一种确定双压余热锅炉高低压蒸汽流量的计算方法与流程

本发明涉及一种热能工程的动力机械领域，尤其涉及一种双压余热锅炉在变工况运行条件下的高低压蒸汽流量、排烟温度及锅炉效率的计算方法。

背景技术：

余热锅炉作为电力、钢铁、水泥、石油、化工等各行业中通用的设备之一，在工业生产中有着重要的地位。在天然气分布式能源系统中，余热锅炉是燃料串行使用路径中把上位电站的放热量传递给下位电站，变成下位电站的吸热量的设备。根据系统的具体构成不同，余热锅炉可利用燃气轮机的排气生产汽轮机所需要的蒸汽，也可能只是用来加热下位电站汽轮机的给水。双压余热锅炉可产生两个压力等级的蒸汽，其汽水系统较为复杂。采用双压余热锅炉的目的是为了尽可能地回收燃气轮机排气的余热，以提高天然气分布式能源系统的整体热效率。

双压余热锅炉作为天然气分布式能源系统的主要设备之一，其高、低蒸汽发生量、锅炉热效率、排烟温度等参数易受到其上位电站的影响。上位电站的排气参数易受到环境因素、燃料因素等的影响，从而使双压余热锅炉的高、低压蒸汽发生量、锅炉热效率、排烟温度等参数发生改变。准确计算变工况条件下，双压余热锅炉的高、低压蒸汽发生量、锅炉热效率及排烟参数，为合理配置天然气分布式能源系统奠定了基础。

因此，要构建一个适用于变工况运行条件下的双压余热锅炉高、低压蒸汽发生量、锅炉热效率及排烟参数的计算方法，是合理配置天然气分布式能源系统的基础手段，能够为天然气分布式能源系统运行方案提供基础数据，具有重要的实用意义。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种适用于变工况运行条件下的双压余热锅炉高低压蒸汽流量的计算方法。

为达到上述目的，本发明一种确定双压余热锅炉高低压蒸汽流量的计算方法，所述的高低压蒸汽流量的计算方法包括：

s1，相关参数的采集与测定；

s2，再热系统的判定及再热量的计算；

s3，补燃系统的判定及补燃量的计算；

s4，双压余热锅炉高、低压蒸汽流量的计算；

s5，双压余热锅炉排烟参数和热效率的计算；

进一步地，相关参数的采集与测定具体包括如下步骤：

s11，根据项目负荷情况，分别确定双压余热锅炉产生的高、低压蒸汽的压力和温度；

s12，为双压余热锅炉的高、低压蒸汽分别选取合适的节点温差及接近点温差；

s13，根据项目所使用的燃气轮机机型、环境参数及燃气参数等信息，采集燃气轮机排烟成分、排烟温度及流量，计算烟气热力性质；

s14，根据所选定的汽轮机机型，确定汽轮机排汽压力。

进一步地，再热系统的判定及再热量的计算包括如下步骤：

s21，根据项目负荷情况和系统配置的汽轮机形式，确定双压余热锅炉是否需要再热系统；

s22，根据汽轮机对再热蒸汽参数的要求，确定汽轮机再热蒸汽进口的热再热蒸汽的温度和压力及比焓、比熵、高压缸排出的冷再热蒸汽的温度和压力及比焓、比熵；

进一步地，补燃判定及补燃量的计算包括如下步骤：

1)根据燃气轮机排气参数和项目对蒸汽负荷的需求量，对双压余热锅炉是否补燃进行判定，并确定补燃形式一内补燃还是外补燃；

2)指定补燃参数确定形式：①指定燃烧器出口温度②指定燃料流量③指定低位热量输入量④指定高位热量输入量⑤指定烟气温升量；

3)根据第一计算式计算补燃时进入补燃室的天然气所消耗的氧气的容积数，所述第一计算式为：

式中，为补燃时进入补燃室的天然气所消耗的氧气的容积数，m³/s；cnhm为天然气成分，％；n为天然气成分的碳原子个数；m为天然气成分的氢原子个数；

4)根据第二计算式计算补燃时进入炉膛的烟气流量，所述第二计算式为：

mg-furnace＝mg-gt+mng-hrsg+mair-externally

式中，mg-furnace为进入炉膛的烟气流量，m³/s；mg-gt为燃气轮机的排烟流量，m³/s；mng-hrsg为补燃时进入余热锅炉的天然气流量，m³/s；mair-externally为外补燃时进入余热锅炉的空气量，m³/s；

进一步地，双压余热锅炉高、低压蒸汽流量的计算还包括如下步骤：

1)根据第三计算式计算高压省煤器与高压蒸发器之间的烟气温度，所述第三计算式为：

teb-hps＝tsatw-hps+tppdt-hps

式中，teb-hps为高压省煤器与高压蒸发器之间的烟气温度，℃；tsatw-hps为高压蒸汽压力下饱和水的温度，℃；tppdt-hps为双压余热锅炉高压蒸汽的节点温差，℃；

2)根据第四计算式计算双压余热锅炉高压蒸汽流量，所述第四计算式为：

(有再热，汽轮机高压缸无抽汽)

(有再热，汽轮机高压缸有抽汽)

(无再热)

式中，mhps为双压余热锅炉高压蒸汽流量，kg/s；为入炉膛的烟气比热容，kj/(m³·℃)；tg-furnace为双压余热锅炉炉膛入口处的烟气温度，℃；teb-hps为双压余热锅炉高压省煤器和高压蒸发器之间的烟气平均温度，℃；mexs为汽轮机高压缸抽汽量，kg/s；hhrhs为热再热蒸汽焓值，kj/kg；hcrhs为冷再热蒸汽焓值，kj/kg；hhps为双压余热锅炉高压蒸汽焓值，kj/kg；hsatw-hps为高压蒸汽压力下饱和水的焓值，kj/kg；

3)根据第五计算式计算低压省煤器与低压蒸发器之间的烟气温度，所述第五计算式为：

teb-lps＝tsatw-lps+tppdt-lps

式中，teb-lps为低压省煤器与低压蒸发器之间的烟气温度，℃；tsatw-lps为低压蒸汽压力下饱和水的温度，℃；tppdt-lps为双压余热锅炉低压蒸汽的节点温差，℃；

4)根据第六计算式计算低压省煤器出口处水的温度，所述第六计算式为：

tew-lps＝tsatw-lps-tapdt-lps

式中，tew-lps为低压省煤器出口处水的温度，℃；tsatw-lps为低压蒸汽压力下饱和水的温度，℃；tapdt-lps为双压余热锅炉低压蒸汽的接近点温差，℃；

5)根据第七计算式计算双压余热锅炉低压蒸汽流量，所述第七计算式为：

式中，mlps为双压余热锅炉低压蒸汽流量，kg/s；teb-lps为双压余热锅炉高低压省煤器和低压蒸发器之间的烟气平均温度，℃；hew-lps为低压省煤器出口处水的焓值，，kj/kg；hlps为双压余热锅炉低压蒸汽焓值，kj/kg；hsatw-lps为低压蒸汽压力下饱和水的焓值，kj/kg；

进一步地，双压余热锅炉排烟参数和热效率的计算还包括如下步骤：

1)根据第八计算式计算双压余热锅炉排烟温度，所述第八计算式为：

式中，t′gs为双压余热锅炉排烟温度，℃；hfw为双压余热锅炉给水焓值，kj/kg；

2)根据第九计算式计算双压余热锅炉热效率，所述第九计算式为：

式中，ηb为双压余热锅炉热效率，％；tair为环境温度，℃；

本发明一种确定变工况运行条件下的双压余热锅炉高低压蒸汽发生量、锅炉热效率及排烟参数的计算方法，通过计算得到变工况运行条件下的双压余热锅炉高低压蒸汽发生量、热效率及排烟参数，具有以下优点：

1、克服了现有技术条件下无法准确计算因上位电站的排气参数受到外界因素的影响，进而导致双压余热锅炉的高低压蒸汽发生量、锅炉热效率、排烟温度等参数计算不准确的问题；

2、本发明的双压余热锅炉高低压蒸汽流量的计算方法，能够通过计算结果反映双压余热锅炉的运行情况，进而为天然气分布式能源系统的配置方案及运行方式、优化运行提供指导，达到节能、降低损耗的目的。

为了进一步说明本发明的技术方案，本发明的具体实施例，通过下面详细描述进行展示。

附图简要说明

图1是本发明一种确定变工况运行条件下的双压余热锅炉高低压蒸汽流量的计算方法示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示为一种确定变工况运行条件下的双压余热锅炉高低压蒸汽流量的计算方法，其过程包含了s1相关参数的采集与测定，s2，再热系统的判定及再热量的计算，s3补燃系统判定及补燃量的计算，s4双压余热锅炉高、低压蒸汽流量的计算，s5双压余热锅炉排烟参数和热效率的计算。所述计算具体如下：

首先进行相关参数的采集与测定，通过仪表测量和取样分析获取双压余热锅炉的各项输入参数，具体包括：

根据项目负荷情况，分别确定双压余热锅炉产生的高、低压蒸汽的压力和温度；

为双压余热锅炉的高、低压蒸汽分别选取合适的节点温差及接近点温差；

根据项目所使用的燃气轮机机型、环境参数及燃气参数等信息，采集燃气轮机排烟成分、排烟温度及流量，计算烟气热力性质；

根据所选定的汽轮机机型，确定汽轮机排汽压力。

根据项目负荷情况和系统配置的汽轮机形式，确定双压余热锅炉是否需要再热系统；

根据汽轮机对再热蒸汽参数的要求，确定汽轮机再热蒸汽进口的热再热蒸汽的温度和压力及比焓、比熵、高压缸排出的冷再热蒸汽的温度和压力及比焓、比熵；

根据燃气轮机排气参数和项目对蒸汽负荷的需求量，对双压余热锅炉是否补燃进行判定，并确定补燃形式-内补燃还是外补燃；

指定补燃参数确定形式：①指定燃烧器出口温度②指定燃料流量③指定低位热量输入量④指定高位热量输入量⑤指定烟气温升量；

根据迭代法求解补燃时进入补燃室的天然气量v″s，具体步骤如下：

1)设定一个补燃时进入补燃室的燃气流量v″s；

2)输入进入补燃室的天然气的成分；

3)通过第十计算式计算天然气的低位热值，所述第十计算式为：

式中，qng，l为天然气低位发热量，mj/nm³；mi为天然气各组分的摩尔体积百分数，％；qi，l为天然气各组分在不同的燃烧和计量参比条件下的理想气体摩尔低位发热量，kj/mol；png为天然气的压力，kpa；tng为天然气的温度，k；z为天然气压缩系数；

4)通过第十一计算式计算天然气的高位热值，所述第十一计算式为：

式中，qng，h为天然气高位发热量，mj/nm³；qi，h为天然气各组分在不同的燃烧和计量参比条件下的理想气体摩尔低位发热量，kj/mol；

5)通过第十二计算式计算天然气的密度，所述第十二计算式为：

ρng＝(png/(r·tng))×∑mi·mi

式中，ρng为天然气密度，kg/nm³；mi为天然气各组分的摩尔质量，kg/kmol。

6)通过第十三计算式计算补燃时进入补燃室的天然气容积数v″sv，所述第十三计算式为：

v″sv＝v″s×3.6/ρng

式中，v″sv为补燃时进入补燃室的天然气容积数，m³/s。

7)通过第十四计算式计算补燃时进入补燃室的天然气所消耗的烟气中氧气的容积数所述第十四计算式为：

式中，为补燃时进入补燃室的天然气所消耗的烟气中氧气的容积数，m³/s；cnhm为天然气成分，％；n为天然气成分的碳原子个数；m为天然气成分的氢原子个数。

8)若为外补燃时，输入补燃室的空气过量系数；

9)通过第十五计算式计算外补燃时补燃室所消耗的空气量，所述第十五计算式为：

式中，vair-wbr为外补燃时补燃室所消耗的空气量，m³/s；为环境空气中氧气的百分含量，％；

10)通过第十六计算式计算补燃时烟气中的氮气的容积数，所述第十六计算式为：

(内补燃时)

(外补燃时)

式中，为补燃时烟气中的氮气的容积数，m³/s；为燃气轮机的排烟成分中氮气的容积百分数，％；为环境空气中氮气的容积百分数，％；为补燃时进入补燃室的天然气成分中氮气的容积百分数，％；ρflue为补燃时进入补燃室的天然气密度，kg/m³；

11)通过第十七计算式计算补燃时烟气中的二氧化碳的容积数，所述第十七计算式为：

(内补燃时)

(外补燃时)

式中，为补燃时烟气中的二氧化碳的容积数，m³/s；为燃气轮机的排烟成分中二氧化碳的容积百分数，％；为环境空气中二氧化碳的容积百分数，％；

12)通过第十八计算式计算补燃时烟气中的水蒸汽的容积数，所述第十八计算式为：

(内补燃时)

(外补燃时)

式中，为补燃时烟气中的水蒸汽的容积数，m³/s；为燃气轮机的排烟成分中水蒸汽的容积百分数，％；为环境空气中水蒸汽的容积百分数，％；

13)通过第十九计算式计算补燃时烟气中的二氧化硫的容积数，所述第十九计算式为：

式中，为补燃时烟气中的二氧化硫的容积数，m³/s；为燃气轮机的排烟成分中硫化氢的容积百分数，％；为进入余热锅炉补燃室的天然气中硫化氢的容积百分数，％；

14)通过第二十计算式计算补燃时烟气中的氧气的容积数，所述第二十计算式为：

(内补燃时)

(外补燃时)

式中，为补燃时烟气中的氧气的容积数，m³/s；为燃气轮机的排烟成分中氧气的容积百分数，％；为环境空气中氧气的容积百分数，％；

15)通过第二十一计算式计算补燃时烟气中的氩气的容积数，所述第二十一计算式为：

mar-gt＝(mg-gt×τar-gt)/100(内补燃时)

mar-gt＝(mg-gt×τar-gt+mng-hrsg×τar-hrsg+vair-wbr×τar-air)/100(外补燃时)

式中，mar-gt为补燃时烟气中的氩气的容积数，m³/s；τar-gt为燃气轮机的排烟成分中氩气的容积百分数，％；τar-hrsg进入余热锅炉补燃室的天然气中氩气的容积百分数，％；τar-air为环境空气中氩气的容积百分数，％；

16)通过第二十二计算式计算燃烧生成的烟气的总容积数，所述第二十二计算式为：

式中，mgt为燃烧生成的烟气的总容积数，m³/s；

17)通过第二十三计算式计算补燃后烟气各成分的体积百分数，所述第二十三计算式为：

式中，γi为补燃后烟气各成分的体积百分数，％；其中，i为n2、co2、h2o、so2、o2、ar；

17)通过第二十四计算式计算补燃时进入补燃室的天然气流量，所述第二十四计算式为：

式中，v′s为补燃时进入补燃室的天然气流量，m³/s；hout-hrsg为双压余热锅炉出口处烟气焓值，kj/m³；hout-gt为燃气轮机出口处烟气的焓值，kj/m³；hair为环境空气焓值，kj/m³；

18)将v′s与v″s做差，得出二者的差值；

若差值在预定的误差范围内，则假设的v″s为补燃时进入补燃室的天然气流量vs；

若差值超出预定的误差范围内，则将v′s和v″s的平均值作为新的v″s，重新执行上述1)～17)的计算，直到v′s与v″s的差值满足设定的误差范围；

根据第二计算式计算补燃时进入炉膛的烟气流量，所述第二计算式为：

mg-furnace＝mg-gt+mng-hrsg+mair-externally

式中，mg-furnace为进入炉膛的烟气流量，m³/s；mg-gt为燃气轮机的排烟流量，m³/s；mng-hrsg为补燃时进入余热锅炉的天然气流量，m³/s；mair-externally为外补燃时进入余热锅炉的空气量，m³/s；

根据高压蒸汽压力和温度，确定高压蒸汽的焓值、高压蒸汽压力下的饱和水的温度和焓值；

根据低压蒸汽压力和温度，确定低压蒸汽的焓值、低压蒸汽压力下的饱和水的温度和焓值；

根据锅炉给水温度，确定给水的焓值；

根据高、低蒸汽压力下的饱和水的温度和节点温差，确定高、低省煤器出口烟气的温度和焓值；

根据高、低蒸汽压力下的饱和水的温度和接近点温差，确定高、低省煤器出口水的温度和焓值；

根据第三计算式计算高压省煤器与高压蒸发器之间的烟气温度，所述第三计算式为：

teb-hps＝tsatw-hps+tppdt-hps

式中，teb-hps为高压省煤器与高压蒸发器之间的烟气温度，℃；tsatw-hps为高压蒸汽压力下饱和水的温度，℃；tppdt-hps为双压余热锅炉高压蒸汽的节点温差，℃；

根据第四计算式计算双压余热锅炉高压蒸汽流量，所述第四计算式为：

(有再热，汽轮机高压缸无抽汽)

(有再热，汽轮机高压缸有抽汽)

(无再热)

式中，mhps为双压余热锅炉高压蒸汽流量，kg/s；为入炉膛的烟气比热容，kj/(m³·℃)；tg-furnace为双压余热锅炉炉膛入口处的烟气温度，℃；teb-hps为双压余热锅炉高压省煤器和高压蒸发器之间的烟气平均温度，℃；mexs为汽轮机高压缸抽汽量，kg/s；hhrhs为热再热蒸汽焓值，kj/kg；hcrhs为冷再热蒸汽焓值，kj/kg；hhps为双压余热锅炉高压蒸汽焓值，kj/kg；hsatw-hps为高压蒸汽压力下饱和水的焓值，kj/kg；

根据第五计算式计算低压省煤器与低压蒸发器之间的烟气温度，所述第五计算式为：

teb-lps＝tsatw-lps+tppdt-lps

式中，teb-lps为低压省煤器与低压蒸发器之间的烟气温度，℃；tsatw-lps为低压蒸汽压力下饱和水的温度，℃；tppdt-lps为双压余热锅炉低压蒸汽的节点温差，℃；

根据第六计算式计算低压省煤器出口处水的温度，所述第六计算式为：

tew-lps＝tsatw-lps-tapdt-lps

式中，tew-lps为低压省煤器出口处水的温度，℃；tsatw-lps为低压蒸汽压力下饱和水的温度，℃；tapdt-lps为双压余热锅炉低压蒸汽的接近点温差，℃；

根据第七计算式计算双压余热锅炉低压蒸汽流量，所述第七计算式为：

式中，mlps为双压余热锅炉低压蒸汽流量，kg/s；teb-lps为双压余热锅炉高低压省煤器和低压蒸发器之间的烟气平均温度，℃；hew-lps为低压省煤器出口处水的焓值，，kj/kg；hlps为双压余热锅炉低压蒸汽焓值，kj/kg；hsatw-lps为低压蒸汽压力下饱和水的焓值，kj/kg；

根据迭代法求解双压余热锅炉排烟温度t″gs，具体步骤如下：

1)设定一个双压余热锅炉排烟温度t″gs；

2)根据双压余热锅炉排烟温度，确定排烟比热容

3)根据第八计算式计算双压余热锅炉排烟温度，所述第八计算式为：

式中，t′gs为双压余热锅炉排烟温度，℃；hfw为双压余热锅炉给水焓值，kj/kg；

将t″gs与t′gs做差，得出二者的差值；

若差值在预定的误差范围内，则假设的t″gs为双压余热锅炉排烟温度tgs；

若差值超出预定的误差范围内，则将t″gs和t′gs的平均值作为新的tgs，重新执行上述1)～3)的计算，直到t″gs与t′gs的差值满足设定的误差范围；

根据第六计算式计算双压余热锅炉热效率，所述第六计算式为：

式中，ηb为双压余热锅炉热效率，％；tair为环境温度，℃

以上，仅为本发明的较佳实施案例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替代，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。