，要针对贝叶斯神经网络进行重复测试，将测试工程情况分为测试集和训练集两个方面，其中训练集是针对健全的神经网络模型进行学习，训练完成后利用测试集进行测试，来检查该种类型的审计网络泛化能力是否达到行业标准，如果泛化能力超过指定标准，则表述其预测数据准确，才能用在后期遗传算法结合中[3]。锅炉燃烧优化是在提高锅炉燃烧效率的同时，能降低NOX的排放量，但这两个目标属于相互矛盾的存在，所以要选择对应的优化目标函数，本文目标函数为：

根据上述分析，同燃料燃烧后所产生的烟气中水分不同，导致其冷凝温度也存在较强的差异性。因此，工作人员可准确计算出不可调运行数据和可调运行数据，将可调运行数据作为言传算法的优化变量，将不可调运行数据作为限制锅炉运行的基本条件[4]。

4 烟气余热和燃煤机组混合发电系统的评价指标

4.1 安全性指标

通过计算烟气露点温度发现，煤在燃烧过程中会释放大量氧化亚氮元素，当排烟温度低于标准值时，很容易给受热面带来低温腐蚀问题。为进一步避免出现低温腐蚀问题，要合理控制锅炉低温受热面锅炉和壁温的实际数据，利用公式计算出硫酸蒸汽的酸露点温度[5]：

式中，tDP,O为纯水蒸汽露点温度；SZS为燃料折算硫份；AZS为颜料折算灰份。

4.2 机组节约标煤量

每年节省标煤量为：

式中，△B为年节约标煤量；P为机组功率；n为年工作数。

4.3 氧化亚氮减排量

基于机组输出功率相同的条件下，利用烟气余热利用系统，能有效降低煤耗量和污染物排放量。因此，污染物排放降低数量为：

式中，当i=1,2,3时，λi为燃煤中的质量分数；∆ci表示污染物排放量。

5 结构参数优化

5.1 决策变量

随着社会经济不断发展，燃煤锅炉技术逐渐普及到各行业中，被各行业高度重视。但由于在燃煤锅炉技术运行中经常消耗大量能源，给我国能源储存量带来严重威胁，特别在绿色节能理念影响下，燃煤锅炉技术节能效果成为目前企业急需解决的问题。燃烧温度越高，燃料就能在床层中将物质烧透，从而降低炉渣可燃烧物质，但随着床体温度不断上升，其中NOX物质会逐渐提高。因此，在设计H型鳍片管式烟气换热器时，工作人员要考虑各种变量元素，如纵向节距、管外径、管长度、鳍片间距、鳍片厚度等环节[6]。其中管壁厚和管外径是影响磨损程度的重要因素，工作人员要结合日常生产实际要求来进行选择，本文选择采用规格为38mm×3mm；而其他因素是影响烟气换热器换热性能的主要环节。因此，决策变量向量为X=X(s1,s2,δf,hf)。决策变量数据要根据管道布置剩余距离、烟道尺寸等因素来控制。s1控制在30~200mm范围内；s2小于100mm；δ1低于1mm；δf不超过5mm；hf低于0。

5.2 目标函数

针对余热回收类规划问题，工作人员将系统最高收益作为目标函数，由于设备属于一次性投资项目，而节能收益通常出现在烟气换热器使用阶段，所以工作人员应利用资金动态指标作为目标函数。

式中，TH为每年设备所产生的纯收入；TC为设备总投资费用；x为投资效益；n为设备使用年限。随着能源价格不断上升，我国政府部门提出节能减排正常，各行业逐渐提高对电站锅炉烟气余热利用率的重视程度，在国际上具有健全的烟气余热回收利用技术。我国炼铁需要耗费的能耗较高，高炉能效是由消耗和动力组成，高炉的回收相当于二次能源的数量，在企业的能耗结构中占据一定的成分，燃料比作为高炉能耗的70%以上，在降低焦比的同时要降低燃料比，提高热风炉效率，节约动力消耗，加强二次能源回收等措施，加强高炉节能作用。因此，政府部门愈发提高对锅炉热效率的重视程度，其利用贝叶斯神经网络遗传算法，能有效控制燃煤锅炉技术能源消耗。其优化后的结构参数为：

根据大量实践数据证明，优化后的烟气换热器能满足集成系统节能要求。

6 结束语

综上所述，通过分析烟气余热特征，提出四种不同烟气余热集成方案，有利于工作人员针对实际生产中不同情况进行优化，来节约日常工作所消耗的能源。同时，将氧化亚氮减排量、机组节约标煤量作为经济性评价指标，从不同方面来分析仿真模型数据，从而制定可行性方案。