基于熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的火電機(jī)組熱力系統(tǒng)?分析

王繼選，韓中合，錢江波，劉小貞，鄭曉雨，張金會(huì)

(1.華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003;2.邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，河北 邯鄲 056001;3.國家電力調(diào)度控制中心，北京 100031)

0 引言

我國的能源消費(fèi)主要以化石燃料為主，節(jié)能降耗是我國的長期基本國策。作為全國煤炭消耗大戶，火力發(fā)電廠節(jié)能減排任務(wù)重大。火電機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的評價(jià)方法一般分為兩類:熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律?；跓崃W(xué)第一定律的熱量法，如熱平衡法、等效焓降法、矩陣法、循環(huán)函數(shù)法等，一般用于定量分析;基于熱力學(xué)第二定律的?分析法、熵分析法、熱經(jīng)濟(jì)學(xué)法等，一般用于定性分析。熱力系統(tǒng)的節(jié)能不僅要重視量，還應(yīng)重視系統(tǒng)節(jié)能、優(yōu)化的潛力和能級匹配，所以對機(jī)組熱力系統(tǒng)進(jìn)行?分析可以有效評價(jià)能量利用的合理程度，根據(jù)各設(shè)備的生產(chǎn)目的，確定其燃料－產(chǎn)品?平衡模型，發(fā)掘節(jié)能潛力，科學(xué)指導(dǎo)節(jié)能工作。?理論和熱經(jīng)濟(jì)學(xué)理論在熱力系統(tǒng)的分析上得到了一定的應(yīng)用和發(fā)展[1～9]。隨著“十二五規(guī)劃”的提出，節(jié)能減排是以后一段時(shí)期內(nèi)的重要任務(wù)，本文擬建立熱力系統(tǒng)的?分析數(shù)學(xué)模型，為火電機(jī)組的節(jié)能減排提供理論依據(jù)。

1 火電機(jī)組熱力系統(tǒng)?分析數(shù)學(xué)模型

1.1 燃料、產(chǎn)品定義

根據(jù)每個(gè)設(shè)備的生產(chǎn)目的，使用“燃料－產(chǎn)品”的概念定義各設(shè)備的生產(chǎn)目的，利用?所量化的某一組件的生產(chǎn)目的稱為“產(chǎn)品”，為獲得該產(chǎn)品所消耗的?稱為“燃料”，由于生產(chǎn)過程中各設(shè)備的不可逆程度不同，因此燃料?不可能百分之百地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品?，不同設(shè)備具有不同的?損失和?效率[9～11]。?損失是一個(gè)絕對量，其大小說明了能量轉(zhuǎn)換過程的不可逆程度的大小;?損率的大小表示了同一系統(tǒng)中局部?損失占總?損失的比重，可以表明該系統(tǒng)中每個(gè)環(huán)節(jié)?損失的大小;?損失系數(shù)表示各環(huán)節(jié)?損失占總?cè)剂?的比重;?效率的大小可以衡量熱力過程的完善程度[5，12～14]，?效率分為普遍?效率和目的?效率，由于能量系統(tǒng)中設(shè)備眾多造成了某個(gè)設(shè)備是多股?流匯入和多股?流匯出，且普遍?效率不能如實(shí)地反映系統(tǒng)能量利用的具體情況，故本文采用目的?效率，即作為產(chǎn)品的?與作為燃料的?之比[9，15]。在進(jìn)行橫向比較時(shí)，采用?損失系數(shù)即以代價(jià)?為基準(zhǔn)時(shí)局部?損失所占的比例。

1.2 “燃料－產(chǎn)品”?平衡模型

實(shí)際生產(chǎn)過程中總是伴隨著?損，根據(jù)“燃料－產(chǎn)品”定義將傳統(tǒng)的?平衡方程如式(1)。

式中:F為燃料，kW;P為產(chǎn)品，kW;I為?損失，kW。

以系統(tǒng)總?損失∑Ii為基準(zhǔn)，系統(tǒng)中某個(gè)環(huán)節(jié)?損失Ii所占的比例稱為?損率di。

?損率表示同一系統(tǒng)中局部?損失占總?損失的比重，可以表明該系統(tǒng)中每個(gè)環(huán)節(jié)?損失的大小。

當(dāng)將輸入到系統(tǒng)中的總?cè)剂?做為基準(zhǔn)時(shí)，各環(huán)節(jié)?損失所占的比重稱為?損失系數(shù)Ωi。

式中:B為燃料量，kg;ef為燃料化學(xué)?，kJ/kg。系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的?效率與?損失系數(shù)的關(guān)系如式(4)。

1.3 物理模型建立

某超臨界機(jī)組汽輪機(jī)型號為N600-24.2/566/566，鍋爐型號為 DG-1900/25.4-Ⅱ1，機(jī)組有8段抽汽，回?zé)嵯到y(tǒng)為“三高、四低、一除氧”，一、二、三級抽汽分別向3臺高壓加熱器供汽，四級抽汽除供除氧器外，還向2臺給水泵汽輪機(jī)及輔助蒸汽系統(tǒng)供汽;二級抽汽作為輔助蒸汽系統(tǒng)和給水泵汽輪機(jī)的備用汽源;五至八級抽汽分別向4臺低壓加熱器供汽;整個(gè)通流部分有42級葉片。THA工況下汽水參數(shù)如表1所示。該機(jī)組的熱力系統(tǒng)如圖1所示。

表1 THA工況下主要汽水參數(shù)Tab.1 Main steam parameters of THA

圖1 600 MW機(jī)組熱力系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic diagram of the 600 MW thermal power plant

基于熱力系統(tǒng)圖繪制系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行?分析法建模。系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，再熱器從鍋爐中分離形成單獨(dú)的組件RH，剩余部分組成組件B-SH;汽輪機(jī)組件是由各抽汽點(diǎn)位置所確定的級組，噴嘴和調(diào)節(jié)級之間的組件作為一個(gè)級組;循環(huán)水泵與凝汽器構(gòu)成組件CND;各抽汽管道與其對應(yīng)的加熱器，分別構(gòu)成單獨(dú)的組件;其余設(shè)備各自為一個(gè)組件，共25個(gè)組件。

1.4 ?分析數(shù)學(xué)模型

1.4.1 鍋爐“燃料－產(chǎn)品”?模型

鍋爐的產(chǎn)品為蒸汽，而其代價(jià)為燃料，故其?平衡模型可表示為

式中:Dgr為鍋爐過熱器的蒸汽流量，kg/s;egr為過熱器出口蒸汽的比?，kJ/kg;egs為鍋爐給水的比?，kJ/kg;Drh為再熱蒸汽流量，kg/s;erh，c為再熱器出口蒸汽比?，kJ/kg;erh，r為再熱器入口蒸汽比?，kJ/kg;Ib為生產(chǎn)過程中的?損失，kJ/s。

煤的化學(xué)?ef的估算式為[16]

式中:w(C)為燃料煤中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;w(H)為燃料煤中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;w(O)為燃料煤中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;w(N)為燃料煤中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;w(S)為燃料煤中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;w(A灰)為燃料煤中灰份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

1.4.2 汽輪機(jī)級組“燃料－產(chǎn)品”?模型

汽輪機(jī)級組的燃料為進(jìn)出各級組蒸汽

?差值，其產(chǎn)品為各級組蒸汽做功量，故其?平衡模型可表示為

式中:W為汽輪機(jī)的做功量，kW;IT為汽輪機(jī)做功損失。

1.4.3 回?zé)峒訜崞鳌叭剂希a(chǎn)品”?模型

回?zé)峒訜崞鞯臒崃W(xué)完善程度關(guān)系到機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性，表面式加熱器結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 表面式加熱器Fig.3 Schematic diagram of a surface heater

化簡得:

如果加熱器型式為混合式，則其?平衡方程式為

對第i級加熱器，由于抽汽壓損、散熱損失、傳熱溫差、上級疏水節(jié)流等造成的損失包含在Ini中，對各級加熱器列出?矩陣平衡方程式有:

式中:Di為各級抽汽組成的列向量;Ef為輔助蒸汽對加熱器?平衡的作用，其主對角元素為該級輔助蒸汽的比?降，kJ/kg;Df為進(jìn)入各級加熱器的輔助蒸汽流量組成的列向量;Efw為輔助給水所組成的?向量，其主對角元素為該級輔助給水的比?降，kJ/kg;Dfw為進(jìn)入各級加熱器的輔助給水流量組成的列向量;Ex為下三角矩陣，其主對角線上的元素是該級抽汽的比?降;i＞j時(shí)，如果第i級加熱器有j級加熱器來的疏水，則Ei，j=，如果無j級加熱器來的疏水，則Ei，j=eτi;當(dāng)i＜ j時(shí)，Ei，j=0 。Di(i=1，2，…，8) 為各級抽汽組成的列向量。Ef反映了輔助蒸汽對加熱器?平衡的影響，是下三角矩陣，其主對角線上的元素是該級輔助蒸汽的比?降;i＞j時(shí)，如果第i級加熱器有j級加熱器來的疏水，則Ei，j=，如果無j級加熱器來的疏水，則 Ei，j=eτi;當(dāng)i＜j時(shí)，Ei，j=0;Efw為下三角矩陣，其主對角線上的元素是該級加熱器輔水的比?降;i＞j時(shí)，如果第i級加熱器有j級加熱器來的疏水，則Ei，j=，如果無j級加熱器來的疏水，則Ei，j=eτi;當(dāng)i＜j時(shí)，Ei，j=0;Df為進(jìn)入各級加熱器的輔助蒸汽流量組成的列向量;Dfw為進(jìn)入各級加熱器的輔助水的流量組成的列向量;Eτ為各級加熱器給水的比?升組成的列向量;I為各級加熱器?損失所組成的列向量。

Ex，Ef，Efw的表達(dá)式如下:

1.4.4 凝汽器“燃料－產(chǎn)品”?模型

凝汽器?損失定義為排汽在冷凝過程中所釋放的?量，即為

式中:Dc為低壓缸排汽量，kg;ec為低壓缸排汽比?，kJ/kg;Dt為小汽輪機(jī)排汽量，kg;et為小汽輪機(jī)排汽比?，kJ/kg;e'c為凝結(jié)水比?，kJ/kg。

2 算例分析

以圖1所示系統(tǒng)為研究對象，該機(jī)組的煤質(zhì)分析結(jié)果如表2所示。

表2 煤質(zhì)成份Tab.2 Composition of the coal-quality analysis

燃料化學(xué)?的計(jì)算見參考文獻(xiàn)[16]。

該機(jī)組汽輪機(jī)為三缸四排汽，整個(gè)通流部分為42級葉片，其中高壓缸共有8級，中壓缸共有6級，低壓缸共有4×7級。由于?效率可以表明組件的熱力性能，因此計(jì)算機(jī)組組件的?效率，結(jié)果如表3～5所示。

由表3知，鍋爐系統(tǒng)中，過熱器和再熱器的?效率分別為51.52%和51.7%，與汽輪機(jī)的?效率相比低很多，同時(shí)鍋爐側(cè)的?損失、?損率、?損失系數(shù)都比汽機(jī)側(cè)的大，其中過熱器的?損率和?損失系數(shù)最大，分別為70.12%和39.20%，其?損失主要是由于燃燒和傳熱的不可逆程度大造成的。

根據(jù)表4汽輪機(jī)?分析結(jié)果可知，汽輪機(jī)級組中調(diào)節(jié)級級組和低壓缸末級級組?效率最低，分別為82.99%和85.91%。調(diào)節(jié)級?效率主要是由于高壓缸調(diào)節(jié)級進(jìn)汽時(shí)刻處于變工況的狀態(tài)下，其節(jié)流損失較大，低壓缸末級級組?效率低主要是因?yàn)槟┘壧幱跐裾羝麪顟B(tài)下工作，其余級組?效率均在95%以上，汽輪機(jī)級組中?損失、?損率、?損系數(shù)相對于鍋爐來說要小很多。

低壓缸末級級組的?損失、?損率、?損失系數(shù)在汽輪機(jī)級組中最大，其值分別為11 664.45 kJ/s，1.53%，0.85%;

由表5計(jì)算結(jié)果可知，高壓加熱器的?效率均高于低壓加熱器，抽汽壓力越低所對應(yīng)的加熱器的?效率越低，3號高壓加熱器抽汽溫度最高，該級加熱器內(nèi)的換熱溫差最大，同其它高壓加熱器相比其?效率較低，因此?損失、?損率、?損系數(shù)也比其它高壓加熱器高;低壓加熱器的?效率明顯低于高壓加熱器，4號低壓加熱器?損失較高，其它低壓加熱器?損失均比高壓加熱器低;凝汽器CND的總?損失最大，但其?效率較高。

表3 鍋爐?分析結(jié)果Tab.3 Exergy results of boiler

汽輪機(jī)?分析結(jié)果如表4所示。

表4 汽輪機(jī)?分析結(jié)果Tab.4 Exergy results of steam turbine

熱力系統(tǒng)?分析結(jié)果如表5所示。

表5 熱力系統(tǒng)?分析結(jié)果Tab.5 Exergy results of thermal system

從計(jì)算結(jié)果看鍋爐側(cè)過熱器和再熱器的?損失系數(shù)最大，這主要是因?yàn)槿紵c傳熱的不可逆造成的。全廠的?效率為44.09%。

3 結(jié)論

基于燃料－產(chǎn)品定義的?平衡模型，建立了熱力系統(tǒng)?分析數(shù)學(xué)模型。根據(jù)所建模型對某機(jī)組進(jìn)行了?分析，結(jié)論如下。

(1)中壓缸各級組?效率較高;高壓缸調(diào)節(jié)級級組和低壓缸末級級組?效率分別為82.99%和85.91%，這主要與高壓缸調(diào)節(jié)級節(jié)流損失大及低壓缸末級處于濕蒸汽狀態(tài)有關(guān)。

(2)高壓加熱器的?效率均高于低壓加熱器，抽汽壓力越低所對應(yīng)的加熱器的?效率越低。低壓加熱器?損失所占全廠?損失的比例不大，低壓加熱器節(jié)能潛力不大。

(3)過熱器和再熱器的?損失系數(shù)最大，分別為70.12%和39.20%，其?損失主要是由于燃燒和傳熱的不可逆程度大造成的，降低不可逆程度可以提高鍋爐的?效率。

(4)該機(jī)組的全廠?效率為44.09%。

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