分析方法在發(fā)電廠熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算中的應(yīng)用研究

摘要：文章根據(jù)某火電機(jī)組采用的熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法，通過已知數(shù)據(jù)對(duì)火電機(jī)組熱力系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行分析，可有效地評(píng)價(jià)系統(tǒng)中能量利用的合理程度，得出發(fā)電廠電能生產(chǎn)過程熱力系統(tǒng)的用能薄弱環(huán)節(jié)，分析產(chǎn)生這些損失的原因并評(píng)價(jià)其設(shè)備是否具有節(jié)能的潛力，提出改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：熱力系統(tǒng)；分析方法；發(fā)電廠；火電機(jī)組；熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算；熱損失 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM621 文章編號(hào)：1009-2374（2015）11-0056-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.11.028

1 概述

能源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。能源工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎(chǔ)，世界各國都把建立可靠、安全、穩(wěn)定的能源供應(yīng)保障體系作為國民經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略問題之一。我國是一個(gè)一次能源豐富的國家，但人均資源相對(duì)匱乏。我國是世界上少有的幾個(gè)以煤電為主的一次能源國家，根據(jù)2013年中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒發(fā)布的數(shù)據(jù)表明。2012年全國的總發(fā)電量為49877億kW·h，而火電為38928.1億kW·h，占總發(fā)電量78.05%。在未來較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，火力發(fā)電在中國電源結(jié)構(gòu)中仍將占據(jù)較高比重。這不僅是電源本身發(fā)展的需要，也是綜合發(fā)揮中國能源資源效率、提高經(jīng)濟(jì)與總體環(huán)保效益的最好選擇。隨著人們對(duì)環(huán)境要求的提高，節(jié)能減排的任務(wù)將更加艱巨。《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》提出：到2015年，中國非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到11.4%，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比2010年降低16%，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2010年降低17%。

從總體上看，我國的電力行業(yè)無論在技術(shù)裝備方面還是運(yùn)行水平方面與世界先進(jìn)國家之間存在著一定差距。雖然供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗由2000年的每千瓦時(shí)363克下降到2012年的305克，而在發(fā)達(dá)國家2012年這一數(shù)據(jù)為295克，我國與之相比依然偏高?；痣娮鳛槲覈饕碾娏ΡＵ闲袠I(yè)，對(duì)節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要的作用。對(duì)現(xiàn)有的火電機(jī)組進(jìn)行技術(shù)改造和優(yōu)化以減少能耗的方法，具有巨大的節(jié)能潛力。按照2012年全國發(fā)電量49877億千瓦時(shí)計(jì)算，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗每下降1g，全年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤將近500萬噸。

2 熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)的兩種方法

評(píng)價(jià)能量利用的程度有兩種觀點(diǎn)：一種是能量數(shù)量的利用，另一種是能量質(zhì)量的利用。因此從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來分析有兩種方法：第一種方法是以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)的熱量法（效率法、熱平衡法、等效焓降法），通過計(jì)算熱力循環(huán)裝置或設(shè)備有效利用的熱量占所有耗熱量的百分?jǐn)?shù)，研究損失產(chǎn)生的部位、大小、原因及其相互關(guān)系，常用于定量分析；第二種方法是以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的熵分析法或?qū)崃W(xué)第一、第二定律結(jié)合的分析法，一般用于定性分析。

3 廣泛采用的熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法

通過對(duì)省內(nèi)某火電機(jī)組進(jìn)行調(diào)研，獲取了該電廠原則性熱力系統(tǒng)圖組成、給定的電廠負(fù)荷工況、鍋爐和汽輪機(jī)的技術(shù)特性。汽輪機(jī)型號(hào)為N600-16.7/537/537，鍋爐型號(hào)為HG-2008/18.24-M。機(jī)組有8段抽汽，回?zé)嵯到y(tǒng)為三高四低一除氧，一、二、三段抽汽分別向高壓加熱器供汽，四級(jí)抽汽除供除氧器外，還向2臺(tái)給水泵及輔汽系統(tǒng)供汽；五至八級(jí)抽汽分別向4臺(tái)低壓加熱器供汽。該機(jī)組熱力系統(tǒng)計(jì)算采用常規(guī)計(jì)算方法，即列出各加熱器的物質(zhì)平衡式、熱平衡方程及汽輪機(jī)功率方程式，聯(lián)立求解多元方程組，得出熱力系統(tǒng)各部分汽水流量及其參數(shù)和熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。該方法直觀、簡(jiǎn)捷、計(jì)算方便，計(jì)算結(jié)果鍋爐效率ηb=0.92，管道效率ηp=0.986，汽輪機(jī)絕對(duì)內(nèi)效率ηi=0.4902，汽輪機(jī)機(jī)械效率ηm=0.995，發(fā)電機(jī)效率ηg=0.988，全廠熱效率ηcp=ηbηpηiηmηe=0.4371。

4 分析方法的應(yīng)用研究

分析法是一種依據(jù)熱力學(xué)第二定律發(fā)展起來的能量分析方法，它深刻揭示了能量在傳遞和轉(zhuǎn)換過程中能量品質(zhì)（能質(zhì)）必然蛻變的規(guī)律，熱力學(xué)稱之為能質(zhì)蛻變?cè)怼７治龇ㄅc第一熱力學(xué)分析法（焓分析法）的根本區(qū)別就在于它確認(rèn)了不同能量之間所具有的質(zhì)的差別，并在分析中同時(shí)體現(xiàn)能的數(shù)量和品質(zhì)的作用，為分析結(jié)果的科學(xué)與準(zhǔn)確性提供了保證。通過分析可以明確熱力系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的有效能量的利用情況，可對(duì)挖掘系統(tǒng)的節(jié)能潛力提供重要依據(jù)。分析法是通過平衡方程確定過程的損失和效率，其主要內(nèi)容包括：確定流入流出系統(tǒng)的各種物流量、熱流量和功流量（能流量）、流量以及各種物流的狀態(tài)參數(shù)；由平衡方程確定過程的損失；確定過程的熱力學(xué)第二定律效率。

利用分析方法對(duì)各種能量系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以明確系統(tǒng)各部位的損失，求取各項(xiàng)性能指標(biāo)，對(duì)所研究的系統(tǒng)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。

按照能量轉(zhuǎn)換的順序，對(duì)熱力系統(tǒng)中的各設(shè)備進(jìn)行損失和效率的分析。計(jì)算條件：以1kg工質(zhì)作為計(jì)算基準(zhǔn)，忽略工質(zhì)在給水泵的焓升。根據(jù)已有的汽水參數(shù)和各設(shè)備的效率，由各熱力設(shè)備中的平衡式，求得熱力系統(tǒng)中各有關(guān)熱力設(shè)備的值。

實(shí)際凝汽式發(fā)電廠能量轉(zhuǎn)換的全過程是由若干不可逆過程組合而成，每一個(gè)不可逆過程均存在損失，總的損失包括鍋爐的△Eb、管道的△Ep、汽輪機(jī)的△Et、凝汽器的△Ec、機(jī)械的Em與發(fā)電機(jī)的△Eg。

鍋爐中的損失為△Eb=48.51%，由三部分組成：鍋爐的散熱損失，化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能引起的損失，工質(zhì)溫差傳熱引起的損失。其中過熱器和再熱器的效率分別為51.61%和51.8%，過熱器的損失系數(shù)最大，主要是由于燃燒和傳熱的不可逆程度大造成的。

主蒸汽管道中由散熱和節(jié)流引起的損失為△Ep=0.21%。

汽輪機(jī)內(nèi)部的損失是由不可逆膨脹引起的，△Et=4.2%。其中汽輪機(jī)級(jí)組中調(diào)節(jié)級(jí)機(jī)組節(jié)流損失較大，低壓缸末級(jí)級(jí)組處于濕蒸汽狀態(tài)工作，效率分別為82.99%和85.91%，其余級(jí)組效率均在95%以上，相對(duì)于鍋爐來說較小。回?zé)嵯到y(tǒng)中，加熱器內(nèi)換熱溫差越大效率越低，故高壓加熱器效率均高于低壓加熱器。其中3號(hào)回?zé)峒訜崞鞒槠灾袎焊?，溫度和焓值大幅提高，損失最大。

凝汽設(shè)備中的損失是由溫差傳熱引起的△Ec=2.2%。汽輪機(jī)機(jī)械摩擦阻力引起的損失△Em=0.73%。發(fā)電機(jī)輸出電能總是小于汽輪機(jī)軸端的有效功率，兩者之差為發(fā)電機(jī)的損失△Eg=0.46%。

從數(shù)據(jù)結(jié)果看鍋爐側(cè)過熱器和在熱氣的損失系數(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43.69%。

5 結(jié)語

某電廠的熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)采用常規(guī)計(jì)算方法即效率分析法，總效率為43.71%，由于凝汽器乏汽冷凝冷源損失最大，故能量損失最大部位為汽輪機(jī)，其次為鍋爐損失。采用分析方法進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，由于鍋爐內(nèi)換熱溫差和燃燒的不可逆損失，能量損失最大部位為鍋爐，總效率為43.69%。兩種評(píng)價(jià)方法輸入的燃料化學(xué)能相等，輸出的有效電能相同，評(píng)價(jià)結(jié)果一致。各電廠廣泛采用第一種方法進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，主要因?yàn)樵摲椒ㄓ?jì)算簡(jiǎn)單，便于定量分析。但不同能量有質(zhì)的區(qū)別，即在凝汽器中的能量損失數(shù)量雖然很大，但品位很低，沒有利用價(jià)值，這部分熱量自從鍋爐中來就因燃燒、傳熱的不可逆性已喪失做功能力。所以，要從根本上提高發(fā)電廠的熱經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)減小換熱設(shè)備中的不可逆?zhèn)鳠釡夭睢⑵鲃?dòng)過程中的摩擦阻力、節(jié)流和散熱損失。

參考文獻(xiàn)

[1] 王加璇，張數(shù)芳.分析在電廠中的運(yùn)用[M].北京：水利電力出版社，1993.

[2] 徐劍鋒，彭琦.火電廠熱力系統(tǒng)分析[J].能源工程，2001，（5）.

[3] 李勤道，劉志真.熱力發(fā)電廠熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算分析

[M].北京：中國電力出版社，2008.

[4] 程祖田，楊玲.超超臨界1000MW機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性分析和分析[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2012，54（5）.

[5] 王繼選，韓中合，等.基于熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的火電機(jī)組熱力系統(tǒng)分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，40（6）.

[6] Ahmadi P.，I.Dincer，M.A.Rosen.Exergy，exergy-oeconomic and environmental analyses and evolutionary algorithm based multi-objective optimization of combined cycle power plants[J].Energy，2011，36（10）.

[7] G.P.verkhivker.Exergy analysis Power Plant[J].energy conversion and management，2001，（31）.

基金項(xiàng)目：寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏廣播電視大學(xué)科研發(fā)展基金資助（2014）。

作者簡(jiǎn)介：樊嘉欣（1986-），女，內(nèi)蒙古烏海人，寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：熱力設(shè)備與系統(tǒng)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）