热电联产系统中最佳冷源热网加热器的选择方法

热电联产系统中最佳冷源热网加热器的选择方法

黄国钰张宏

中海油深圳电力有限公司518120

摘要：针对热电联产系统中存在的热网加热器供热抽汽参数与热负荷匹配不合理的问题，将热网、热网加热器和供热汽轮机看作一个整体系统，通过对整个热电联产系统的全工况研究，得到热电联产系统联合性能曲线，并对其工作特性进行分析，总结出合理选择热网加热器的方法。使热电联产系统无节流工况的压力达到最低压力即达到中压缸允许的最低排汽压力，此时的热网加热器称为最佳冷源热网加热器。热电联产系统使用最佳冷源热网加热器能够充分利用低压蒸汽进行供热，减少供热抽汽时阀门的节流损失，提高机组热效率，增加发电量。

关键词：热电系统；最佳冷源热网加热器

热电联产就是供热与发电过程一体化的多联产能源系统，在于提高能源利用率。供热机组应在供热负荷相同的情况下，尽可能多发电。对供热机组而言，可以把工作蒸汽看成2股蒸汽流，一股凝汽流、另一股供热流。经通流部分各级做功、发电后进入凝汽器的蒸汽流称为凝汽流，是仅发电的蒸汽流。凝汽流冷源为凝汽器，凝汽流有冷源损失。经通流部分前几级做功、发电后被抽出，进入热网加热器对外供热的蒸汽流称为供热流，是用于发电并供热的蒸汽流。供热流冷源为热网加热器，供汽流排汽用于供热而无冷源损失，但会减少发电量。

热电联产作为一种有效的节能方式，应该尽可能深入挖掘供热抽汽的节能潜力，提高机组热效率。在供热抽汽压力范围内，不同抽汽压力的单位抽汽量所放出的热量几乎是相同的，所以只有确定合理的供热抽汽压力，才能使供热流多发电，而热网加热器正是实现供热抽汽压力与供热要求相匹配的热量转换设备。

一、热网加热器计算原理

1、热网加热器传热系数计算原理

在整个供热采暖期内，室外温度是逐渐变化的，但是要求热用户的室内温度维持在18℃左右。即不同的室外温度，对应热网不同的供、回水温度和不同的供热抽汽参数，也就是热网加热器全工况时的汽侧、水侧温度变化参数。如果热网加热器的型号已确定，并知道水侧的进、出口温度和流量，通过迭代计算，就能确定热网加热器在不同的供、回水温度时热网加热器的端差、传热系数K和相应的蒸汽参数，真正做到抽汽参数和热网供、回水温度的合理匹配。

目前，国内大型热网首站大多数都是采用管式换热器，这里以管式换热器为例，介绍其参数的确定。热网加热器的传热系数：

公aoo为管外流体传热膜系数，W/（m2⋅℃）；ai为管内流体传热膜系数，W/（m2⋅℃）；ro，ri为分别为管外、管内流体污垢热阻，（m2⋅）/W℃；Ao，Ai为换热管的外表、内表传热面积，m2；Am为换热器管内和管外的平均传热面积，m2；δ为管壁厚度，m；w为管壁材料的导热系数，W/（m2⋅℃）。

当热网加热器的端差确定后，就可得出热网加热器的饱和蒸汽温度：

ts=th+∆t+公式中th为热网回水温度，℃。

换热量公式：Φ=McP∆tm其中∆tm为换热器平均温差，℃。

根据传热学的基本理论，放热量等于换热量等于吸热量，通过迭代计算，能够准确计算出热网加热器全工况时换热管内外侧的壁温。总传热系数的计算需要知道饱和蒸汽的温度，而换热器端差计算是要知道传热系数K，从而根据饱和温度公式中才能确定供热抽汽参数，即需要对式公式进行迭代计算，准确求得热网加热器在不同的进、出口水温度时，传热系数K和相应的饱和蒸汽的温度和压力。

假设供热热网采用的是质调节的方式，热网加热器主要是利用汽化潜热加热热网水，根据传热学理论，热网水侧温升表征单位质量热网水吸热量，而抽汽焓降表征单位质量蒸汽放热量，根据公式，将所得数据绘制成该热网加热器的性能曲线，当不同的回水温度时，热网加热器消耗蒸汽量与供热抽汽压力的性能曲线，此曲线反映出热电联产系统热网供、回水温度变化（即室外温度变化）时供热抽汽参数的变化情况。

二、最佳冷源热网加热器的确定

1、最佳冷源热网加热器的定义

无节流工况是热电联产系统供热抽汽压力的最低值，而机组在实际运行过程中，根据最大供热工况选择的热网加热器，不能充分利用或无法利用中压缸允许的最低排汽压力，造成供热抽汽时阀门的节流损失很大，能源品位的浪费，增加了供热抽汽损耗的发电量。因此，应将中压缸允许的最低排汽压力和热网侧的供热要求结合在一起，合理选择热网加热器，充分利用中压缸允许的最低排汽压力，减小节流损失，进一步提高供热效率。根据热电联产系统联合特性可知，当机组在无节流工况运行时，其供热抽汽压力为中压缸抽汽过程中的最低压力。使热电联产系统的无节流工况点的压力达到最低压力即中压缸允许的最低排汽压力时的热网加热器，称为最佳冷源热网加热器。

2、最佳冷源热网加热器参数的确定

最佳冷源热网加热器的设计需要将汽轮机中压缸允许的最低抽汽压力与汽轮机低压缸特性、热网加热器特性、热网系统供回水温度与供热负荷特性有机地结合在一起，计算得出其主要参数。

2.1首先需要明确汽轮机中压缸允许的最低排汽压力。在无节流工况时，供热抽汽控制阀和低压缸调节阀全开，中压缸的最低排汽压力等于低压缸的进口压力等于热网加热器的进汽压力。

2.2根据低压缸性能，已知低压缸的进口压力，可得到低压缸的进口流量；进入热网加热器的供热抽汽量为中压缸的排汽流量与低压缸进汽流量之差。

3.3根据中压缸的热力过程可知中压缸的最低排汽压力和额定工况时中压缸的初压和背压，由于中压缸的进汽流量不变，根据弗流格尔公式，计算出中压缸在最低排汽压力时的初压；又因为中压缸的进口温度不变，可知中压缸在最低排汽压力时的进口焓；根据中压缸的初压和最低排汽压力确定其理想焓降，再乘以中压缸的效率，得到其中压缸在最低排汽压力时的实际焓降；所以中压缸在最低排汽压力时排汽焓为其进口焓与实际焓降之差。

4.4热电联产系统在无节流工况运行时，供热抽汽的过热蒸汽焓等于中压缸的排汽焓，供热抽汽的过热蒸汽焓与抽汽的疏水焓值（按饱和水焓计算）之差为供热抽汽在热网加热器中的焓降；而供热抽汽的焓降和供热抽汽量之积为蒸汽的放热量；热网加热器中，供热抽汽的放热量等于热网水侧的吸热量，并根据热网的性能，已知热网的循环水量，得到相应热网水的温升和相应的供、回水温度。根据上述内容，就可确定热电联产系统无节流工况运行时，中压缸的排汽压力为最低排汽压力时，热网加热器水侧的进、出口温度、流量以及汽侧的供热抽汽压力、饱和蒸汽温度和抽汽量。最佳冷源热网加热器主要参数计算的逻辑关系

可选择满足该条件的热网加热器，而不是根据最大供热负荷选择热网加热器；或根据这些参数对最佳冷源热网加热器进行方案设计，根据热电联产系统联合特性和中压缸最低排汽压力选择或设计的最佳冷源热网加热器，能够在热电联产系统全工况运行时，充分、合理的利用中压缸最低排汽压力，并使供热抽汽控制阀和低压缸调节阀的节流损失最小，使供热流更多的做功，增加机组发电量。

结束语：综上所述，对热电联产集中供热领域进行研究时，应把供热机组、换热器、热网、热用户看作一个整体，才能全面准确地对其进行分析研究。当供热机组抽汽供热时，中压缸在无节流工况时的排汽压力最低。通过对热电联产系统联合特性的分析和对无节流工况特殊性的研究，提出最佳冷源热网加热器这一概念。并根据中压缸允许的最低排汽压力和热网系统的供热参数，计算求得最佳冷源热网加热器的设计参数。以此选择的热网加热器能够合理利用汽轮机中压缸的最低排汽压力，减小机组在供暖期的节流损失，提高供热蒸汽在汽轮机中的作功能力，增加发电量。

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