燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行系統(tǒng)分析

魏海姣， 鹿院衛(wèi)， 吳玉庭， 李衛(wèi)東， 趙東明

(1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)部，傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124；2.中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司， 北京 102209)

碳排放引起全球氣候變暖的問(wèn)題愈加嚴(yán)重[1]，尋求一種綠色低碳的發(fā)電模式是當(dāng)務(wù)之急. 開(kāi)發(fā)和利用可再生能源是一種有效降低二氧化碳排放的方法[2]，例如開(kāi)發(fā)風(fēng)能和太陽(yáng)能. 然而，在利用可再生能源時(shí)，其隨機(jī)性和間歇性對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行安全產(chǎn)生了一定的影響[3]，導(dǎo)致一部分不穩(wěn)定的可再生能源發(fā)電被棄掉. 為了減少因波動(dòng)被棄掉的可再生能源發(fā)電，需要從發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)提出解決方法. 就發(fā)電側(cè)而言，提升燃煤機(jī)組運(yùn)行的靈活性[4-5]可以更多地消納波動(dòng)的可再生能源發(fā)電量，對(duì)減少碳排放至關(guān)重要.

現(xiàn)役的燃煤機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)給煤量實(shí)現(xiàn)變負(fù)荷運(yùn)行，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍為100%～50%THA. 此時(shí)，可以通過(guò)改變機(jī)組爬坡速率來(lái)增加機(jī)組運(yùn)行的靈活性. 宋小龍[6]將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)整定的仿人智能PID控制器應(yīng)用于燃煤機(jī)組動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，機(jī)組變負(fù)荷速率由1.50%THA/min增加至3%THA/min；王瑋等[7]以330 MW供熱機(jī)組為研究模型，將供熱抽汽蝶閥控制模型引入燃料調(diào)節(jié)和主蒸汽調(diào)節(jié)模型中，構(gòu)成了新型的變負(fù)荷控制系統(tǒng)，機(jī)組升負(fù)荷速率可增加2倍；劉吉臻等[8]針對(duì)CFB鍋爐的變負(fù)荷速率(0.90%～1.20%THA/min)較低的問(wèn)題，利用CFB鍋爐熱慣性特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整鍋爐跟隨汽輪機(jī)協(xié)調(diào)控制方式，使300 MW機(jī)組變負(fù)荷速率增加至1.67%THA/min. 綜上可見(jiàn)，燃煤機(jī)組運(yùn)行的靈活性可以通過(guò)增加機(jī)組變負(fù)荷速率實(shí)現(xiàn)，但該方法僅適用于可再生能源裝機(jī)容量較小及其發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)沖擊較小的情況. 隨可再生能源裝機(jī)容量的不斷增加，可再生能源發(fā)電并網(wǎng)比例逐漸增大，通過(guò)提升燃煤機(jī)組變負(fù)荷速率的方法難以滿足大規(guī)模可再生能源發(fā)電消納的需求.

如何大規(guī)模消納可再生能源發(fā)電是目前可再生能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模逐年增大面臨的新問(wèn)題. 文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，將燃煤機(jī)組的高溫蒸汽以抽汽儲(chǔ)熱的形式儲(chǔ)存，或?qū)⑵浒l(fā)電以熱能的形式儲(chǔ)存，均可減少機(jī)組進(jìn)網(wǎng)電量，為可再生能源發(fā)電提供進(jìn)網(wǎng)空間；而在可再生能源發(fā)電量降低時(shí)可將儲(chǔ)存的熱量放入燃煤機(jī)組熱力系統(tǒng)，增加機(jī)組發(fā)電功率，如此可提升燃煤機(jī)組運(yùn)行的靈活性. Marcin等[9]利用儲(chǔ)存除氧器中壓力水的方法實(shí)現(xiàn)了燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行，機(jī)組負(fù)荷可繼續(xù)下降21.96 MW，機(jī)組運(yùn)行下限達(dá)到67.50%THA；Li等[10]在機(jī)組100%THA時(shí)，采用蒸汽抽汽儲(chǔ)熱方法完成了靈活性運(yùn)行，在不改變鍋爐負(fù)荷條件下將機(jī)組運(yùn)行下限和上限分別調(diào)至86.70%THA和107.40%THA；Cao等[11]在機(jī)組100%THA時(shí)，利用機(jī)組過(guò)剩電量加熱熔鹽儲(chǔ)熱，釋熱時(shí)熔鹽加熱壓力水產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)輔助汽輪機(jī)做功發(fā)電，使機(jī)組運(yùn)行范圍變?yōu)?3.33%～106.10%THA. 以上3種典型的方法均可以實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行，但是隨著大規(guī)模可再生能源的接入，燃煤機(jī)組需要在更低負(fù)荷時(shí)實(shí)現(xiàn)靈活性運(yùn)行. Wei等[12]創(chuàng)新性地提出利用主蒸汽抽汽儲(chǔ)熱方法實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行，燃煤機(jī)組負(fù)荷50%THA時(shí)，利用儲(chǔ)熱技術(shù)將機(jī)組運(yùn)行范圍拓寬至34.07%～54.23%THA. 然而，在機(jī)組靈活性調(diào)節(jié)的儲(chǔ)熱和釋熱過(guò)程中，由于抽汽導(dǎo)致的蒸汽壓力降低使蒸汽損失增大，有必要從能量品位的角度分析整個(gè)燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行過(guò)程中各部件能量損失情況，以便未來(lái)有針對(duì)性地提出改進(jìn)措施.

本文針對(duì)文獻(xiàn)[12]提出的利用主蒸汽抽汽儲(chǔ)熱方法構(gòu)建的燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行系統(tǒng)，分析系統(tǒng)中各部件的效率和損失率，同時(shí)研究機(jī)組完成儲(chǔ)熱和釋熱過(guò)程燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行系統(tǒng)的分布規(guī)律，為未來(lái)燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行消納大規(guī)模可再生能源發(fā)電提供設(shè)計(jì)理論依據(jù).

1 燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行系統(tǒng)

燃煤機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中受鍋爐負(fù)荷和脫硝參數(shù)的影響，機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷不能低于50%THA. 本研究選600 MW亞臨界直接空冷燃煤機(jī)組為研究模型. 分析該機(jī)組在50%THA(300.03 MW)時(shí)完成靈活性行運(yùn)行的變化規(guī)律.

燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行系統(tǒng)圖[12]如圖1所示，該系統(tǒng)由3個(gè)子系統(tǒng)組成，分別為傳統(tǒng)燃煤機(jī)組熱力系統(tǒng)(黑色線)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)(紅色線)和釋熱系統(tǒng)(綠色線). 燃煤機(jī)組100%THA時(shí)的熱力參數(shù)如表1所示；儲(chǔ)熱和釋熱過(guò)程，蒸汽顯熱的儲(chǔ)存選擇二元混合硝酸鹽(KNO3-Ca(NO3)2·4H2O)[17]，蒸汽潛熱的儲(chǔ)存選擇相變材料，為二元混合硝酸鹽(LiNO3-NaNO2)[18]，2種儲(chǔ)熱材料的物性參數(shù)見(jiàn)表2.

注：HP—高壓缸；IP—中壓缸；LP—低壓缸；RH1～RH7—1～7號(hào)回?zé)峒訜崞?；CP—凝結(jié)水泵；FP—給水泵；SHSHE—顯熱儲(chǔ)熱換熱器；SHRHE—顯熱釋熱換熱器；PCMHE—相變換熱器；CT—冷鹽罐；HT—熱鹽罐；TV—減壓閥.圖1 燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行系統(tǒng)圖[12]Fig.1 Flexible operation system diagram of coal-fired power plant[12]

表1 100%THA設(shè)計(jì)參數(shù)

燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行系統(tǒng)的運(yùn)行分為以下3個(gè)模式：1) 傳統(tǒng)燃煤機(jī)組運(yùn)行模式. 參考文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[19]. 2) 抽汽降負(fù)荷模式(load reduction，LRe). 主蒸汽由主蒸汽管道抽出(圖1中A點(diǎn))經(jīng)減壓閥(TV)等焓降壓，進(jìn)入顯熱儲(chǔ)熱換熱器與冷鹽罐內(nèi)被抽出的低溫熔鹽進(jìn)行換熱，被加熱的熔鹽進(jìn)入熱鹽罐并保存，被冷卻的蒸汽進(jìn)入相變換熱器加熱相變材料，蒸汽在相變換熱器內(nèi)凝結(jié)疏水回至4號(hào)回?zé)峒訜崞? 在此過(guò)程中蒸汽被抽出，汽輪機(jī)進(jìn)汽量減少，燃煤機(jī)組實(shí)現(xiàn)降負(fù)荷運(yùn)行. 3) 釋熱升負(fù)荷模式(load raising，LRa). 熱鹽罐中的高溫熔鹽被抽出至顯熱釋熱換熱器加熱旁路給水并進(jìn)入鍋爐，被冷卻的熔鹽進(jìn)入冷鹽罐保存. 同時(shí)，旁路凝結(jié)水進(jìn)入相變換熱器被加熱進(jìn)入4號(hào)回?zé)峒訜崞? 在此過(guò)程中，給水和凝結(jié)水分別被熔鹽和相變材料加熱，減少1～3號(hào)和5～7號(hào)回?zé)峒訜崞鞒槠浚瑥亩鴮?shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷的增加.

表2 儲(chǔ)熱材料的熱物性

理論上燃煤機(jī)組可以通過(guò)2種方式將負(fù)荷由50%THA降至35% THA(210.07 MW). 其一，減少鍋爐給煤量，降低鍋爐蒸發(fā)量；其二，鍋爐蒸發(fā)量不變時(shí)，減少汽輪機(jī)進(jìn)汽量. 在研究燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行分析時(shí)，運(yùn)行工況為以下3種情況：

1) 50%THA工況. 機(jī)組負(fù)荷為300.03 MW. 該工況為機(jī)組運(yùn)行的基礎(chǔ)負(fù)荷，在此工況可完成靈活性運(yùn)行.

2) 35%THA工況. 該工況為理論上燃煤機(jī)組通過(guò)減少鍋爐給煤量能達(dá)到的負(fù)荷，35%THA工況發(fā)電功率為210.07 MW.

3) LRe和LRa循環(huán)運(yùn)行工況. 該工況通過(guò)抽取主蒸汽實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行，使機(jī)組發(fā)電負(fù)荷為35%THA，燃煤機(jī)組增加了15%THA的調(diào)峰能力.

儲(chǔ)熱過(guò)程中儲(chǔ)熱系統(tǒng)參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[12]選擇，儲(chǔ)熱參數(shù)如表3所示；釋熱過(guò)程中的被旁路的給水和凝結(jié)水進(jìn)、出口參數(shù)與相應(yīng)回?zé)峒訜崞鞯倪M(jìn)、出口參數(shù)相同，利用汽輪機(jī)變工況理論獲得.

表3 儲(chǔ)熱系統(tǒng)參數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行計(jì)算理論

在燃煤機(jī)組中增加儲(chǔ)熱系統(tǒng)和釋熱系統(tǒng)后，汽輪機(jī)級(jí)內(nèi)的蒸汽流量發(fā)生改變，汽輪機(jī)各級(jí)變工況計(jì)算可按弗留格爾公式[12]計(jì)算：

(1)

式中：GsT0i、GsTi分別為級(jí)組變工況前、后的蒸汽流量，t/h；psT0i、psTi分別為級(jí)組變工況前、后級(jí)前的蒸汽壓力，MPa；psT0i+1、psTi+1分別為級(jí)組變工況前、后級(jí)后的蒸汽壓力，MPa；TsT0i、TsTi分別為級(jí)組變工況前、后的蒸汽溫度，K；i為汽輪機(jī)的第i個(gè)級(jí)組.

儲(chǔ)熱過(guò)程中顯熱儲(chǔ)熱換熱器儲(chǔ)熱功率、相變換熱器儲(chǔ)熱功率和主蒸汽抽汽總儲(chǔ)熱功率計(jì)算式為

(2)

(3)

Qcha=Qcha.SHSHE+Qcha.PCMHE

(4)

式中：Gst、Gcha.salt、Gcha.PCM分別為主蒸汽抽汽流量、儲(chǔ)熱過(guò)程熔鹽流量、儲(chǔ)熱過(guò)程相變材料熔化量，t/h；hs、hdp分別為主蒸汽比焓、主蒸汽抽汽儲(chǔ)熱顯熱和潛熱分界點(diǎn)比焓，kJ/kg；cp為熔鹽比定壓熱容，kJ/(kg·K)；LT為相變材料相變潛熱，kJ/kg；Qcha、Qcha.SHSHE、Qcha.PCMHE分別為主蒸汽抽汽總儲(chǔ)熱功率、顯熱儲(chǔ)熱換熱器儲(chǔ)熱功率、相變換熱器儲(chǔ)熱功率，MW；Th-salt、Tc-salt分別為高溫熔鹽溫度、低溫熔鹽溫度，K；η為換熱器效率，98%.

釋熱過(guò)程中顯熱釋熱換熱器釋熱功率、相變換熱器釋熱功率和總釋熱功率計(jì)算式分別為

(5)

(6)

Qdischa=Qdischa.SHRHE+Qdischa.PCMHE

(7)

式中：Gfeed.by、Gcond.by、Gdischa.salt、Gdischa.PCM分別為給水旁路流量、凝結(jié)水旁路流量、釋熱過(guò)程熔鹽流量、釋熱過(guò)程相變材料凝固量，t/h；hw1、hw4、hw5、hw8分別為1號(hào)回?zé)峒訜崞鞒隹诮o水比焓、4號(hào)回?zé)峒訜崞鞒隹诮o水比焓、5號(hào)回?zé)峒訜崞鞒隹诮o水比焓、7號(hào)回?zé)峒訜崞魅肟诮o水比焓，kJ/kg；Qdischa、Qdisha.SHRHE、Qdischa.PCMHE分別為總釋熱功率、顯熱釋熱換熱器釋熱功率、相變換熱器釋熱功率，MW.

儲(chǔ)熱時(shí)間和釋熱時(shí)間之間的關(guān)系計(jì)算式為

Qchaτchaη2θ=Qdischaτdischa

(8)

式中：τcha、τdischa分別為儲(chǔ)熱時(shí)間、釋熱時(shí)間，h；θ為系統(tǒng)保溫系數(shù)，95%.

在回?zé)峒訜崞髦?，蒸汽、疏水和給水之間的關(guān)系為

qj=hj-hdwj

(9)

γj=hdwj-1-hdwj

(10)

φj=hwj-hwj+1

(11)

式中：qj、γj、φj分別為各級(jí)回?zé)峒訜崞鞯某槠艧岜褥什?、疏水放熱比焓差、給水比焓升，kJ/kg；hj為回?zé)峒訜崞鞅炯?jí)的抽汽比焓，kJ/kg；hdw、hdwj-1分別為回?zé)峒訜崞鞅炯?jí)的疏水比焓、上級(jí)回?zé)峒訜崞魇杷褥?，kJ/kg；hw、hwj+1分別為回?zé)峒訜崞鞅炯?jí)給水出、入口比焓，kJ/kg；j為系統(tǒng)中第j個(gè)回?zé)峒訜崞鳎琷=1,2,…,7.

結(jié)合式(1)～(11)和文獻(xiàn)[12]中的式(1)得到燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行系統(tǒng)的汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)熱平衡方程

(12)

式中：Gfeed、Gcond分別為給水流量、凝結(jié)水流量，t/h；G1～G7分別為1～7級(jí)回?zé)峒訜崞鞒槠髁浚瑃/h；hsd為主蒸汽抽汽疏水至4號(hào)回?zé)峒訜崞鞯氖杷褥?，kJ/kg.

根據(jù)式(12)得到了燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行系統(tǒng)的鍋爐熱平衡方程：

GcoalLHVηb=Gs(hs-h1)+Gr(hr-h2)

(13)

式中：Gcoal為進(jìn)入鍋爐中煤的質(zhì)量流量，t/h；LHV為燃料低位發(fā)熱值，17 981 kJ/kg；Gs、Gr分別為主蒸汽流量、再熱蒸汽流量，t/h；hr為再熱蒸汽比焓，kJ/kg；ηb為鍋爐熱效率，93.36%.

圖2 燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行計(jì)算流程Fig.2 Calculation flow chart of flexible operation of the coal-fired power plant

利用式(1)～(13)計(jì)算燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)參數(shù)，計(jì)算流程如圖2所示.

由圖2可知，燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行系統(tǒng)熱力參數(shù)計(jì)算可分為以下幾個(gè)步：首先，計(jì)算燃煤機(jī)組在100%THA時(shí)的熱平衡關(guān)系；其次，利用燃煤機(jī)組變工況理論計(jì)算機(jī)組在50%THA時(shí)的熱力參數(shù)；再次，計(jì)算燃煤機(jī)組理論上由50%THA降至35%THA時(shí)的熱力參數(shù)；最后，計(jì)算燃煤機(jī)組利用主蒸汽抽汽方法實(shí)現(xiàn)靈活性運(yùn)行時(shí)的熱力參數(shù).

2.2 燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行分析理論

ecoal=LHV+2 438ω

(14)

式中：ecoal為燃料的比，kJ/kg；ω為燃料收到基水分，13.25%.

根據(jù)工質(zhì)(蒸汽/熔鹽)在熱力系統(tǒng)中的流動(dòng)過(guò)程，可以計(jì)算各狀態(tài)點(diǎn)的值，任意狀態(tài)點(diǎn)的比計(jì)算式[21]為

e=(h-h0)-T0(s-s0)

(15)

式中：e為蒸汽/熔鹽任意狀態(tài)點(diǎn)的比，kJ/kg；h為蒸汽/熔鹽任意狀態(tài)點(diǎn)的比焓，kJ/kg；s為蒸汽/熔鹽任意狀態(tài)點(diǎn)的比熵，kJ/(kg·K)；h0為環(huán)境溫度下蒸汽/熔鹽的比焓，kJ/kg；s0為環(huán)境溫度下蒸汽/熔鹽的比熵，kJ/(kg·K)；T0為環(huán)境溫度，293.15 K.

在儲(chǔ)熱和釋熱過(guò)程中，相變材料熔化和凝固過(guò)程認(rèn)為溫度恒定，其值計(jì)算式為[20]

(16)

式中：ePCM為相變材料相變過(guò)程的比，kJ/kg；LT為相變材料的相變潛熱，233 kJ/kg；Tmelt為相變材料熔化/凝固溫度，429.15 K.

(17)

式中：ηE.T為收益效率，%；WT為汽輪機(jī)功率，MW.

(18)

式中：ξ為損失率，%；I為部件損失，MW.

表4 部件損失和效率計(jì)算公式

Table 4 Exergy loss and efficiency calculation method of each device

表4 部件損失和效率計(jì)算公式

設(shè)備損失效率鍋爐Iboiler=(Gcoalecoal-Gs(es-ew1)-Gr(er-e2))/3600ηE.boiler=Gs(es-ew1)+Gr(er-e2)GcoalecoalRH1IRH1=(G1(e1-edw1)-Gfeed(ew1-ew2))/3600ηE.RH1=Gfeed(ew1-ew2)G1(e1-edw1)RH2IRH2=((G2(e2-edw2)+G1(edw1-edw2))-Gfeed(ew2-ew3))/3600ηE.RH2=Gfeed(ew2-ew3)G2(e2-edw2)+G1(edw1-edw2)RH3IRH3=((G3(e3-edw3)+(G1+G2)(edw2-edw3))-Gfeed(ew3-ew4))/3600ηE.RH3=Gfeed(ew3-ew4)G3(e3-edw3)+(G1+G2)(edw2-edw3)RH4IRH4=((G4(e4-ew4)+(G1+G2+G3)(edw3-ew4))-Gcond(ew4-ew5))/3600儲(chǔ)熱過(guò)程IRH4=((G4(e4-ew4)+(G1+G2+G3)(edw3-ew4)+Gst(esd-ew4))-Gcond(ew4-ew5))/3600釋熱過(guò)程IRH4=((G4(e4-ew4)+(G1+G2+G3)(edw3-ew4))-Gcond,by(ew4-ew5)-Gcond(ew4-ew5))/3600ηE.RH4=Gcond(ew4-ew5)G4(e4-ew4)+(G1+G2+G3)(edw3-ew4)儲(chǔ)熱過(guò)程 ηE.RH4=Gcond(ew4-ew5)G4(e4-ew4)+(G1+G2+G3)(edw3-ew4)+Gst(esd-ew4)釋熱過(guò)程ηE.RH4=Gcond(ew4-ew5)+Gcond,by(ew4-ew5)G4(e4-ew4)+(G1+G2+G3)(edw3-ew4)RH5IRH5=(G5(e5-edw5)-Gcond(ew5-ew6))/3600ηE.RH5=Gcond(ew5-ew6)G5(e5-edw5)RH6IRH6=((G6(e6-edw6)+G5(edw5-edw6))-Gcond(ew6-ew7))/3600ηE.RH6=Gcond(ew6-ew7)G6(e6-edw6)+G5(edw5-edw6)RH7IRH7=((G7(e7-edw7)+(G5+G6)(edw6-edw7))-Gcond(ew7-ew8))/3600ηE.RH7=Gcond(ew7-ew8)G7(e7-edw7)+(G5+G6)(edw6-edw7)HPIHP=(Gses-G1e1-G2e2)/3600-WHPηE.HP=3600WHPGses-G1e1-G2e2IPIIP=(Grer-G3e3-G4e4)/3600-WIPηE.IP=3600WIPGrer-G3e3-G4e4LPILP=((Gr-G3-G4)e4-G5e6-G7e7-Gcec)/3600-WLPηE.LP=3600WLP(Gr-G3-G4)e4-G5e6-G7e7-GcecTVITV=Gst(es-est)/3600SHSHEISHSHE=(Gst(est-edp)-Gsalt(eh-salt-ec-salt))/3600ηE.SHSHE=Gsalt(eh-salt-ec-salt)Gst(est-edp)SHRHEISHRHE=(Gsalt(eh-salt-ec-salt)-Gfeed,by(ew1-ew4))/3600ηE.SHRHE=Gfeed.by(ew1-ew4)Gsalt(eh-salt-ec-salt)PCMHE儲(chǔ)熱過(guò)程IPCMHE=(Gst(edp-esd)-GPCMePCM)/3600釋熱過(guò)程IPCMHE=(GPCMePCM-Gcond.by(ew5-ew8))/3600儲(chǔ)熱過(guò)程ηE.PCMHE=GPCMePCMGst(edp-esd)釋熱過(guò)程ηE.PCMHE=Gcond.by(ew5-ew8)GPCMePCM

注：I為各設(shè)備的損失，MW；ηE為各設(shè)備的效率，%；W為汽輪機(jī)高、中、低壓缸做功，MW；各角標(biāo)為圖1中的設(shè)備或狀態(tài)點(diǎn).

3 結(jié)果分析

圖3 燃料在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中的消耗形式Fig.3 Consumption form of fuel exergy in energy conversion process

根據(jù)圖2所示的燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行系統(tǒng)計(jì)算流程，得到了燃煤機(jī)組設(shè)計(jì)值和計(jì)算值之間的誤差，如表5所示. 發(fā)現(xiàn)最大誤差產(chǎn)生在低壓缸排汽流量，為-1.24%，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因?yàn)楹雎粤似啓C(jī)的軸封漏汽，該誤差小于5%，滿足精度要求，可以用來(lái)計(jì)算燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行系統(tǒng)的熱平衡.

表5 誤差分析

計(jì)算得到了燃煤機(jī)組在50%THA、35%THA和利用抽汽方法將負(fù)荷降至35%THA時(shí)的各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)，如表6所示. 再根據(jù)式(14)～(18)、表4中的計(jì)算公式和表6中各節(jié)點(diǎn)熱力參數(shù)，計(jì)算得到燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行系統(tǒng)各設(shè)備的值、效率及損失率.

表6 狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)

3.1 鍋爐效率

圖4所示為鍋爐在50%THA、35%THA、LRe和LRa過(guò)程的效率. 鍋爐效率分別為47.28%、46.04%、46.90%和47.29%. 35%THA時(shí)鍋爐效率比50%THA時(shí)鍋爐效率低1.24%，這是由于機(jī)組負(fù)荷降低鍋爐給水入口溫度與鍋爐煙氣傳熱溫差增加所致. LRe過(guò)程鍋爐效率比50%THA鍋爐效率降低0.38%，其原因?yàn)橹髡羝槠麑?dǎo)致1號(hào)回?zé)峒訜崞鞒槠麎毫档停?號(hào)回?zé)峒訜崞鞒隹诮o水溫度降低，引起鍋爐煙氣與給水溫度之間的傳熱溫差增加，使損失增大，從而使鍋爐效率降低. LRa過(guò)程鍋爐效率比50%THA鍋爐效率提高0.01%，造成該現(xiàn)象的原因?yàn)榻o水被旁路進(jìn)入顯熱釋熱換熱器，1、2號(hào)回?zé)峒訜崞鞒槠繙p少，導(dǎo)致再熱蒸汽壓力和流量升高，鍋爐內(nèi)的損失減小，從而提高了鍋爐效率.

圖4 鍋爐效率Fig.4 Exergy efficiency of boiler

3.2 回?zé)峒訜崞餍?/h3>

圖5所示為1～7號(hào)回?zé)峒訜崞髟?0%THA、35%THA、LRe和LRa過(guò)程的效率. 相比于50%THA工況，35%THA工況時(shí)1～6號(hào)回?zé)峒訜嵝式档?，這是由于機(jī)組負(fù)荷降低，1～6號(hào)回?zé)峒訜崞鞯某槠麎毫ο鄳?yīng)降低，導(dǎo)致蒸汽具有的值降低，從而使1～6號(hào)回?zé)峒訜嵝试?0%THA工況時(shí)高于35%THA工況. 35%THA工況時(shí)7號(hào)回?zé)峒訜崞餍矢哂?0%THA工況時(shí)的效率，這是由于汽輪機(jī)排汽干度升高，7號(hào)回?zé)峒訜崞鬟M(jìn)出口差降低，引起低負(fù)荷時(shí)的效率高于高負(fù)荷時(shí)的效率. 其也是引起LRe過(guò)程1～7號(hào)回?zé)峒訜崞髋c50%THA工況1～7號(hào)回?zé)峒訜崞鳟a(chǎn)生差異的原因. 相比于50%THA工況，LRa過(guò)程1～4號(hào)回?zé)峒訜崞鞯男视兴嵘?，主要是因?yàn)榻o水和凝結(jié)水分別被旁路，1～4號(hào)回?zé)峒訜崞鞒槠繙p少的同時(shí)引起蒸汽壓力升高，導(dǎo)致1～4號(hào)回?zé)峒訜崞鞯膿p失降低，從而使其效率增加. 該工況下凝結(jié)水全部被旁路時(shí)，進(jìn)入5～7號(hào)回?zé)峒訜崞鞯哪Y(jié)水流量為0，故5～7號(hào)加熱器效率為0.

圖5 1～7號(hào)加熱器的效率Fig.5 Exergy efficiency of No.1-7 regenerative heater

3.3 汽輪機(jī)效率

圖6所示為汽輪機(jī)在50%THA、35%THA、LRe和LRa過(guò)程的效率. 機(jī)組負(fù)荷由50%THA直接降至35%THA時(shí)，由于主蒸汽壓力的降低，導(dǎo)致高壓缸效率降低了1.53%；該負(fù)荷變化對(duì)中壓缸和低壓缸效率影響不大. 燃煤機(jī)組利用儲(chǔ)熱技術(shù)將機(jī)組負(fù)荷由50%THA降至35%THA時(shí)，由于主蒸汽壓力的降低，導(dǎo)致高壓缸和中壓缸的效率分別降低了8.99%和1.04%；由于抽汽引起汽輪機(jī)低壓缸排汽干度增加，汽輪機(jī)低壓缸的熵增減小，所以效率提高了0.25%. LRa過(guò)程由于給水和凝結(jié)水分別被旁路，回?zé)峒訜崞鞯某槠髁繙p少，導(dǎo)致汽輪機(jī)級(jí)內(nèi)的蒸汽流量增加，相應(yīng)級(jí)組的蒸汽壓力升高，從而蒸汽的損失降低，進(jìn)而導(dǎo)致高壓缸、中壓缸和低壓缸的效率分別提高了0.19%、1.25%和2.81%.

圖6 汽輪機(jī)效率Fig.6 Exergy efficiency of turbine

3.4 儲(chǔ)熱和釋熱系統(tǒng)部件效率

圖7 儲(chǔ)熱和釋熱系統(tǒng)部件效率Fig.7 Exergy efficiency of device in heat storage and release process

3.5 熱力循環(huán)分布

表7 分布關(guān)系

Table 7 Distribution of exergy %

表7 分布關(guān)系

工況收益效率鍋爐損失率加熱器損失率汽輪機(jī)損失率儲(chǔ)熱系統(tǒng)損失率釋熱系統(tǒng)損失率其他50%THA37.9652.330.953.215.5635%THA36.5953.580.863.275.70循環(huán)運(yùn)行36.0052.460.562.121.270.946.65

燃煤機(jī)組負(fù)荷由50%THA通過(guò)儲(chǔ)熱方法降至35%THA，并完成降負(fù)荷和升負(fù)荷循環(huán)運(yùn)行時(shí)，收益效率下降了1.96%，這是由于抽汽儲(chǔ)熱過(guò)程主蒸汽壓力和流量相應(yīng)降低導(dǎo)致的汽輪機(jī)熵增加，引起收益效率降低；鍋爐的損失率增加了0.13%，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是儲(chǔ)熱過(guò)程中給水溫度和燃料燃燒之間的傳熱溫差增加了傳熱過(guò)程中的損失，使燃煤機(jī)組完成降負(fù)荷和升負(fù)荷循環(huán)運(yùn)行，損失率增加；汽輪機(jī)的損失降低了1.09%，這是因?yàn)獒専徇^(guò)程中，汽輪機(jī)高壓缸入口主蒸汽參數(shù)不變，利用釋熱系統(tǒng)加熱給水和凝結(jié)水，使汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽流量增加，相應(yīng)的蒸汽壓力升高，汽輪機(jī)的損失減小. 由于釋熱過(guò)程5～7號(hào)回?zé)峒訜崞鲀?nèi)凝結(jié)水流量為0，其不產(chǎn)生損失，使燃煤機(jī)組完成降負(fù)荷和升負(fù)荷循環(huán)運(yùn)行加熱器的損失率降低. 儲(chǔ)熱過(guò)程中由于節(jié)流閥的存在，以及蒸汽與儲(chǔ)熱介質(zhì)之間的傳熱溫差存在，產(chǎn)生了1.27%的損失. 釋熱過(guò)程壓力水和儲(chǔ)熱材料之間的傳熱溫差產(chǎn)生了0.94%的損失. 同時(shí)，由于釋熱過(guò)程排汽流量增加，排汽濕度增加及罐體的散熱損失，使燃煤機(jī)組完成儲(chǔ)熱和釋熱循環(huán)，其他因素引起的損失率增加了1.09%.

采用直接降負(fù)荷方法和儲(chǔ)熱方法將燃煤機(jī)組負(fù)荷由50%THA降至35%THA時(shí)，直接降負(fù)荷方法比采用儲(chǔ)熱方法的收益效率高0.59%，直接降負(fù)荷方法比采用儲(chǔ)熱方法的鍋爐損失率、加熱器損失率和汽輪機(jī)損失率分別高1.12%、0.30%、1.15%. 由于靈活性調(diào)節(jié)系統(tǒng)增加的減壓閥和換熱過(guò)程存在的溫差，儲(chǔ)熱系統(tǒng)和釋熱系統(tǒng)產(chǎn)生了2.21%的損失. 由于散熱損失和釋熱過(guò)程排汽流量增加，直接降負(fù)荷方法比儲(chǔ)熱方法引起的其他損失率低0.95%.

4 結(jié)論

本文介紹了一種燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行系統(tǒng)，通過(guò)主蒸汽抽汽儲(chǔ)熱實(shí)現(xiàn)降負(fù)荷運(yùn)行. 對(duì)600 MW亞臨界燃煤機(jī)組50%THA、35%THA和利用儲(chǔ)熱技術(shù)將機(jī)組負(fù)荷由50%THA降至35%THA三種工況進(jìn)行分析. 得到以下結(jié)論：

2) 抽汽降負(fù)荷過(guò)程，進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量和壓力降低，導(dǎo)致收益效率降低，理論上將機(jī)組負(fù)荷降至35%THA的收益效率和汽輪機(jī)損失率比使用儲(chǔ)熱技術(shù)將機(jī)組負(fù)荷降至35%THA的收益效率和汽輪機(jī)損失率分別高0.59%和1.15%.

3) 為了實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行，增加的主蒸汽抽汽儲(chǔ)熱系統(tǒng)和釋熱系統(tǒng)使燃煤機(jī)組系統(tǒng)的損失率增加了2.21%. 建議采用再熱蒸汽抽汽儲(chǔ)熱方法實(shí)現(xiàn)降負(fù)荷運(yùn)行，以降低抽汽系統(tǒng)引起的損失.