3.3　蒸汽循环

蒸汽循环主要包括透平式汽轮机、凝汽器、工质泵、回热器、预热器、蒸发器、过热器、再热器。主要类型可以分为换热元件及压力变化元件。

3.3.1　换热元件

在发电站中，主要的换热元件有预热器、蒸发器、过热器及回热器锅炉、冷凝器及回热器。图3-5为两股流换热器示意图，建立的模型也适用于其他模块的简单换热，下文中对相似模块将不再介绍。

换热器中的传热量为

式中：mh，mc分别为热流、冷流质量流量，kg/s；hhi 、hho 、hci 、hco分别为热流进口比焓、热流出口比焓、冷流进口比焓、冷流出口比焓，kJ/kg；U为平均传热系数，kW/m2K；A为传热面积，m2；ΔT为平均传热温差K。

流量变化对换热器中工质压力损失的影响为

图3-6为两股流换热器模型，每个换热器都有两股流，本文采用两个Heater模块分别模拟热流放热及冷流吸热的过程，热流放热为冷流吸热过程提供热量Q。

在Heater模块中，输入参数为压力、温度、湿度，由于有热量Q的存在，冷流侧换热器只需要输入压力或者温度中的一个参数，由于出口温度一般未知，所以采用压力输入。由于在实际的换热器中存在压力降，所以这里热端换热器及冷端换热器的压力均由Calculator模块根据进口压力及所计算的压力降来定义。

以上是只有两股流的常规换热器，由于回热器有多股流及不同的型式，其计算相对于常规两股流换热器更加复杂，回热器原理见图3-7。［46］

蒸汽散热量为

式中：qj为抽汽放热量，kJ/kg；γj为给水加热量，kJ/kg；τj为疏水放热量，kJ/kg；Ej为回热器型式，0为表面式，1为混合式；hB，j为第j级加热器蒸汽比焓，kJ/kg；hd，j为第j级加热器疏水比焓，kJ/kg；hf，j为第j级加热器出口水比焓，kJ/kg。

回热器模型见图3-8。在回热器中（图3-8），进口流可能只有抽汽，也可能有抽汽及前一级回热器的疏水。为了简化模型，在抽汽及疏水进入换热器时，将两股流混合汇成一股流作为热端换热器输入，而且假设热流侧疏水均为饱和水状态。其他的条件同常规换热器。

另外，由于除氧器属于混合式换热器，所以采用Mixture模块模拟除氧器。其输入参数为压力。假设在除氧过程中压力降为0。

在实际操作过程中换热器热流进口温度与冷流出口温度之间，热流出口温度及冷流进口温度之间存在最小温度差，而这个温度差在这里由设计规定来实现。因此针对每一级回热器设定一个设计规定，通过控制抽汽量来实现每一级的出口温度差达到合适的范围。针对除氧器H3，控制目标为出口蒸汽比例为0。

3.3.2　汽轮机

汽轮机是将蒸汽的内能转换成轴的动能的组件。由于在汽轮机中存在抽汽，在抽汽后的级中流量存在变化，因此在两个抽汽口之间的级的总体称为级组，其进出口有相同的质量流量。级组的原理图见图3-9，两个虚线框中分别表示两个级组。［46，49］

式中：mj，i、mj，o为第j级级组的进出口流量，kg/s；Bj为第j级级组的抽汽量，kg/s。

汽轮机的理想过程是绝热膨胀，实际中并不能实现

式中：hj，i、hj，o、hj，os分别为第j级组进口、出口及理论出口比焓，kJ/kg；ηj，is为第j级绝热效率；Wj为第j级级组做功，kW；mj为第j级级组流量，kg/s；Pj，o为第j级出口压力，MPa；sj，i为第j级进口比熵，kJ/kg·K；ηe为电机效率；ηm为机械效率；Pe为发电功率，kW。

在汽轮机中，进口流量或者压力变化会对级组其他因素造成影响，其中对流量与压力的相互影响关系式为［49-51］

式中：m、mref分别为当前进口质量流量、参考进口质量流量，kg/s；pi、po分别为级组当前进口压力、当前出口压力，MPa；pi，ref、po，ref分别为级组参考进口压力、参考出口压力，MPa。

流量变化对级组等熵效率的影响为［12］

在模拟过程中，级组在Aspen中用Compr模块来表示。Compr模块的主要输入参数是等熵效率及出口压力相关的参数，例如出口压力、压力降等。每个级组的精确性很大程度上取决于等熵效率的准确性。还有一个主要参数是机械效率，其缺省值为100%，本文取缺省值。当采用Compr计算等熵膨胀的输出功时，通过FSplit模块被分成两股流，其中一股是抽汽部分B，另一股流则是下一个机组的进口流T1-I。这两股流的分配由一个设计规定来控制，这个设计规定通过控制两股流的比例或者流量分配以实现回热器出口温度差达到合适的范围。

在运行过程中，常会因为工况改变级组流量产生变化，按照前面提到的流量与压力及流量与等熵效率之间的关系，在进口压力不变时，出口压力、等熵效率也会变化，而出口压力及等熵效率均是输入参数，所以本文用一个Calculator模块来写入流量变化时级组变化后的参数，使模拟过程顺利进行，级组模型见图3-10。

每一个级组都会产生功，要知道汽轮机总体做功需要针对所有级组做的功做加法，这个加法功能可以由一个Mixer模块来完成。当考虑到发电机的发电损失时，可以对输出总功率做减法，这个减法功能可以由FSplit模块来模拟，其中电功率的比例因子是发电机效率。

3.3.3　泵

等熵效率也常常用来表示泵的性能。各项因子定义与汽轮机类似，但是要注意分子与分母位置的区别。在汽水循环中，有冷凝泵及给水泵，各自的等熵效率不同。等熵效率的计算公式为

式中：ηis为泵的等熵效率。

3.3.4　模型验证

在Aspen Plus中，根据抽汽口的位置，把汽轮机分为7个级组。每两个抽汽口中间的级的总体称为级组，每个级组中间的蒸汽流量相同。高压缸分为2个级组T1、T2，低压缸分为4个级组T3～T6。蒸汽循环模型见图3-11。

将本模型的计算结果与Lippke的SEGS-Ⅵ蒸汽循环参数结果进行比较，见表3-4。可以看出，抽汽流量计算值与参考值有良好的匹配性。由于在第2、5、6级组中存在气液两相态，使计算结果与参考值差别较大，但是也保持在可接受范围内。

在发电机效率为97%的情况下，模拟发电量为35002 kW，参考数据为34985 kW，相对误差只有0.4%，这证明本模型得出的数据是比较可靠的。

换热器端差计算值见表3-5。与之前假设条件中设定的10℃相比，尽管存在误差，但是均在容差范围内，而且在实际设备中也是可行的。

根据能量平衡关系

从热源吸收的热量-释放至冷源的热量=系统做功

QB-QCO=35.01MW，W-WCP-WFP=34.97MW，相对误差为0.15%。其中QB为锅炉供热量，QCO为冷凝器放热量，W为汽轮机做功量，WCP为冷凝水泵功率，WFP为给水泵功率。