超臨界600MW火電機(jī)組熱力系統(tǒng)的單耗分析

史永勝，王雲(yún)海，王酒順，王忠平

(1.嘉峪關(guān)宏晟電熱有限責(zé)任公司，甘肅 嘉峪關(guān)735100;2.中國(guó)石油玉門油田水電廠，甘肅 酒泉735200;3.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定071003)

0 引 言

目前，在我國(guó)仍以燃煤火力發(fā)電為主的背景下，火電廠既是產(chǎn)能大戶，又是耗能大戶。因此，對(duì)火電廠進(jìn)行熱力系統(tǒng)分析計(jì)算具有十分重要的意義［1］。電廠熱力系統(tǒng)分析方法主要有熱量法和方法，基于熱力學(xué)第一定律的熱量法從能量數(shù)量的角度出發(fā)分析熱力系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性。該方法原理簡(jiǎn)單易理解，同時(shí)輔以等效焓降法和循環(huán)函數(shù)法等一些簡(jiǎn)捷計(jì)算方法，使得定量計(jì)算變得更加容易［2］。但是，這種傳統(tǒng)的熱平衡方法沒有考慮能量的質(zhì)量，不能揭示能量損失的本質(zhì)原因，而基于熱力學(xué)第二定律的?分析法綜合考慮了能量的“量”和“質(zhì)”，是先進(jìn)的能量系統(tǒng)分析方法，但同時(shí)也有?值不統(tǒng)一性、?效率多義性等不足之處。單耗分析理論是在?和?經(jīng)濟(jì)學(xué)的基礎(chǔ)上提出的，不但保留了?分析法的優(yōu)點(diǎn)，削弱了其不確定性，而且直觀、易理解，它可以直接與成本和技術(shù)水平聯(lián)系起來［3］。

為了降低熱力系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中的能耗，就需要了解附加單耗在各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的空間分布情況，以及在不同時(shí)刻的動(dòng)態(tài)變化。本文以單耗分析理論為基礎(chǔ)，對(duì)超臨界600 MW 火電機(jī)組構(gòu)建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行單耗分析，以期為節(jié)能降耗提供理論依據(jù)。

1 單耗分析理論

由華北電力大學(xué)宋之平教授提出的單耗分析理論［3］是在?和?經(jīng)濟(jì)學(xué)的基礎(chǔ)上所設(shè)計(jì)的能量系統(tǒng)分析理論和方法，它用產(chǎn)品的單耗來表明生產(chǎn)過程能耗的高低，用運(yùn)行設(shè)備的附加單耗來表明其能損的大小，可望對(duì)節(jié)能降耗起到較大的促進(jìn)作用。在單耗理論中，“系統(tǒng)”意指被分析的能量系統(tǒng)總體，子系統(tǒng)稱為“設(shè)備”。系統(tǒng)總體最初投入的燃料和/或原材料我們統(tǒng)稱為“燃料”，系統(tǒng)總體最終產(chǎn)出的有用部分稱為“產(chǎn)品”，其余部分則被“廢棄”。

產(chǎn)品的單耗由兩部分組成:理論最低單耗和附加單耗;理論最低單耗本質(zhì)上就是單位產(chǎn)品所蘊(yùn)涵的?值與單位燃(原)料所蘊(yùn)涵?值的比值。在沒有任何附加損失的理想系統(tǒng)中，理論最低單耗為

式中:eP，eF分別為單位產(chǎn)品和單位燃料(或原材料)的?;P，F(xiàn) 分別為產(chǎn)品的總?值和投入系統(tǒng)的燃(原)料的總?值。

實(shí)際單耗與理論最低單耗之差稱為“產(chǎn)品的附加單耗”，它等于系統(tǒng)中諸“設(shè)備的附加單耗”的總和。因此:

式中:bmin為理論最低單耗;ΣIbI為各設(shè)備附加單耗之和。

而設(shè)備I 的附加單耗定義為

式中:(I + R + AC)為設(shè)備I 的?損耗。

設(shè)備I 的附加單耗bI是該設(shè)備不可逆損失的量度，通過比較可用來確定設(shè)備的完善性。附加單耗bI因設(shè)備而異，對(duì)于同一設(shè)備又因該設(shè)備的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)而異。設(shè)系統(tǒng)中有n 個(gè)設(shè)備m 個(gè)流，設(shè)備的附加單耗組成一個(gè)n 維的向量，每個(gè)流的?組成一個(gè)m 維的向量。定義

式中:T 為轉(zhuǎn)置符號(hào)。根據(jù)公式(3)，設(shè)備的附加單耗為

式中:A 為設(shè)備I 與流J 的聯(lián)系矩陣。其元素aIJ或?yàn)?(若I 與J 無聯(lián)系)，或?yàn)?1(若J 流入I)，或?yàn)椋?(若J 流出I)。上式中的E(τ)是通過對(duì)運(yùn)行中的系統(tǒng)持續(xù)地檢測(cè)而得到的，為了利用易測(cè)的少量參數(shù)確定其余參數(shù)，常使用不同流間的質(zhì)量和能量關(guān)系和每個(gè)設(shè)備的能量守恒和質(zhì)量守恒關(guān)系A(chǔ)M =0 和AH =0 加以關(guān)聯(lián)，其中，M 和H 分別為m 維的質(zhì)量流和能量流向量。

2 機(jī)組熱力系統(tǒng)單耗分析數(shù)學(xué)模型

進(jìn)行模型分析計(jì)算時(shí)，以國(guó)產(chǎn)某超臨界N600-24.2/566/566 機(jī)組為例。該機(jī)組的汽輪機(jī)為三缸四排汽，共有8 段抽汽，分別供給3 臺(tái)高加、1 臺(tái)除氧器、4 臺(tái)低加，各級(jí)加熱器采用疏水逐級(jí)自流，其熱力系統(tǒng)如圖1 所示。

2.1 鍋爐的附加單耗

根據(jù)附加單耗的定義，首先對(duì)鍋爐進(jìn)行?損分析，取如圖2 控制體列?平衡方程式計(jì)算鍋爐側(cè)?損耗，即

式中:ef為煤的化學(xué)比?;Db為鍋爐過熱器蒸汽流量;eb為過熱器出口蒸汽比?;efw為鍋爐給水比?;Drh為再熱蒸汽量;eoutrh為再熱器出口比?;einrh為再熱器入口比?。

圖1 N600-24.2/566/566 機(jī)組熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of thermal power system of N600-24.2/566/566

圖2 鍋爐側(cè)?流簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of a boiler

根據(jù)參考文獻(xiàn)［4，5］，煤的化學(xué)?可以依據(jù)式(8)進(jìn)行估算:

式中:qnet為煤的低位熱值;w(H)為燃煤中氫的質(zhì)量;w(O)為氧的質(zhì)量;w(N)為氮的質(zhì)量;w(C)為碳的質(zhì)量。

則，根據(jù)公式(3)可得鍋爐側(cè)的附加單耗計(jì)算式，即

2.2 管道的附加單耗

管道?損失按鍋爐熱負(fù)荷的?與供給汽輪機(jī)的蒸汽?之差表示，即

式中:D0為主蒸汽流量;e0為主蒸汽比?;erh為再熱后中聯(lián)門前蒸汽比?;e1為再熱前高壓缸排汽比?。

則，可得由于管道?損引起的附加單耗計(jì)算式，即

2.3 汽輪機(jī)的附加單耗

汽輪機(jī)通過消耗蒸汽?來對(duì)外做功，這一過程的?損失包含其內(nèi)部損失、軸封漏氣、小汽機(jī)、各級(jí)加熱器和凝汽器等設(shè)備的?損，其計(jì)算式如(12):

式中:W 為汽輪機(jī)做功值。

則，根據(jù)公式3 可得汽輪機(jī)側(cè)的附加單耗，即

2.4 回?zé)峒訜崞鞯母郊訂魏?/h3>

火電機(jī)組給水回?zé)嵯到y(tǒng)對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性以及安全運(yùn)行至關(guān)重要，因此十分有必要知道各級(jí)加熱器的熱力過程完善程度。為了減少計(jì)算量，對(duì)回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行單耗分析時(shí)采用公式(6)所述的矩陣算法，其各設(shè)備與?流的編號(hào)如圖3 所示。

根據(jù)圖3 中各設(shè)備連接關(guān)系，按照所介紹的聯(lián)系矩陣構(gòu)造規(guī)則得到該回?zé)嵯到y(tǒng)各設(shè)備與流的聯(lián)系矩陣見圖4。

圖3 600 MW 超臨界機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic diagram of regenerative system

圖4 設(shè)備與流的聯(lián)系矩陣Fig.4 The contact matrix of equipments and flows

根據(jù)?流的計(jì)算公式，計(jì)算各股?流。采用公式(6)與矩陣相關(guān)算法可以求得回?zé)嵯到y(tǒng)每個(gè)設(shè)備的?損及附加單耗。

2.5 凝汽器的附加單耗

凝汽器的?損失為排汽冷凝過程釋放出的?，為

式中:Dc和ec分別為凝汽量和其比?;Dt和et分別為小汽機(jī)的凝汽量和其比?為凝結(jié)水比?。

3 算例分析

應(yīng)用以上提出的單耗計(jì)算模型和選用的國(guó)產(chǎn)某超臨界N600—24.2/566/566 機(jī)組，在額定工況下對(duì)該熱力系統(tǒng)進(jìn)行單耗分析。其鍋爐效率為94%，全廠熱效率為44.56 %，對(duì)該火電機(jī)組的燃煤進(jìn)行煤質(zhì)分析，結(jié)果如表1 所示。其低位發(fā)熱量qnet=22 446 kJ/kg，根據(jù)公式(8)計(jì)算得到燃料的化學(xué)?eF=22 967 kJ/kg。依據(jù)單耗理論的定義，單位電能的?值為ep=3 600 kJ/(kW·h)，則該600 MW 超臨界火電機(jī)組的理論最低單耗應(yīng)為

表1 煤質(zhì)分析結(jié)果Tab.1 Results of the coal-quality analysis %

設(shè)備的附加單耗實(shí)際上是由于機(jī)組在運(yùn)行過程中?損所引起的，它能直接與電廠煤耗聯(lián)系起來，從而直觀的表述了機(jī)組煤耗在各設(shè)備間的分布情況。根據(jù)熱力系統(tǒng)圖1 以及附加單耗的定義，進(jìn)行實(shí)例分析計(jì)算，其結(jié)果如表2、表3 所示。

表2 回?zé)嵯到y(tǒng)各設(shè)備附加單耗分析結(jié)果Tab.2 The specific consumption distribution of each device in regenerative system

表3 全廠附加單耗分析結(jié)果Tab.3 Calculating results of the power unit

通過表2 的計(jì)算結(jié)果分析可知，高加的?效率比低加的大，且隨著抽汽壓力的降低而降低。對(duì)于回?zé)嵯到y(tǒng)而言，從理論上分析3 號(hào)高壓加熱器應(yīng)是最為薄弱部位，這是由于3 號(hào)高壓加熱器使用的是蒸汽再熱后的第1 段抽汽，其抽汽溫度最高，使得加熱器內(nèi)部汽水兩側(cè)溫差較大，不可逆損失增大所致［6］。但是，計(jì)算結(jié)果顯示附加單耗最大設(shè)備卻是除氧器，這是因?yàn)? 號(hào)高加設(shè)計(jì)時(shí)的給水比焓升只有110.6 kJ/kg，這樣就大大減少了該級(jí)加熱器的換熱量，從而降低了其附加單耗。除氧器采用的是混合式加熱器，有多股流在此混合，流動(dòng)阻力和?流參數(shù)差別很大，所以不可逆損失也就相對(duì)較大。對(duì)于低加側(cè)其?效率雖然并不高，但是它充分利用了低品位熱能且換熱溫差相對(duì)較小，所以附加單耗也就較低，這同時(shí)說明了回收利用電廠低位熱能對(duì)于節(jié)能降耗具有重要意義［7］。

由表3 可知，鍋爐側(cè)的附加單耗占到了80%以上，這主要是由于燃燒與傳熱過程的不可逆造成的，同時(shí)也說明改變能量的利用方式可以最大限度的達(dá)到節(jié)能降耗的目的。依據(jù)單耗理論的定義，該機(jī)組的實(shí)際單耗(即煤耗)為

該煤耗值比較高是因?yàn)樗萌剂咸匦圆煌拢闹兴憷龣C(jī)組所用煤的低位發(fā)熱量低于標(biāo)煤低熱值，因此煤耗也就偏大［8，9］。

5 結(jié) 論

本文構(gòu)建了火電機(jī)組熱力系統(tǒng)單耗分析數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用其對(duì)某超臨界600 MW 機(jī)組進(jìn)行單耗分析計(jì)算，得到如下結(jié)論:

(1)該機(jī)組的實(shí)際單耗(即煤耗)為b =360.24 g/kw·h，其值與傳統(tǒng)熱力計(jì)算結(jié)果一致。

(2)回?zé)嵯到y(tǒng)總的附加單耗為3.695 2 g/kw·h，各設(shè)備總能耗占總體比例不大，因此節(jié)能潛力有限。高壓加熱器的附加單耗高于低壓加熱器，在本例中除氧器是回?zé)嵯到y(tǒng)能損最大部位。

(3)鍋爐、管道、汽輪機(jī)的附加單耗分別為176.96 g/kw·h、2.72 g/kw·h、21.46 g/kw·h，其中鍋爐能耗最大，因此在無法改變能量釋放方式的前提下，提高機(jī)組參數(shù)和容量可以有效減少鍋爐側(cè)的能損。

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