大型燃煤發(fā)電機(jī)組能耗時空分布特性

楊志平，王寧玲，楊勇平

(華北電力大學(xué) 國家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心，北京102206)

0 引 言

火力發(fā)電是將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿纳a(chǎn)過程，包括燃料化學(xué)能的釋放、熱能和機(jī)械能的傳遞、轉(zhuǎn)換等多個環(huán)節(jié)，涉及流動、傳熱、能量轉(zhuǎn)換等多個過程。我國的能源資源稟賦決定了我國火力發(fā)電以燃煤為主。燃煤火力發(fā)電機(jī)組自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)組內(nèi)部之間、機(jī)組與外部之間有較強(qiáng)的耦合性，其能耗水平除受自身參數(shù)和結(jié)構(gòu)影響以外，同時受煤質(zhì)、負(fù)荷及環(huán)境等因素影響較大，特別是我國地域遼闊，南北方氣候差異較大，季節(jié)性變化明顯，燃煤機(jī)組頻繁參與調(diào)峰，同容量機(jī)組在不同氣候條件、不同負(fù)荷下差別較大，因此研究大型燃煤機(jī)組在不同氣候條件，不同負(fù)荷下的能耗水平，研究其能耗分布特性，對指導(dǎo)火力發(fā)電機(jī)組的節(jié)能降耗具有重要意義。

對于一個復(fù)雜能量系統(tǒng)，不僅僅要知道系統(tǒng)的效率和能耗，更希望了解系統(tǒng)中各個設(shè)備或過程的能耗或能量損失的大小，特別是不同工況下的能耗或能損的分布狀況，即能量系統(tǒng)的能耗時空分布，所謂“時”就是每時每刻的工況，就是“全工況”，所謂“空”就是系統(tǒng)中每一個設(shè)備，時空分布就是所有的設(shè)備在每一工況時的狀況。

目前火力發(fā)電機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的評價方法仍然基于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，熱力學(xué)第一定律分析法只是從系統(tǒng)或循環(huán)的角度，以設(shè)備的熱效率和總體能耗率進(jìn)行評價，從能量數(shù)量利用的角度揭示整個系統(tǒng)的能量損失;第二定律分析法表明能量損失的真正原因是過程的不可逆性導(dǎo)致能量品位下降引起的?損失，因此節(jié)能的真正目的是節(jié)?，火力發(fā)電機(jī)組的節(jié)能是系統(tǒng)節(jié)能和過程節(jié)能的統(tǒng)一［1，2］。

1 大型燃煤發(fā)電機(jī)組能耗時空分布分析

任何能量系統(tǒng)都消耗燃料或原材料稱之為“燃料”，最終產(chǎn)出的有用部分稱之為“產(chǎn)品”，其余部分稱為“損失”，其經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)主要有兩大類，即效率和產(chǎn)品單耗，二者成反比關(guān)系?！爱a(chǎn)品量”與“燃料量”按照相同的能量單位之比值稱為效率，有熱效率和?效率之分，“燃料量”與“產(chǎn)品量”的比值稱為產(chǎn)品單耗。

對于燃煤發(fā)電機(jī)組，消耗的“燃料”是煤，產(chǎn)品是“電能”，效率和煤耗率常用作評價燃煤發(fā)電機(jī)組的主要熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對效率而言根據(jù)評價方法的不同分為熱效率和?效率，無論用第一定律還是第二定律評價，煤耗率都是一致的，都是消耗的煤量與產(chǎn)生電量的比值。盡管煤耗率與效率成反比關(guān)系，但由于二者的數(shù)量級相差上千倍，用煤耗率評價更加通俗和直觀，所以電廠廣泛使用發(fā)電煤耗率和供電煤耗率作為評價其經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)。因此以煤耗率為指標(biāo)，研究其分布狀況也比?損失更加直觀。

評價燃煤發(fā)電機(jī)組的能耗時空分布，在于獲得不同工況下發(fā)電煤耗率或供電煤耗率在各設(shè)備間的分布特性，揭示系統(tǒng)中設(shè)備在不同運(yùn)行工況下的能耗變化規(guī)律。

2 基于?分析的火電機(jī)組能耗評價

對于任一能量系統(tǒng)，設(shè)F 為燃料總?值，ef為燃料比?，P 為產(chǎn)品總?值，ep為產(chǎn)品比?，?平衡方程表明輸入系統(tǒng)的燃料?等于輸出的產(chǎn)品?與系統(tǒng)的?損失之和，而整個系統(tǒng)的?損失∑Ij為系統(tǒng)中各“設(shè)備”的?損失Ij之和。對燃煤發(fā)電機(jī)組而言，標(biāo)準(zhǔn)煤的比?近似等于其低位發(fā)熱量，即ef= 29 271.2 kJ/kg，1 kW·h 的電能?等于3 600 kJ，則電能的比?為ep= 3 600 kJ/kW·h。其發(fā)電煤耗率推導(dǎo)如式(1)所示:

式中:

可見，機(jī)組發(fā)電煤耗率主要由兩部分組成，即理論單耗和不可逆性引起的設(shè)備附加單耗，所謂理論單耗為發(fā)電過程完全可逆(即產(chǎn)品總?P等于燃料總?F)情況下的能耗，而設(shè)備附加單耗為過程不可逆性引起的產(chǎn)品附加單耗，可見通過該式能夠建立起發(fā)電煤耗率與設(shè)備附加單耗之間的關(guān)系，即能確定燃煤發(fā)電機(jī)組能耗分布［3 ～6］。

3 燃煤發(fā)電機(jī)組設(shè)備附加單耗評價

設(shè)備附加單耗主要通過其?損失的大小來計算，?損失的大小根據(jù)?平衡確定。將燃煤發(fā)電機(jī)組的主要設(shè)備分為鍋爐、汽輪機(jī)、主再熱蒸汽管道、回?zé)峒訜崞?、回?zé)岢槠艿?、凝汽器、軸封加熱器、凝結(jié)水泵、汽動給水泵組等設(shè)備，具體分析如表1 所示［7］:

表1 火電機(jī)組主要設(shè)備附加單耗計算模型Tab.1 Calculation model of additional specific coal consumption for the main equipment of thermal power units

4 1 000 MW 濕冷機(jī)組的能耗分布特性

以東方電氣集團(tuán)制造的1 000 MW 濕冷超超臨界機(jī)組為研究對象，機(jī)組熱力系統(tǒng)如圖1所示。

鍋爐型號DG3000/26.15 －1，汽機(jī)型號N1000－ 25.0/600/600，回?zé)峒墧?shù)8 級，向3 臺高壓加熱器、4 臺低壓加熱器、1 臺除氧器供汽，給水泵采用小汽輪機(jī)拖動，給水泵效率83 %，小汽輪機(jī)效率81 %，再熱系統(tǒng)壓降10 %，一、二、三段抽汽壓損3 %，其它各段抽汽壓損5 %，設(shè)計循環(huán)水入口水溫18 ℃，主要設(shè)計參數(shù)如表2 所示，各級回?zé)峒訜崞鞫瞬钊绫? 所示。

圖1 1 000 MW 超超臨界濕冷機(jī)組熱力系統(tǒng)圖Fig.1 Thermal system diagram of 1 000 MW ultra-supercritical water-cooled power units

按照上述火電機(jī)組能耗分布的計算公式，依據(jù)汽輪機(jī)變工況理論［8，9］，分別對不同工況進(jìn)行熱力計算，得到整個機(jī)組各組成設(shè)備的能耗分布特性。圖2 所示為機(jī)組發(fā)電煤耗率在循環(huán)水進(jìn)口溫度18 ℃時不同工況下的能耗分布，圖3 所示為循環(huán)水進(jìn)口溫度18 ℃時汽輪機(jī)側(cè)的能耗分布。

表2 1 000 MW 超超臨界濕冷機(jī)組設(shè)計數(shù)據(jù)Tab.2 Main design parameters of 1 000MW ultra-supercritical water-cooled power units

表3 1 000 MW 超超臨界濕冷機(jī)組加熱器設(shè)計端差Tab.3 Designed heater TTD of 1 000 MW ultra-supercritical water-cooled power units

圖2 中，GCCR，TMSFC，ASFC1，ASFC2，ASFC3，ASFC4，ASFC5 分別代表理論單耗、鍋爐附加單耗、主要蒸汽管道附加單耗、汽輪機(jī)機(jī)組附加單耗、發(fā)電機(jī)附加單耗、發(fā)電煤耗率。由圖2 可見，在同一環(huán)境溫度下，機(jī)組的發(fā)電煤耗隨機(jī)組負(fù)荷率降低而增加，由100 %負(fù)荷降到40 %負(fù)荷時，機(jī)組發(fā)電煤耗率由271 g/kW·h 增加到280.83 g/kW·h，鍋爐側(cè)的附加單耗隨機(jī)組負(fù)荷下降而增加，從100 %負(fù)荷降到40 %負(fù)荷時，鍋爐側(cè)附加單耗由124.5 g/kW·h 增加到139.32 g/kW·h，汽輪機(jī)側(cè)的附加單耗隨機(jī)組負(fù)荷的降低而減小，從100 %負(fù)荷降到40 %負(fù)荷時，汽輪機(jī)側(cè)的附加單耗由19.975 g/kW·h 降低到14.3 g/kW·h。

圖2 1 000 MW 超超臨界濕冷機(jī)組設(shè)計工況下的能耗分布Fig.2 Coal consumption rate distribution diagram in design conditions of 1 000 MW ultra-supercritical watercooled power units

由圖3 可見，在相同的環(huán)境溫度條件下，汽輪機(jī)側(cè)能耗較大的設(shè)備主要有凝汽器、低壓缸、高壓缸、3 號高壓加熱器、中壓缸、汽動給水泵組、8 號低壓加熱器，隨機(jī)組負(fù)荷的降低，高壓缸的附加單耗增加，其他設(shè)備的附加單耗降低。

機(jī)組的能耗分布不僅與機(jī)組本身的特性有關(guān)，還與邊界條件有關(guān)，對于汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)而言，邊界條件主要是機(jī)組負(fù)荷、循環(huán)水入口溫度、循環(huán)水量，因此將汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)和冷端系統(tǒng)作為一個整體，研究其在不同負(fù)荷、不同循環(huán)水入口溫度、不同循環(huán)水量下的能耗分布特性，更能夠指導(dǎo)機(jī)組的節(jié)能降耗。

圖3 1 000 MW 超超臨界濕冷機(jī)組設(shè)計工況下汽輪機(jī)側(cè)的能耗分布Fig.3 Energy consumption distribution of steam turbine side in design conditions of 1 000 MW ultra-supercritical water-cooled power units

圖4 ～圖6 所示為該1 000 MW 超超臨界濕冷機(jī)組在不同負(fù)荷下、不同循環(huán)水泵運(yùn)行臺數(shù)時，機(jī)組發(fā)電煤耗隨循環(huán)水入口溫度變化的分布特性，圖4 為3 臺循環(huán)水泵運(yùn)行時，機(jī)組的能耗隨循環(huán)水入口溫度的分布曲線，該曲線表明:在相同的環(huán)境溫度條件下，機(jī)組的發(fā)電煤耗率隨機(jī)組負(fù)荷降低而增加，負(fù)荷越低，發(fā)電煤耗率增加越大;在同一負(fù)荷下，隨著循環(huán)水入口溫度的增加，機(jī)組的發(fā)電煤耗率增加，但有一分界點(diǎn)，在分界點(diǎn)以上，隨著循環(huán)水溫度增加，發(fā)電煤耗率增加明顯，特別是低負(fù)荷時曲線的斜率更大。在分界點(diǎn)溫度以下，機(jī)組的發(fā)電煤耗率隨循環(huán)水溫度的變化不大;值得注意的是這一分界點(diǎn)數(shù)值隨機(jī)組負(fù)荷下降而降低。

圖4 1 000 MW 濕冷機(jī)組3 臺循環(huán)水泵運(yùn)行時發(fā)電煤耗率的變化Fig.4 Coal consumption rate curves of 1 000 MW water-cooled power units with 3 circulate pumps in operation

圖5 為2 臺循環(huán)水泵運(yùn)行時，機(jī)組的能耗隨循環(huán)水入口溫度的分布曲線。

圖5 1 000 MW 濕冷機(jī)組2 臺循環(huán)水泵運(yùn)行時發(fā)電煤耗率的變化Fig.5 Coal consumption rate curves of 1 000 MW water-cooled power units with 2 circulate pumps in operation

圖6 1 000 MW 濕冷機(jī)組1 臺循環(huán)水泵運(yùn)行時發(fā)電煤耗率的變化Fig.6 Coal consumption rate curves of 1 000 MW water-cooled power units with one circulate pumps in operation

圖5 與圖4 相比，在循環(huán)水入口溫度較低時，兩泵運(yùn)行與3 泵運(yùn)行的發(fā)電煤耗率相差不大，但循環(huán)水入口溫度較高時，兩泵運(yùn)行較3 泵運(yùn)行發(fā)電煤耗率高，曲線所示在循環(huán)水入口水溫18 ℃時，兩泵運(yùn)行較3 泵運(yùn)行發(fā)電煤耗率高約1 ～2.5 g/kW·h，負(fù)荷率越低煤耗率差值越大，當(dāng)循環(huán)水入口水溫30 ℃時，兩泵運(yùn)行較3 泵運(yùn)行發(fā)電煤耗率高約4 g/kW·h，負(fù)荷率低時煤耗率差值稍低。

圖6 為1 臺循環(huán)水泵運(yùn)行時，機(jī)組的能耗隨循環(huán)水入口溫度變化的分布曲線，曲線變化形狀與3 臺、2 臺循環(huán)水泵運(yùn)行時相似，但數(shù)值不同。圖6 與圖5 相比，在循環(huán)水入口溫度較低時，1 泵運(yùn)行與兩泵運(yùn)行的發(fā)電煤耗率相差不大，但循環(huán)水入口溫度較高時，1 泵運(yùn)行較兩泵運(yùn)行發(fā)電煤耗率高，曲線所示當(dāng)循環(huán)水入口水溫5℃時，單泵運(yùn)行較兩泵運(yùn)行發(fā)電煤耗率高約0.25 g/kW·h;在循環(huán)水入口水溫18℃時，1 泵運(yùn)行較兩泵運(yùn)行發(fā)電煤耗率高約3 ～4 g/kW·h;當(dāng)循環(huán)水入口水溫30℃時，1 泵運(yùn)行較兩泵運(yùn)行發(fā)電煤耗率高8 ～15 g/kW·h，負(fù)荷率低時煤耗率差值小。

5 結(jié) 論

燃煤火力發(fā)電機(jī)組的能耗不但受自身結(jié)構(gòu)條件的影響，同時受邊界條件如煤質(zhì)、負(fù)荷、環(huán)境等因素的制約，通過分析其全工況能耗時空分布特性，不僅可以得到機(jī)組不同部位的能耗大小及其分布，而且可以得到機(jī)組在不同環(huán)境條件下、不同負(fù)荷時的能耗大小及其分布，既可以指導(dǎo)火電機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計，又可以指導(dǎo)其優(yōu)化運(yùn)行。

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