一种能够提高机组调峰能力的回热系统及回热系统储热罐蒸汽温度的动态计算方法

1.一种能够提高机组调峰能力的回热系统，它包括电站锅炉(1)、汽轮机(2)、发电机(3)、凝汽器(4)、凝结水泵(5)、低压加热器(6)、除氧器(7)、给水泵(8)、高压加热器(9)、小汽轮机(11)和减温减压器(12)，其特征是，还包括储热罐(10)，所述电站锅炉(1)的过热蒸汽出口与汽轮机(2)的高压缸(2-1)入口相连，汽轮机(2)的高压缸(2-1)出口与电站锅炉(1)的再热器入口相连，电站锅炉(1)的再热器出口与汽轮机(2)的中压缸(2-2)入口相连，汽轮机(2)的中压缸(2-2)出口与汽轮机(2)的低压缸(2-3)入口相连，汽轮机(2)的低压缸(2-3)出口与凝汽器(4)入口相连，凝汽器(4)出口与凝结水泵(5)入口相连，凝结水泵(5)出口与低压加热器(6)入口相连，低压加热器(6)出口与除氧器(7)入口相连，除氧器(7)出口与给水泵(8)入口相连，给水泵(8)出口与高压加热器(9)入口相连，高压加热器(9)出口与电站锅炉(1)给水入口相连，汽轮机(2)的高压缸(2-1)轴与汽轮机(2)的中压缸(2-2)轴相连，汽轮机(2)的中压缸(2-2)轴与汽轮机(2)的低压缸(2-3)轴相连，汽轮机(2)的低压缸(2-3)轴与发电机(3)轴相连，所述高压加热器(9)出口与减温减压器(12)减温水入口相连，电站锅炉(1)的过热蒸汽出口与减温减压器入口(12)相连，电站锅炉(1)的再热蒸汽出口与减温减压器(12)入口相连，减温减压器(12)出口与储热罐(10)入口相连，汽轮机(2)的中压缸(2-2)抽汽出口与储热罐(10)入口相连，汽轮机(2)的中压缸(2-2)出口与储热罐(10)入口相连，所述储热罐(10)出口与小汽轮机(11)入口相连，小汽轮机(11)出口与凝汽器(4)入口相连，所述储热罐(10)出口分别与除氧器(7)的汽源入口、低压加热器(6)的汽源入口相连，小汽轮机(11)出口与除氧器(7)出口下游的给水泵相连。 2.根据权利要求1所述的一种能够提高机组调峰能力的回热系统，其特征是，储热罐蒸汽温度的动态计算方法包括以下内容：(a)储热罐蒸汽温度随时间变化动态模型的简化和假设环节针对储热罐的工作过程，以储热罐为研究对象，建立储热罐内部储能随外界负荷变化而引起温度随时间变化的动态模型，在建立模型之前首先作如下假设和简化：1)忽略储热罐进汽、排汽及内部蒸汽动能，势能的变化；2)认为储热罐保温状况较好，可视为绝热，即储热罐与外界环境没有热量交换；3)储热罐进汽、排汽过程中不对外做功；4)忽略储热罐内部参数变化，即采用集中参数法将参数全部集中在储热罐出口侧；5)忽略储热罐到小汽轮机进气机构的节流损失；(b)储热罐蒸汽温度随时间变化的动态数学模型构建环节基于步骤(a)的假设，又因储热罐不断有蒸汽流进、流出，故其为控制体积的开口热力系统，故由热力学第一定律开口系统能量方程可得：式中：δQ为储热罐与外界交换的热量，kJ/kg；dE cv 为储热罐内总能的增量，kJ/kg；h 1 为流出储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；c 1 为流出储热罐的蒸汽速度，m/s；Z 1 为流出储热罐的蒸汽所处位置的高度，m；δm out 为流出储热罐的蒸汽质量，kg；h 0 为流入储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；c 0 为流入储热罐的蒸汽速度，m/s；Z 0 为流入储热罐的蒸汽所处位置高度，m；δm in 为流入储热罐的蒸汽质量，kg；δw i 为蒸汽在储热罐内部所做的功，kJ/kg；依据储热罐实际工作过程，忽略该环节中较小的干扰，并由步骤(a)的1)假设可知，不考虑储热罐进汽、排汽动能，势能的变化，即认为：c 1 ＝0、Z 1 ＝0、c 0 ＝0、Z 0 ＝0；由步骤(a)的2)假设可知，储热罐保温状况较好，可视为绝热，即认为：δQ＝0；由步骤(a)的3)假设可知，储热罐进汽、排汽过程中不对外做功，即认为：δw i ＝0；由步骤(a)的4)假设可知，采用集中参数法将参数全部集中在储热罐出口侧，也就是说储热罐出口蒸汽参数即是储热罐内部蒸汽参数，将式(1)进一步表示为：0＝dE cv +δm out h 1 -δm in h 0 +0 (2)式中：dE cv 为储热罐内总能的增量，kJ/kg；δm out 为流出储热罐的蒸汽质量，kg；h 1 为流出储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 0 为流入储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；δm in 为流入储热罐的蒸汽质量，kg，式(2)进一步表示为：δm in h 0 -δm out h 1 ＝dE cv (3)式中：dE cv 为储热罐内总能的增量，kJ/kg；δm out 为流出储热罐的蒸汽质量，kg；h 1 为流出储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 0 为流入储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；δm in 为流入储热罐的蒸汽质量，kg，由于忽略储热罐内部蒸汽动能和势能的变化，储热罐内部蒸汽的能量变化只有热力学能的变化，则式(3)右边dE cv 表示为：dE cv ＝d(mu)＝ΔU＝U 2 -U 1 (4)式中：dE cv 为储热罐内总能的增量，kJ/kg；m为储热罐蒸汽质量，kg；u为单位质量蒸汽的热力学能，kJ/kg；U 1 为储热罐变化前蒸汽的热力学能，kJ；U 2 为储热罐变化后蒸汽的热力学能，kJ；ΔU为储热罐蒸汽热力学能的变化量，kJ，将式(4)代入式(3)得：ΔU＝U 2 -U 1 ＝δm in h 0 -δm out h 1 (5)式中：U 1 为储热罐变化前蒸汽的热力学能，kJ；U 2 为储热罐变化后蒸汽的热力学能，kJ；ΔU为储热罐蒸汽热力学能的变化量，kJ；δm out 为流出储热罐的蒸汽质量，kg；h 1 为流出储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 0 为流入储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；δm in 为流入储热罐的蒸汽质量，kg，考虑单位时间内储热罐能量的变化，将式(5)两边同时除以时间dτ，即式中：dU为储热罐蒸汽热力学能的微增量，kJ；δm out 为流出储热罐的蒸汽质量，kg；h 1 为流出储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 0 为流入储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；δm in 为流入储热罐的蒸汽质量，kg；dτ为时间的微增量，s，由于储热罐总的热力学能具有如下关系，U＝mu，对储热罐总的热力学能取全微分得：dU＝d(mu)＝udm+mdu (7)式中：dU为储热罐蒸汽热力学能的微增量，kJ；m为储热罐蒸汽质量，kg；dm为储热罐蒸汽质量微增量，kg；du为单位质量蒸汽的热力学能微增量，kJ/kg；u为单位质量蒸汽的热力学能，kJ/kg，将式(7)带入式(6)左端，则式(6)进一步表示为：式中：δm out 为流出储热罐的蒸汽质量，kg；h 1 为流出储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 0 为流入储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；δm in 为流入储热罐的蒸汽质量，kg；dτ为时间的微增量，s；m为储热罐蒸汽质量，kg；dm为储热罐蒸汽质量微增量，kg；du为单位质量蒸汽的热力学能微增量，kJ/kg；u为单位质量蒸汽的热力学能，kJ/kg，在式(8)中，由于式中：δm in 为流入储热罐的蒸汽质量，kg；dτ为时间的微增量，s；q m,in 为流入储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s，在式(8)中，由于式中：δm out 为流出储热罐的蒸汽质量，kg；dτ为时间的微增量，s；q m,out 为流出系储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s，将式(9)和式(10)带入式(8)中可得：式中：q m,in 为流入储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；h 1 为流出储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 0 为流入储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；q m,out 为流出系储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；dτ为时间的微增量，s；m为储热罐蒸汽质量，kg；dm为储热罐蒸汽质量微增量，kg；du为单位质量蒸汽的热力学能微增量，kJ/kg；u为单位质量蒸汽的热力学能，kJ/kg，式(11)即为储热罐的能量方程，现对储热罐建立质量守恒方程，依据系统的质量守恒方程，流入储热罐的蒸汽质量减去流出储热罐的蒸汽质量等于储热罐质量的增量，由此，储热罐的质量守恒方程表示为：δm＝δm in -δm out (12)式中：δm为储热罐蒸汽质量的微增量，kg；δm in 为流入储热罐的蒸汽质量，kg；δm out 为流出储热罐的蒸汽质量，kg，在式(12)两边同除以时间dτ，则式(12)进一步表示为：式中：δm为储热罐蒸汽质量的微增量，kg；δm in 为流入储热罐的蒸汽质量，kg；δm out 为流出储热罐的蒸汽质量，kg；dτ为时间的微增量，s，式(13)进一步变形为：式中：δm为储热罐蒸汽质量的微增量，kg；q m,in 为流入储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；q m,out 为流出系储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；dτ为时间的微增量，s，将式(14)代入式(11)中得：式中：q m,in 为流入储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；h 1 为流出储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 0 为流入储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；q m,out 为流出系储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；dτ为时间的微增量，s；m为储热罐蒸汽质量，kg；du为单位质量蒸汽的热力学能微增量，kJ/kg；u为单位质量蒸汽的热力学能，kJ/kg，由于储热工质为过热蒸汽，过热蒸汽性质接近理想气体，故将过热蒸汽视作理想气体，则有：du＝c v dT (16)式中：c v 为储热罐蒸汽定容比热容，kJ/(kg·℃)；du为单位质量蒸汽的热力学能微增量，kJ/kg；dT为储热罐内蒸汽温度的变化量，℃，式(1,6)代入式(15)中得：式中：c v 为储热罐蒸汽定容比热容，kJ/(kg·℃)；dT为储热罐内蒸汽温度的变化量，℃；q m,in 为流入储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；h 1 为流出储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 0 为流入储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；q m,out 为流出系储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；dτ为时间的微增量，s；m为储热罐蒸汽质量，kg；du为单位质量蒸汽的热力学能微增量，kJ/kg；u为单位质量蒸汽的热力学能，kJ/kg，以小汽轮机和给水泵为研究对象，由步骤步骤(a)的假设5)可知，忽略储热罐到小汽轮机进气机构的节流损失，故可得小汽轮机能量平衡式为：式中：η oi 为小汽轮机相对内效率，％；η m 为小汽轮机机械效率，％；η b 为给水泵效率，％；D gs 为给水流量，kg/s；P b ＇为给水泵进口压力，Pa；P b "为给水泵出口压力，MPa；ϑ p 为给水泵内平均比热，kJ/(kg·℃)；q m,in 为流入系储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；q m,out 为流出系储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；h 1 为流出储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 2 为小汽轮机排汽焓，kJ/kg，在小汽轮机稳定工况运行时，可视为定值，由式(18)得储热罐流出蒸汽流量为：式中：η oi 为小汽轮机相对内效率，％；η m 为小汽轮机机械效率，％；η b 为给水泵效率，％；D gs 为给水流量，kg/s；P b ＇为给水泵进口压力，Pa；P b "为给水泵出口压力，MPa；ϑ p 为给水泵内平均比热，kJ/(kg·℃)；q m,in 为流入系储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；q m,out 为流出系储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；h 1 为流出储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 2 为小汽轮机排汽焓，kJ/kg，将式(19)代入式(17)，并整理得：式中：m为储热罐蒸汽质量，kg；c v 为储热罐蒸汽定容比热容，kJ/(kg·℃)；dT为储热罐内蒸汽温度的变化量，℃；dτ为时间的微增量，s；u为单位质量蒸汽的热力学能，kJ/kg，q m,in 为流入系储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；D gs 为给水流量，kg/s；P b ＇为给水泵进口压力，MPa；P b "为给水泵出口压力，MPa；ϑ p 为给水泵内平均比热，kJ/(kg·℃)；h 0 为流入储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 1 为流出储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 2 为小汽轮机排汽焓，kJ/kg；η oi 为小汽轮机相对内效率，％；η m 为小汽轮机机械效率，％；η b 为给水泵效率，％，令： 式中：D gs 为给水流量，kg/s；P b ＇为给水泵进口压力，MPa；P b "为给水泵出口压力，MPa；ϑ p 为给水泵内平均比热，kJ/(kg·℃)；η oi 为小汽轮机相对内效率，％；η m 为小汽轮机机械效率，％；η b 为给水泵效率，％，将式(21)代入式(20)得：式中：m为储热罐蒸汽质量，kg；c v 为储热罐蒸汽定容比热容，kJ/(kg·℃)；dT为储热罐内蒸汽温度的变化量，℃；dτ为时间的微增量，s；u为单位质量蒸汽的热力学能，kJ/kg，q m,in 为流入系储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；P b ＇为给水泵进口压力，MPa；P b "为给水泵出口压力，MPa；h 0 为流入储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 1 为流出储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 2 为小汽轮机排汽焓，kJ/kg，将式(22)整理得：式中：m为储热罐蒸汽质量，kg；c v 为储热罐蒸汽定容比热容，kJ/(kg·℃)；dT为储热罐内蒸汽温度的变化量，℃；dτ为时间的微增量，s；u为单位质量蒸汽的热力学能，kJ/kg，q m,in 为流入系储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；h 0 为流入储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 1 为流出储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 2 为小汽轮机排汽焓，kJ/kg，进一步将式(23)变形整理得到储热罐内温度随时间的变化关系为：式中：dT为储热罐内蒸汽温度的变化量，℃；dτ为时间的微增量，s；m为储热罐蒸汽质量，kg；c v 为储热罐蒸汽定容比热容，kJ/(kg·℃)；u为单位质量蒸汽的热力学能，kJ/kg，q m,in 为流入系储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；h 0 为流入储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 1 为流出储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 2 为小汽轮机排汽焓，kJ/kg，将过热蒸汽看作理想气体，则有如下关系成立，即u＝c v T (25)式中：u为单位质量蒸汽的热力学能，kJ/kg；c v 为储热罐蒸汽定容比热容，kJ/(kg·℃)；T为储热罐内蒸汽温度，℃，h 1 ＝c p T (26)式中：h 1 为流出储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；c P 为储热罐蒸汽定压比热容，kJ/(kg·℃)；T为储热罐内蒸汽温度，℃，将式(25)、式(26)代入式(24)得：式中：dT为储热罐内蒸汽温度的变化量，℃；dτ为时间的微增量，s；q m,in 为流入系储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；m为储热罐蒸汽质量，kg；T为储热罐内蒸汽温度，℃；h 0 为流入储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 2 为小汽轮机排汽焓，kJ/kg；c v 为储热罐蒸汽定容比热容，kJ/(kg·℃)；c P 为储热罐蒸汽定压比热容，kJ/(kg·℃)，令： 式中：c v 为储热罐蒸汽定容比热容，kJ/(kg·℃)；c P 为储热罐蒸汽定压比热容，kJ/(kg·℃)，将式(28)代入式(27)得：式中：dT为储热罐内蒸汽温度的变化量，℃；dτ为时间的微增量，s；q m,in 为流入系储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；m为储热罐蒸汽质量，kg；T为储热罐内蒸汽温度，℃；h 0 为流入储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 2 为小汽轮机排汽焓，kJ/kg；c v 为储热罐蒸汽定容比热容，kJ/(kg·℃)；c P 为储热罐蒸汽定压比热容，kJ/(kg·℃)，式(29)即为反映储热罐内温度随时间的变化关系；将式(19)代入式(14)得：式中：dm为储热罐蒸汽质量的变化量，kg；dτ为时间的微增量，s，q m,in 为流入储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；D gs 为给水流量，kg/s；P b ＇为给水泵进口压力，Pa；P b "为给水泵出口压力，Pa；ϑ p 为给水泵内平均比热，kJ/(kg·℃)；h 1 为流出储热罐的蒸汽焓，kJ/kg；h 2 为小汽轮机排汽焓，kJ/kg；η oi 为小汽轮机相对内效率，％；η m 为小汽轮机机械效率，％；η b 为给水泵效率，％，将式(21)代入式(30)得：式中：dm为储热罐蒸汽质量的变化量，kg；dτ为时间的微增量，s；q m,in 为流入储热罐的蒸汽的质量流量，kg/s；c P 为储热罐蒸汽定压比热容，kJ/(kg·℃)；h 2 为小汽轮机排汽焓，kJ/kg；T为储热罐内蒸汽温度，℃，式(31)即为储热罐内质量随时间的变化关系，将式(29)和式(31)联立求解即得到储热罐内蒸汽温度随时间的变化关系。