万千瓦级燃煤磁流体―蒸汽联合循环试验电站的方案计算和热力分析.pdf

一九 ,\ 三年 第一 期 南京工学 院 学 报 J以妇刊AL O 厂N八N J}NG NSTITUTEO「TEO」 Nl G Y 阮 了 19 8 3 万千瓦级燃煤磁流体一蒸汽联合循环 试验电站的方案计算和热力分析 朱 皑强 徐 _益 谦 要 本文提出 了独立加热 、 再生加 热和i昆合加热三种基本磁流体一蒸汽联合 循环热 力系统的 热 效率公式 ; 建立了计及摩擦 、 传热和电极边界层电压降损 失的法拉第发 电通道一维流动模型; 通过改 变氮化剂的 组成 、 预热方式和预热温度以及发 电通道 流动条件不 同的通 道入口马赫数及等速 、 成速 、 等马赫 数三种流动情况 、 负载 系数 、 磁感应强度等 , 在TQ一1 6计算机上进行了 13 多种以淮南煤为燃料的万千 瓦级磁流体一蒸汽联合循环中试电站方案的实例计算; 最后 , 根据计算结果 , 分析 了某些 因素对联合电站热 效率的影响 。 一 、 引 香 在 磁流体发 电研究 中 , 综合运 用基础理论 和已取得 的实验 研究成果 , 设计 和建造一座万 千瓦级的半工业性磁流体一蒸汽联合循环中间试验电站 , 以进 一步验证理论 分析和 计算方法 的正确性 , 考察装置中各部件的性能及 系统联 合运行参数 的变化特性 和相 互影 响 , 探索从小 型试验装置过渡到实用 的放大规律 , 是磁 流体发电从实验室规模跨入工业实用电站过 程中重 要 的一步 , 而 总体方案的热力计算又是实施这 一环 节时首先要解决的一 个课题 。 磁流体一蒸汽联合电站的方案计算 与选择是一 个十分复杂的 问题 , 它受到比常规电站复 杂得多的因素的影 响 。 由于详细 的技术经济比较目前还带有较大的不确定性 , 通常以热效率 和可接受的通道长 度作 为评价方案的主要经济性指标 。 因此 , 在选定一个能够满足综合试验 条件的中试 电站方案之 前 , 对按各种可能的循环 方式工作的热力系统的参数 、 运行条件和包 括热效率与通 道长度在 内 的各项指标进行广泛计 一 算和分析比较是必需 的 。 本文干1 982忆10月2 2日必到 基于 _ 七述目的 , 本 文探讨了万千 瓦级燃煤磁流体一蒸汽联合循环试验电站的 方案计算与 热力分析 问题 。 需作 说明的是 , 为了考察一些 因素的影响 , 我们 没有考虑某些方案目前还存 在的技术上的 困难 。 二 、 一 计算模型 1 . 磁流体一蒸汽 联合循环 电站 热效率公式 按氧化剂预热方式的不 同 , 磁流体一蒸汽联合循环可以分为独立加热循环 、 环又称作直接加热循环[ 1 习 和混合加热循环仁2〕三种基本类型 。 独立加热循环热力系统的特点是氧化剂的预热过程在独立的热风炉中完成 再 生加 热循 图l 。 图1独立加热型联合循环系统图2 再生加 热型联合循环系统 1 一燃烧 室 , 2 一磁流体发电机 , 3 一热风炉 , 1 3一再生式氛化剂子 热器 4 一余热锅炉 , 5一汽轮发电机组 , 6 一冷凝器 , 7 一给水泵 , 8 一给水加热装置 , 9 一逆 变换流器 , 1 0一压气机 , 1 1一空气予热器 , 1 2一罗芡风机 图中未示出添加剂系统 , 下同 计 入各项热损失后 , 该系统的热效率是 _ 1十b 勿进 , 士夕 呈2 恤 一 卫2四 兀1一。 , 一。4 , _ 二 上 叹92 卫 二‘ 1 1 b一b e 叮 s 式中 刀 1 一磁流体发电通道 热 电转换效率 ; 叮2一蒸汽动力装置效率;刀 一热风炉效率 ; 叮 ; 一燃烧室 、 喷 嘴和扩压器 的热损失率 ; 刀 一逆变换流器效率 ; 刀 。一计及 磁流 体发电装置和 蒸汽动力装置间沿程热损失 时的效率 ; 刀7一交流发电机效率; 厅 一发电通道热损失率 ; 刀。一 磁流体发电装置热损失的回收效率; 刀 。 一包括磁体励磁功率在内的厂 用 电率 ;a一 氧化剂富 氧时 空分设备功耗; b一氧化剂洽值 ;。一压 气机 功耗 ; b 。 一压 系机 出口氧化剂烩值 ; a 、 b 、 。 、 b 。 均是相对于 一公斤燃气中燃料热输入 q 的无因次量 。 再生加热循环热力系统是通过再生式预热器 直接利用发电通道尾气 热量来预热氧化剂的 图2 少 。 计入各项热损失后系统的热效率是 才一 ‘1毕“。 { 一 十 2 7 一 7 , 。 卜 一。 , - b一b 。 叮二1b 一刀 ; 。 一 9 , 1{ 一 a 一 C 2 式 中 币一再生 式预热 器的效率 。 在 混合 加热循环热力 系统中 , 氧化 剂依次经 过初级 预热 器 、 再生式预热器和热风护 而被 分 段预 热图 3 。 此时 , 计 入各项热损失后系统的热效率是 ‘“, { 2, 17一{一 。2刀 7 一 t。 , ‘一。 1 -1 一b Z b 刀二1十b 一。 ; 一卜 。l 一 。。, } } 一 。 一 泊 “ 如 ,口 ‘l。一 1十 歼 b 一b 护 。 3 式中 杯一初级 预热 器效率 ; 劝一计 及 因热风 炉入口 温度升高时对其效率有 所影 响时的系数[ 9] ; b 一压气机 和再生式预 热器 出口间氧化剂烩增量 ; b Z 一氧化剂通过 再 生式预热器的烩增量与b j 之比 ; b ,、 b Z 均 是相对 于一公 斤燃气 中燃料热输入q , 的无 因 次量 。 可 以看出 , 当b 、一 。 即不 用初级预热器和再生 式预热器时 , 3 式退化为独 立加热循环系统的热效率式 ; 当b Z 一。且bb一b 。 即不 用初级 预热器和热风 炉 时 , 3 式又是 再生加 热 系统的 热效率式 。 因此 , 它实际上是三种循环系统热效率的统一 表达 式 。 一一厂 厂 牛牛牛 切切 产产 比比比 2 . 磁 流体发电通道 中的膨 胀计算 图 3 混合加 热型 联合循环系统 1 4一初级 氛化剂予 热器 设法拉第型 磁流体发 电通道 中为定常流动 ; 沿横截面 上参数值不变 ; 磁雷诺数 刀 。 1 ,, 1 ; 当霍尔参数 。 二丁- B 月 _* 万 一刀,14 式中 理二 了7, 刀 刀2刀 . 刀 一1了 。[ 1 一母一叮4十刀, 1 一 z了。 」 ; _ 刀2刀 。 二1十 刀一叮 1 刀二 b b Z _ b 叮; 军 。 胜l 一。 , 。 。。 . 十b 。 仅 当满足条件式 13 或 1 4 时 , 热温度的升高而升高 。 可以证明 , 偏导数弩‘ o , 联合 电站热效率将随 b U0 即氧化剂预 和图 对8 7 在 不计氧化剂高温预热装置热损失的情况下 , 13 14 式是满足 的 。图 8 表示了在给定计算条件下 , 氧化剂预热温度对电站热效率的影响 。 9给 出了 氧化剂 . 一0 . 2 3 , 于万千 瓦级燃煤中试电站 , 0 . 4 0的无 因次治值与预热温度的对应关系 。 计算表明 , 如果采用 独立加热或混合加热方式 , 当功一 。 , 2 3时 , , 萝 二 0 . 甘布 盆 .fo l 卜 共 于“ “ ⋯ 一 ej口Z 尸 3户4 3一2丁 口 3 。o ---一 , 3 。日5 一一 一, 3 一 户 ,5 一-J 一一一 一一上 一一一一 ‘一 口万 ,6 nl户了C3 户 4 、1 5 〕6 07 6 图 8 氧化剂 影响 匕 子 热温度对联合循环热 效率的 图9 1 , 2一诱0 . 2 3 , 叮0 . 061 , 其 中 z K 一0 . 6 , 瓜一0 . 10 , 为下昆合加热型 2 为独立 加热型 , 3一功一0 . 4 , K 0 . 7 , 只 ‘ 0 . 0 , 刀 一0 . 07 1 , 再生加热型 氮化剂无因次浩值b与予热 温度的对应值 以3 0 0 O K为基准 1一功0 . 23 , 9 1 2 563kj/kg 燃 气 2一功0 . 40 , 叮 4z3okj/kg 燃 气 0 . 3 ; 当功二 。 . 4。时 , 7言 二。 72一。 . 8 。; 采用再 生加热 方式 , 当功一 。 . 4 0 时 , 褚 一。 . 8 3 。 . 8 7 。 此外 , 当燃烧 室 压力一定时 , 氧化剂预热温度愈高 , 燃气电导率愈高 , 在相同的计算条件下 , 通 道长度可以缩短图 1 0 。 b一2了 减速通透 , 咬 ” 价 o , I I / 2 . 发电通道负载系数 芝 卜 闷 磁流体发 电通 道功 率密度在 负载系数k一 0 . 5 时达 到 最大值 , 但是随着 九的增加 , 压气机耗功减少 , 通道热电 转换效率 , 通 道热 损 失率和磁流体部 分燃气比功率都相应 增大 图11 ; 另一方面 , 在 负载系数接近1时 , 发电功 率密度趋向于零 。 因此 , 在 。 . 5 与 1之间 , 相应于最大的 布雷顿循环热效率 或 因此为联合电站效率 存在着一 个 几的最佳值 。 图1 2 给出了在特定条件下的计算结果 。 口‘口7C . B 图10氧化剂予热温度 时通道 长 度的影响 刃 一一一刀a 饭万 二二二 忿北委卦 二 一 再 苍帕 热 里几二心尸K /今/ /, , ’ 沪 。甲, 牙 f 二 - 一 次 叭 Ž二 乡夕 尹一口, J|Œ I Lll e s l卜1 1 引 郭劣刽 到 即 刹 即 扩长 、 乏 比泥 JJJ s e s e l e se s T 一 飞 ;产 月亡 书 O ,o 中匀04 0 几一,273 .犬 /一喊速遭连入., 垮 2一等 透盈砚入户。。 , 一客马林欲再花 才户 一 产 不 - 一 工 夕才 二 r亏 而 口了 七3 尹夕‘一下亨 C . 2口 四 图 1 1 负载系数和通道热电转 换效 图1 2 率 、 通道热损失率 、 磁流体 部 份燃 气比 功率的 关系 由图可见 , 刃, 先随着 左的增大而升高 , 然后在 k一0 . 7 以后 出现最 大值 , 这 和有关文献给出的秃一 0 . 7 0 0 . 8 5 的结果基本相符巨9习 。 但是 . 在 k增大 的同时 , 通道长 度也迅速增加 图 13 。 负载系数对联合循 环热效率的影响 之 “ 二。 . 0 , 等速通道 , M , 0 . 9 . B一ZT 3 . 磁感 应强度 高的磁 感应强度对提高联合电站热效率极为有 利 。 这是 因为发电通 道长度L正比于B 一 ’, 而通道壁面热耗 正比于I ,/D〔 1们 , 所 以在一 定发电功率 下 , 通 道 长度大 大缩短图 1 4 , 散热损失减少 , 燃气比功率增加 , 压 气机耗功减 少 , 发 电通 道热 电转换效率增加 。 由图1 5可图1 3负载 系数与通道长度的关系 图}4 磁感应强度对通道长度的影响图1 5磁 感应强度对联合循环热 效率的影响 1一况合加热型 , 2一独立 加热型 见 , 当磁感应强度由2特斯拉增至 3 特斯拉时 , 斤, 可依负载系数和循 环方 式的不 同净 增 1 . 2 2 。 4 . 发电通道流 动条件 -- ---- - 一刃 一 城界通透 ‘护亡二 __ _ 、 ]r母 { 冲 l 匕 次 卜 ‘食 图] 6 亡 . 丁〔台 产 之乡 k 不同通道入口马赫数时的 通道长度 图 1 7 不同通道入 口 马赫数时的 热效率门 一况合加热型 , 2一独立加热 型 1 发电通道入口马赫数 由图 1 6 可 见 , 通道 入口马赫数对 , 一u . 吕时的通道长度比 M , 一 0 . 9 时长得多 。 图 1 7 、 招 表 示 了在某个负载系数范围内 , 盯 , 一 . 8 比盯 , 一0 . 9 时的 热效率要略高些 , 但进入最佳负载系数区域后 , 情况却相反 。 由于联合电站多选择在左一 . 8 左右运行 , 因此 , 无论从提高热效率还是 减少 通道长度来 说 , 发电通 道中维持高 的马赫数水 平是有利的 “1 ’_ 8 圈,7 小目氏4 , 厂一展合加 热擂环 之一抢 止加线‘香吓 、一川生加知 月即r - 几 二月即丫 次 么 Ž 二 图18不 同通道入口马赫数时的热效率 2 1一混合加热型 , 2一独立加热型 图19不 同循环方 式和 通道 流 动工 况 时的热 效率比较 附表 不 同流动工 况时的通道长度 ’ 负载 ’ 通道 长度 米 富氧率一 . -一 一 - 系 数 1 减速通道 } 等速通道等马赫数通道 0 0 0 . 5 5 5 3 . 14 4 4 一一 一一一一一 } } } } } } } } } 一一 0 . 厂厂 4 . 08 8 83 . 50 0 0 0 0 0 . 7 7 75 . 7 4 4 44 . 89 9 9 0 0 0 . 8 8 89 . 23 3 3 一一 7 7 7 7 7 7 7 . 7 4 { { { 4 4 4 . 15 } 2 . 09 9 9 } } } } } l l l l l 一一一 l l l l l 2 流动条件 附表中列 出 了氧化剂预热温度为 1 7731 \ - , 方一 2 特斯拉时 , 万千瓦级 燃煤中试联合电站在不 同流动条件的通道长度 在相 同 的原始条件下 , 等速通道最短 , 等 马 赫数通道居中 , 减速通道 以 。 0 . 10 较长 。 另外 , 从图 1 9可见 , 三种流动条件下 的发电 通道在热效率上略有差别 。 当负载系数取k一 0 . 8 时 , 采用等 速通道较好 , 等马赫数通道次 之 , 减速通道低些 。 这样 , 在 k一0 . 8 时 , 从热效率和通 道长度两者综合来看 , 采用等速 通 道有利 。 5 . 富氧率 计算表明 , 在采用常规磁体的 万千瓦 级燃煤磁流体一蒸汽联合电站中 , 如 果 用预热到 1 7 73K 的空气作氧化 剂 , 热效率会比单独 的布雷顿循环或朗金循环要高 , 但是发电通道长 度多在 1 5一2 5 米 左 右 , 即使磁 感应 强度B 3 特斯拉 , 通道 长度也 在 1 0米以上 , 这是工 程中 所 不能接受的 。 其原 因是 通道 温度水平 和磁 感应强度偏低 。 而用富氧率功一 。 . 4一。 . 5 的富氧 空气作氧化剂 , 通道长度可以降到 1 0米 以下 。 此外 , 富氧 还可以提高 通道热电转换效率 , 使单位质量燃料的燃烧产物量减少 , 燃气比功率提高 。 因此 , 在采用常规磁体的直 接燃煤磁 流体一蒸汽联合电站中 , 应考虑富氧 。 但是 , 富氧 的结果是降低热效率 。 由于 空分 设备制氧 消耗功率而 引起的热效率净减少量统一由下式确定 』刀 。 3 1 51 . 544 . 34 78 必一 1子 厂 。 川 扩 l 一{ 一气一全 1 5 |、、 , J Z 1月 子 尸 口一 口3 护 门 一 式 中 环; 、 砰 。 、 一分 别为燃气 中燃料 , 氧化 剂所 占的重量 份数 ; 声 l ; - 一 制备一标 米 立方纯 氧 的 电耗 ; q梦一燃料热值 。 计算表明 , 在其它条件一定时 , 一座用功一。 . 4 0的富氧空气作氧 化 剂的 万千 瓦级燃煤中试联合电站 , 只要不 。 由 06 降至 0 . 4 千 瓦 时/标 米 3 , 则不管采 用何种加 热方 式 , 联合电站的热效率都会超过常规蒸汽电站 。 结论 1 . 仅在氧化剂高温预热装置效率足够高的条件下 , 提高氧化剂 的预热温度可以提高联 合 电站 的热效率; 2 . 负载系数和 磁感 应强度是影响联合电站热效率的重要因素 。 进行方案计算时 , 应取 负载系数寿一0 . 70 . 8; 增加 磁感应强度可 以显著提高热效率并缩 短通 道长度 ; 3 , 在相 同的原始条件下 , 当负载系数k一 0 . 7。 . 8 时 , 采用等 速通 道较为有利 ; 4 . 对采用常规 磁体的燃煤磁流体一蒸汽联合电站 , 要得到 工程中可接受的通道长度 , 氧化剂必须富氧 。 但是 , 制氧功耗会降低联合电站热效率 。 因此 , 在确定富氧率时 , 应使得 在热效率方面 因富氧所得的利益要超过制氧功耗 。 参考 文献 [1〕 [2] [3] [4] R . 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F o ra n MH D 一S te amp llot pla nt o f 10 MW tlsin g H t a in a n eo a l as fu e l by elza n ging ox yg en e rlrie hl z ent . ox id ant p z 。heatin g tempe r atu r。 , M aellnum be r a t the ehazin ele ntl -an e c . v lo eit3 r p t o fil。e o nsta nt M ae h nu mb er , eo nsta ntvc l oeityorre 以 tteivev elo elty , lo ad e o。ffieie ntan dm a g netie field , m ore than 130 、ario us p ro j oets 、e r e ea le ul ated o na TQ 一1 6 eo mPu te i . . 0 1 1the ba s e o fth eeale u l atedr esu lt st } l eeffe etso f o om 。 fa 1 士 ,1一、。 1 。l,、,、。一a 1l r}l 。 、z, zn a l o ff{eio ll c几叭 」 1 一 d l、e以 、。 1 . 场