基于矩陣法的燃煤機組混合發(fā)電系統(tǒng)性能研究

葉學(xué)民，王 佳，李春曦

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定071003)

0 引 言

我國能源消費以煤為主，是世界上唯一以煤為主的能源消費大國，在現(xiàn)有能源消費結(jié)構(gòu)中，煤占68 %，據(jù)國際能源機構(gòu)預(yù)測，2030年煤炭仍占我國能源消費總量的60 %。以煤為主的能源結(jié)構(gòu)不僅對我國能源安全及能源發(fā)展戰(zhàn)略構(gòu)成威脅，而且不利于環(huán)境保護［1，2］。據(jù)世界銀行的統(tǒng)計報告顯示，全球有20 個污染最嚴重的城市，我國占了16 個。因此，尋求新的可替代、無污染、可再生能源是我國現(xiàn)階段亟待解決的戰(zhàn)略問題。

近年來，多能源綜合互補混合發(fā)電系統(tǒng)引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注［3～7］，太陽能、生物質(zhì)能與燃煤機組互補混合發(fā)電系統(tǒng)就屬于多能源綜合互補混合發(fā)電系統(tǒng)，在澳大利亞已建成太陽能－燃煤混合發(fā)電廠，其裝機容量達200 MW［8］。研究表明，這種系統(tǒng)是促進可再生能源大規(guī)模開發(fā)利用、緩解一次能源緊張局面以及減少環(huán)境污染的有效途徑，可作為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的一個發(fā)展方向。

目前，針對多能源綜合互補混合發(fā)電系統(tǒng)的研究主要集中在集成方式的選取上，對混合發(fā)電系統(tǒng)熱經(jīng)濟性分析方法尚未進行深入研究，傳統(tǒng)熱經(jīng)濟性分析方法如等效焓降法、循環(huán)函數(shù)法等過程繁瑣、規(guī)律性不強［9］，而矩陣法具有物理意義明確、規(guī)律性及通用性強、適合計算機編程等優(yōu)點，可彌補傳統(tǒng)熱經(jīng)濟性分析方法的不足，從而獲得了較為廣泛的應(yīng)用。因此本文以矩陣法為基礎(chǔ)，建立了由太陽能、生物質(zhì)組成的輔助系統(tǒng)分別作用于燃煤機組回?zé)嵯到y(tǒng)高加側(cè)、低加側(cè)的熱經(jīng)濟性分析矩陣模型，在此基礎(chǔ)上以300 MW 機組為例，分析了混合發(fā)電系統(tǒng)的熱力性能，為電廠節(jié)能改造提供可供參考的理論依據(jù)。

1 熱力性能分析矩陣模型

圖1 為太陽能、生物質(zhì)能與燃煤機組混合發(fā)電系統(tǒng)示意圖，輔助系統(tǒng)由太陽能集熱器與生物質(zhì)氣化裝置串聯(lián)構(gòu)成?？紤]參數(shù)匹配問題，太陽能集熱系統(tǒng)選取拋物面槽式太陽能集熱器，其可達到的工質(zhì)參數(shù)為10 MPa/400 ℃［10］，生物質(zhì)氣化裝置為循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化爐，可達到的蒸汽參數(shù)為5.5 MPa/470 ℃［11］。輔助系統(tǒng)與回?zé)峒訜崞骶唧w的集成方式如下(以5 號低加為例):從5 號低加給水出口引出部分給水，送入輔助系統(tǒng)加熱至5 號低加的抽汽參數(shù)后，與5 號低加的抽汽混合一起在加熱器進行放熱，從而可替代甚至取代抽汽。輔助系統(tǒng)作用于其他加熱器時與此類似。

為推導(dǎo)出矩陣形式的混合發(fā)電系統(tǒng)熱力性能分析模型，以除氧器為界，將其之前的1 ～3 級高壓加熱器劃分為高加側(cè)，之后的5 ～8 級低壓加熱器劃分為低加側(cè)。由于除氧器具有特殊功能，為不影響其工作效果，不將輔助系統(tǒng)作用于除氧器。

圖1 太陽能、生物質(zhì)能與燃煤機組混合發(fā)電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Solar and biomass energy aided coal-fired hybrid power generation system

1.1 高加側(cè)熱力性能分析矩陣

定義分流系數(shù):

式中:Dasi為輔助系統(tǒng)給水流量;Dfwi為主管路給水流量。通過輔助系統(tǒng)加熱后的蒸汽比焓為hasi，則輔助系統(tǒng)放熱量qasi根據(jù)加熱器形式不同可分為:疏水自流面式加熱器:qasi= hasi-hdi;匯集式加熱器:qasi= hasi- hw(i+1)，其他基本參數(shù)見文獻［9］。令λi=1 - κi，對每級控制單元建立能量平衡方程，經(jīng)形式變換可得矩陣形式:

由于引入輔助系統(tǒng)之后只對主給水流量產(chǎn)生了影響，對汽輪機抽汽和輔助蒸汽放熱量無影響，因此抽汽和輔助蒸汽放熱矩陣可按常規(guī)方法填寫。其他新定義矩陣分別為輔助水放熱矩陣Afw，輔助系統(tǒng)放熱矩陣Aas，分流系數(shù)矩陣φ，給水泵功矩陣?！鋌，主給水影響系數(shù)矩陣B，表達式分別為

1.2 低加側(cè)熱力性能分析矩陣

輔助系統(tǒng)作用于低加側(cè)5 ～8 級加熱器時，對1 ～4 級加熱器不產(chǎn)生影響，因此1 ～4 級加熱器矩陣表達式可按常規(guī)方法填寫，具體可參考文獻［9］。作用于5 ～8 級加熱器時矩陣形式的表達式為

式中:

1.3 混合發(fā)電系統(tǒng)熱力性能評價指標

1.3.1 汽輪機側(cè)性能指標

(1)汽輪機做功方程:

(2)汽輪機絕對內(nèi)效率方程:

式中:Q 為鍋爐吸熱量;αzr為再熱蒸汽份額。

1.3.2 輔助系統(tǒng)側(cè)性能指標

(1)定義輔助系統(tǒng)做功方程:

式中:ωf為輔助系統(tǒng)做功量;ωi，ω0分別為引入及未引入輔助系統(tǒng)時汽輪機側(cè)做功量。

(2)輔助系統(tǒng)吸熱量方程:

式中:hwi為輔助系統(tǒng)作用級加熱器給水出口比焓。

(3)輔助系統(tǒng)及混合發(fā)電系統(tǒng)整體循環(huán)效率

定義輔助系統(tǒng)效率，表征輔助系統(tǒng)將吸收的熱量轉(zhuǎn)化為功的能力，表達式:

(4)混合發(fā)電系統(tǒng)整體循環(huán)效率:

2 熱力性能分析矩陣模型應(yīng)用

以300 MW 機組為例，熱力系統(tǒng)如圖2 所示，在滿足參數(shù)匹配的條件下，假定引入輔助系統(tǒng)之后主蒸汽流量保持不變，當輔助系統(tǒng)投入比例過多導(dǎo)致排擠的汽輪機抽汽量過大而影響汽輪機末端通流部分安全時，應(yīng)適當減少分流系數(shù)。根據(jù)熱經(jīng)濟性分析模型(1)～(8)，經(jīng)計算分析可得混合發(fā)電系統(tǒng)性能指標隨分流系數(shù)的變化關(guān)系如圖3 所示。

圖2 300 MW 機組熱力系統(tǒng)Fig.2 Thermodynamic system of a 300 MW unit

由圖3 可看出，輔助系統(tǒng)作用于不同加熱器時分流系數(shù)的最大值不同，其中，6 號低加分流系數(shù)的最大值較小，主要是由于6 號低加的抽汽量最少，相對于其他加熱器，輔助系統(tǒng)作用于6 號低加時能排擠的抽汽量最小，因而其分流系數(shù)的最大值是所有加熱器中最小的。

從圖3(a)～3(c)可看出，在原燃煤機組的基礎(chǔ)上集成輔助系統(tǒng)之后，混合發(fā)電系統(tǒng)各性能指標均提高，并隨分流系數(shù)增大而增大。其中，輔助系統(tǒng)作用于高加側(cè)的性能指標高于低加側(cè)，并隨分流系數(shù)增大，高加側(cè)的優(yōu)勢更突出。引起這種變化的原因是分流系數(shù)增大即輔助系統(tǒng)投入比例增加，排擠的汽輪機抽汽量增加，高加側(cè)的抽汽參數(shù)高于低加側(cè)，因而高加側(cè)的汽輪機出力明顯高于低加側(cè)，經(jīng)濟性較好。

當分流系數(shù)一定時，如圖3 所示，輔助系統(tǒng)作用于高加側(cè)的經(jīng)濟性好于低加側(cè)。取分流系數(shù)為0.02，則高加側(cè)汽輪機做功平均值為1 231.99 kJ/kg，低加側(cè)則為1 210.46 kJ/kg;輔助系統(tǒng)作用于高加側(cè)的平均做功量為27.43 kJ/kg，低加側(cè)為5.92 kJ/kg;高加側(cè)汽輪機絕對內(nèi)效率平均值為46.81 %，低加側(cè)為46.13 %。因此，在選取輔助系統(tǒng)作用位置時應(yīng)選擇經(jīng)濟性較好的高加側(cè)某級加熱器。

圖3(d)反映了混合發(fā)電系統(tǒng)整體循環(huán)效率隨分流系數(shù)的變化關(guān)系，從中可看出，輔助系統(tǒng)作用于低加側(cè)時，整體循環(huán)效率隨分流系數(shù)變大反而減小。這是因為低加側(cè)的給水參數(shù)和抽汽參數(shù)相差較大，將給水加熱到與抽汽相對應(yīng)的參數(shù)需要消耗的能量較多，并隨分流系數(shù)增大，引入輔助系統(tǒng)吸熱的給水量增加，消耗的能量增多，而排擠低加側(cè)的抽汽做功并不明顯，進而整體循環(huán)效率呈下降趨勢。作用在高加側(cè)時，整體循環(huán)效率則隨分流系數(shù)增大而提高，其中，1 號高加的整體循環(huán)效率最高，并隨分流系數(shù)增大，與2 號、3 號高加的差距擴大，主要是因1 號高加的抽汽來自汽輪機高壓缸中部，而2 號、3 號高加的抽汽則分別來自高壓缸排汽和中壓缸所致。

圖3 性能指標隨分流系數(shù)變化Fig.3 Performance indices of different shunt coefficients

當分流系數(shù)增大到某一值時汽輪機抽汽份額為0，此時輔助系統(tǒng)完全排擠汽輪機抽汽。完全排擠抽汽時，各項熱經(jīng)濟性指標如表1 所示。

表1 完全排擠抽汽時性能指標Tab.1 Performance indices of turbine extraction totally supplanted by auxiliary system

對比表1 和圖3 可知，完全排擠抽汽時，混合發(fā)電系統(tǒng)各性能指標達最大值，汽輪機做功及絕對內(nèi)效率最高達1 309.86 kJ/kg，49.19 %，最低1 209.57 kJ/kg，46.09 %，相對于原燃煤機組，提高率分別達0.42 % ～8.74 %，0.42 % ～7.2%。輔助系統(tǒng)作用于高加側(cè)時輔助系統(tǒng)效率及混合發(fā)電系統(tǒng)整體循環(huán)效率高于低加側(cè)，作用于高加側(cè)時輔助系統(tǒng)效率及整體循環(huán)效率平均值分別為66.02 %，46.44 %，低加側(cè)則分別為12.67 %，44.85 %。其中，1 號高加各項性能指標最高，因此輔助系統(tǒng)的最佳作用位置在1 號高加。

3 結(jié) 論

(1)在原燃煤機組基礎(chǔ)上集成由太陽能、生物質(zhì)能組成的輔助系統(tǒng)之后，混合發(fā)電系統(tǒng)各項性能指標均升高，并隨分流系數(shù)的增大而增大。當分流系數(shù)增大到輔助系統(tǒng)完全排擠汽輪機抽汽時混合發(fā)電系統(tǒng)各性能指標達最大值。其中，輔助系統(tǒng)作用于1 號高加的經(jīng)濟性效果最好，相對于原燃煤機組，汽輪機做功及絕對內(nèi)效率提高率分別達8.74 %，7.2 %，輔助系統(tǒng)效率及整體循環(huán)效率分別達81.88 %，46.93 %。

(2)分流系數(shù)一定時，輔助系統(tǒng)作用于高加側(cè)的經(jīng)濟性好于低加側(cè)。當分流系數(shù)為0.02 時汽輪機做功高加側(cè)高于低加側(cè)21.53 kJ/kg，輔助系統(tǒng)做功及汽輪機絕對內(nèi)效率高加側(cè)分別高于低加側(cè)21.51 kJ/kg，0.68 %。

(3)輔助系統(tǒng)作用于低加側(cè)時混合發(fā)電系統(tǒng)整體循環(huán)效率隨分流系數(shù)增大反而減小，而高加側(cè)則隨分流系數(shù)增大而增大。并隨分流系數(shù)增大，1 號高加整體循環(huán)效率與2 號、3 號高加之間的差距擴大，分流系數(shù)越大，輔助系統(tǒng)作用于1 號高加取得的經(jīng)濟效益越好。

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