低压给水再循环系统在燃气-蒸汽联合循环机组中应用的必要性.pdf

现 代 制 造 技 术 与 装 备862023 年第 9 期总第 322 期低压给水再循环系统在燃气-蒸汽联合循环机组中应用的必要性陆雨非（上海闵行燃气发电有限公司，上海 200245）摘 要：在一些燃气-蒸汽联合循环机组中，低压给水再循环系统的投用率并不高。文章研究低压给水再循环系统在整个机组中的应用，并从安全性和经济性两方面分析此系统在日常生产中应用的必要性，为以后此系统的投用方式提供建议和参考。关键词：低压给水再循环系统；低温腐蚀；仿真；数字孪生Necessity of Application of Low Pressure Feed Water Recirculation System in Gas-Steam Combined Cycle UnitLU Yufei(Shanghai Minhang Gas Power Generation Co.,Ltd.,Shanghai 200245)Abstract:In some gas-steam combined cycle units,the operation rate of low pressure feed water recirculation system is not high.This paper will study the application of low pressure water supply recirculation system in the whole unit,and analyze the necessity of the application of this system in daily production from two aspects of safety and economy,and provide suggestions and references for the future application of this system.Keywords:low pressure feed water recirculation system;low temperature corrosion;simulation;digital twin燃气-蒸汽联合循环技术是一种先进的发电技术，可以提高火力发电厂的热效率。余热锅炉作为燃气-蒸汽联合循环机组的重要设备，利用燃机排气的高热量换热将水变成蒸汽，使过热蒸汽在汽轮机里做功，承担着燃气轮机与汽轮机之间承上启下的重要枢纽作用。低压给水再循环系统位于锅炉低压侧，给水预热器进口与出口之间。以上海某 465 MW 燃气-蒸汽联合循环机组为例，其低压给水再循环系统的投入使用率并不高，文章从安全性和经济性两方面探讨低压给水再循环系统在燃气-蒸汽联合循环机组中应用的必要性。1 燃气-蒸汽联合循环安全性余热锅炉腐蚀是实际使用过程中的一项重大问题。低温腐蚀主要是由于燃料中含有硫，在燃烧过程中将产生 SO2。一部分 SO2进一步氧化成 SO3，与烟气中的水蒸气反应生成硫酸蒸汽1。对于无补燃余热锅炉来说，尾部受热面的壁温并不是特别高。当其壁温低于硫酸蒸汽露点时，受热面上会凝结硫酸蒸汽进而腐蚀锅炉管道。低压给水再循环系统是解决低温腐蚀的常用手段。给水预热器出口的水通过再循环泵回到给水预热器进口，以提高给水预热器的进口水温，使得烟气尾部金属壁面温度高于硫酸蒸汽的凝结点，防止受热面发生低温腐蚀。对于燃气轮机来说，它的主要污染物构成为氮氧化物，几乎没有氧化硫。甲烷气体是天然气的主要成分，水分、灰分含量非常少2，在燃气轮机燃烧筒中燃烧后主要生成 CO2和水，并释放大量热量。因此，低压给水再循环系统在以天然气为燃料的燃气轮机机组中，对余热锅炉的安全性保护并无必要。2 燃气-蒸汽联合循环经济性基于高级过程模拟（Advanced Process Simulation，APROS）仿真数字孪生建模，在机组运行中低压给水再循环系统投入及退出情况下，对余热锅炉的效率、汽机的效率等参数进行比较，从经济性角度探索低压给水再循环系统对燃气-蒸汽联合循环机组的必 要性。2.1 APROS 模型APROS 是由芬兰国家技术研究中心和芬兰富腾工程有限公司联合开发的一个用于工业过程全范围建模和仿真的软件，其仿真系统由图形界面、模型库、仿真实时数据库、热力计算库以及仿真引擎共 5 部分组成。其中，热力计算库中提供了 2 种计算模型，包括一维水、水蒸气或气体均质流动模型和二维汽水两相流模型3。设 计 与 研 究87APROS 中均质流体模型主要包括一维质量守恒、动量守恒以及能量守恒方程。质量守恒方程为()+=0utx（1）式中：x为空间坐标，m；t为时间坐标，s；为流体密度，kg m-3；u为沿x方向的速度，m s-1。动量守恒方程为()2()+=xwuupgFtxx+（2）式中：p为压强，Pa；gx为重力加速度，m s-2；Fw为避免摩擦力，N。能量守恒方程为()()+=wuhhpQtxx+（3）式中：h为流体比焓，kJkg-1；Qw为壁面热流量，W m-2。2.2 泵模型的仿真实现低压给水再循环系统里最重要的设备就是再循环泵，将泵的工作流量设为Gw、工作压头设为Hw。当工作流量Gw=0 时，工作压头等于静压头；当工作流量Gw 0 时，随着流量Gw的增加，系统的总阻力也会随之增加。泵的工作点由泵的特性曲线和系统的阻力曲线来决定。如果系统总阻力增加，则系统的流量减小4。工作压头表达式为Hw=A+BGw+CGw2（4）式中：A为静压头；B、C为动压头。当系统的设备、管件和布置确定后，A、B、C可由系统设备、管件以及布置来决定。以上海某燃气-蒸汽联合循环机组为例，其再循环泵采用的是 KSB 生产的离心泵，扬程为 122.2 m，流量为 87.8 th-1，功率为 55 kW，转速为 2 957 rmin-1。图 1 为再循环泵的仿真模型。2.3 数字孪生建模通过 APROS 的仿真模型，构建了余热锅炉系统、凝汽器系统、汽轮机系统的热力系统模型。通过读取电厂监控信息系统（Supervisory Information System，SIS）平台采集机组的数据（共 140 个测点），实现数字孪生实时采集并存储生产数据的功能。同理，通过和仿真系统对接接受 140 个测点，实现数字孪生系统实时仿真数据点的采集与存储，并动态仿真模拟联合循环机组部分的负荷工况。将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中，可形成可拆解、可复制、可转移、可修改、可删除、可重复操作的数字镜像，将因客观条件受限制（如商投机组必须依赖真实物理实体）而无法完成的操作变成可能，如模拟仿真、虚拟装配等5。图 2、图 3、图 4 分别为上海某燃气-蒸汽联合循环机组总貌、汽轮机和余热锅炉的数字孪生画面。p=2.007 MPaT=147.4 f=f=f=f=f=f=p=29.85 MPaT=148.8 12.92 kg s-112.92 kg s-112.92 kg s-10.00 kg s-10.00 kg s-10.00 kg s-1图 1 低压给水再循环泵仿真模型2.4 仿真结果在热耗率验收（Turbine Heat Acceptance，THA）工况下，通过仿真模型和数字孪生进行投入/退出低压给水再循环的变工况仿真，得到在同一负荷下余热锅炉的重要参数和汽轮机效率在低压给水再循环系统投入/退出情况下的偏差，数据如表 1 所示。由表 1 可知：在相同负荷下，当低压给水再循环系统投入时，余热锅炉尾部排烟温度得到提升，对低温腐蚀能够提供帮助，但是余热锅炉效率有所下降；在相同负荷下，高压蒸发量仅微弱增加，中压蒸发量和低压蒸发量分别下降 0.20 kg s-1和 0.34 kg s-1，汽机功率在模型计算中也下降了 0.12 MW。由此可见，经过仿真模型和数字孪生的计算，低压给水再循环系统的投入不仅不能提高余热锅炉和汽轮机的功率，反而会降低其功效。从性能优化角度分析，此系统并无投入必要。现 代 制 造 技 术 与 装 备882023 年第 9 期总第 322 期图 2 燃气-蒸汽联合循环机组总貌数字孪生图 3 燃气-蒸汽联合循环机组汽轮机数字孪生图 4 燃气-蒸汽联合循环机组余热锅炉数字孪生（下转第 100 页）现 代 制 造 技 术 与 装 备1002023 年第 9 期总第 322 期/“d”：补偿参数和方向（测量值补偿的倍率）/“e”：刀具补偿号码/“f”：f=1，补偿完成后补偿数值删除f=2，补偿完成后补偿数值保留TO_CORR_HMI（12，“L”“T01”，-1，1，2）/补偿轴颈宽度TO_CORR_HMI（13，“L”“T02”，-1，1，2）/补偿轴颈直径TO_CORR_HMI（14，“L”“T03”，-1，1，2）/补偿左止推面直径M17程序结束5结语文章基于西门子 840D sl 系统在 NILES 车-车拉机床上设计双通道加工程序，实现了 NILES 车-车拉机床由加工球磨铸铁曲轴转变为加工锻钢曲轴的目标，推动了数控机床的智能化发展。通过完善刀具管理系统功能，提升锻钢曲轴双通道加工程序执行能力，同时开发尺寸补偿界面，稳定了双通道加工程序的加工尺寸，为用户提供可视、图形化的操作 界面。参考文献1 庞晓锋.曲轴车车拉工艺优化的探讨 J.汽车工艺师，2019（7）：18-20.2 董锋，徐骥，汪地，等.加工中心盘式刀库自动换刀控制系统设计 J.机械设计与制造，2011（5）：137-139.3 王贺伟，韩军，冯虎田.基于 802D 的盘式刀库自动换刀控制 J.机械制造与自动化，2013（4）：168-171.4 张存吉，姚锡凡，张剑铭，等.基于深度学习的刀具磨损监测方法 J.计算机集成制造系统，2017（10）：2146-21555 王志平.数控机床及应用 M.2 版.北京：高等教育出版社，2010.6 丛明，房波，周资亮.车-车拉数控机床拖板有限元分析及优化设计 J.中国机械工程，2008（2）：208-213.表 1 低压给水再循环系统投入/退出节能效益分析参数退出投入偏差机组负荷/%35350排烟温度/82.985.1-2.2余热锅炉效率/%90.2389.890.34高压蒸发量/（kgs-1）47.7347.74-0.01中压蒸发量/（kgs-1）54.5154.310.20低压蒸发量/（kgs-1）7.226.880.34汽机功率/MW87.8587.730.12低压给水再循环系统两台 55 kW 泵的电机在投入后同时会提高用电量，同时日常的运营维护需要人力成本和维护成本。如果从设计初始便舍弃给水再循环系统，能够减去买泵的费用、测点变送器和阀门的费用。从节能增效角度来看，不投入低压给水再循环系统是更好的选择。3 结语文章从安全性和经济性两个角度分析了低压给水再循环系统在燃气-蒸汽联合循环机组中应用的必要性。通过分析燃气轮机电厂的排放物得出，其成分主要为氮氧化物，由于硫化物引起的低温腐蚀在以天然气为燃料的联合循环机组中可以忽略不计，在安全性上低压给水再循环系统对保护锅炉设备并无必要。另外，通过建模和数字孪生列出了低压给水再循环系统投/退情况下锅炉效率和汽机功率的偏差，得到以下结论：在低压给水再循环系统投入后，对机组的整体功效并没有提升反而略有降低。从节能降本角度分析，建议不投入此系统。可见，在安全性和经济性两方面分析后可知，低压给水再循环系统应用的必要性并不充分。参考文献1 谭大治，张晓阳.避免锅炉尾部受热面低温腐蚀的方法与锅炉结构的研究 J.应用能源技术，2021（3）：10-12.2 刘旭.简述燃气锅炉大气污染物达标排放措施 J.清洗世界，2022（4）：87-89.3 朱正香，韩朝兵，司风琪，等.基于高级过程仿真软件APROS 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