基于先進(jìn)分析法的供熱機(jī)組優(yōu)化

王文煥， 李秋白， 王炯銘， 譚 銳， 黃啟龍， 戴曉業(yè)， 史 琳

(1. 清華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程系，北京 100086； 2. 國(guó)能南京電力試驗(yàn)研究有限公司，南京 210046； 3. 國(guó)能(泉州)熱電有限公司，福建泉州 362804))

在中國(guó)，火力發(fā)電一直占據(jù)主導(dǎo)地位，其裝機(jī)容量超過(guò)63%[1]。然而，燃煤電廠普遍存在低效、高能耗和高污染物排放的問(wèn)題。電力行業(yè)的碳排放量約占中國(guó)能源系統(tǒng)碳排放量的40%，是最大的碳排放源。在“碳達(dá)峰”、“碳中和”的關(guān)鍵時(shí)期，電力行業(yè)節(jié)能減排的任務(wù)艱巨，燃煤機(jī)組是電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)場(chǎng)[2]。

供熱改造是燃煤機(jī)組提高效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑[3]。常規(guī)燃煤機(jī)組進(jìn)行供熱改造后，傳統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)不再適用，并且整個(gè)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的熱力學(xué)參數(shù)可能也會(huì)發(fā)生變化。現(xiàn)有研究通常使用總參數(shù)+分項(xiàng)指標(biāo)的方式來(lái)評(píng)價(jià)供熱機(jī)組的熱力學(xué)性能，但是該方式描述復(fù)雜，并且具有一定的片面性[4]。因此，有必要從熱力學(xué)第二定律的角度出發(fā)，結(jié)合分析的相關(guān)概念，對(duì)供熱機(jī)組進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)分析其各部件的損失分布，為機(jī)組選型提供優(yōu)化參考。

1 熱力學(xué)模型

選取CN300-1.67/538/538型機(jī)組進(jìn)行研究，該機(jī)組為一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽的抽汽凝汽式汽輪機(jī)，回?zé)嵯到y(tǒng)采用傳統(tǒng)的3個(gè)高壓加熱器、4個(gè)低壓加熱器、1個(gè)除氧器的形式，給水泵汽輪機(jī)用汽取自第四級(jí)回?zé)岢槠⑶壹僭O(shè)凝汽器熱井處補(bǔ)水參數(shù)與環(huán)境參數(shù)一致。供熱改造采用雙汽源抽汽改造，分別將第一級(jí)回?zé)岢槠蜔嵩贌嵴羝槠┙o高、中壓熱用戶。機(jī)組的熱力參數(shù)和供熱參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。

表1 機(jī)組的熱力參數(shù)

表2 機(jī)組的供熱參數(shù)

2.1 傳統(tǒng)分析模型

e=(h-T0s)-(h0-T0s0)

(1)

式中：h和h0分別為當(dāng)前狀態(tài)點(diǎn)和環(huán)境參考態(tài)下工質(zhì)的比焓；s和s0分別為當(dāng)前狀態(tài)點(diǎn)和環(huán)境參考態(tài)下工質(zhì)的比熵；T0為環(huán)境參考態(tài)溫度。

(2)

部件k效率的計(jì)算公式為：

(3)

式中：εk為部件k的效率。

(4)

將該300 MW供熱機(jī)組的整個(gè)熱力系統(tǒng)分解為汽輪機(jī)級(jí)組、回?zé)峒訜崞?、凝汽器、給水泵及供熱部件，其中供熱部件表示供熱改造所使用的汽汽換熱器等設(shè)備。供熱機(jī)組及各部件的損見(jiàn)表3，其中：為系統(tǒng)或部件的損；為質(zhì)量流量；Pe為機(jī)組發(fā)電功率；下標(biāo)tot、tur、reh、con、pump和heating分別表示供熱機(jī)組、汽輪機(jī)、回?zé)峒訜崞?、凝汽器、給水泵和供熱部件；下標(biāo)i、j分別為汽輪機(jī)級(jí)組、回?zé)峒訜崞骷?jí)數(shù)；下標(biāo)f、s、w、ma和c分別表示燃料、蒸汽、給水、化學(xué)補(bǔ)充水和凝結(jié)水；下標(biāo)in、out分別表示該部件的進(jìn)、出口位置；下標(biāo)hh、hi和re分別表示高、中壓熱用戶和熱再熱蒸汽；上標(biāo)d表示疏水；和分別為給水泵汽輪機(jī)用汽的質(zhì)量流量和比。

表3 供熱機(jī)組及各部件的傳統(tǒng)損計(jì)算模型

表3 供熱機(jī)組及各部件的傳統(tǒng)損計(jì)算模型

部件傳統(tǒng)損計(jì)算模型供熱機(jī)ED,totmfefmmaema-(Pemhhehhmhiehi)汽輪機(jī)級(jí)ED,turmtur,i(ei,in-ei,out)-Pe,j回?zé)峒訜酔D,rehmsjesjmwj(ewj,in-ewj,out)mdwj,inedwj,inmdwj,outedwj,out凝汽ED,conmtur,outetur,outm′tur,oute′tur,outmdwedwmmaemamc,outec,out給水ED,pumpm′tur(e′tur,in-e′tur,out)mpump(epump,in-epump,out)供熱部ED,heatingmhh(el-ehh)mhi(ere-ehi)

該機(jī)組為燃煤機(jī)組，在已知煤的高位熱值的條件下，可根據(jù)GB/T 14909—2021 《能量系統(tǒng)分析技術(shù)導(dǎo)則》中規(guī)定的公式[13]計(jì)算煤的，具體為：

(5)

工質(zhì)在循環(huán)各節(jié)點(diǎn)處的熱力參數(shù)(壓力、溫度、比焓)通過(guò)汽輪機(jī)原則性熱力計(jì)算方法求解[14]，計(jì)算滿足以下假設(shè)：(1)采用IFC67蒸汽表；(2)忽略加熱器散熱損失；(3)汽輪機(jī)的機(jī)械效率ηm、電機(jī)效率ηg分別為0.990、0.985；(4)鍋爐效率ηb為0.930。

2.2 先進(jìn)分析模型

表4 各部件的實(shí)際、極限和理想工況參數(shù)

(6)

對(duì)于表3中的各部件，可逐一構(gòu)建混合過(guò)程(即部件k在實(shí)際工況下運(yùn)行，其余部件在理想工況下運(yùn)行)，計(jì)算部件k的損分布。

在評(píng)估系統(tǒng)部件的節(jié)能潛力時(shí)，因?yàn)闊o(wú)法達(dá)到理想工況，所以無(wú)法將內(nèi)源損和外源損作為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。因此，可進(jìn)一步將部件k的損分解為可避免損和不可避免損。部件k的損為：

(7)

(8)

通過(guò)構(gòu)建混合過(guò)程，計(jì)算部件k的不可避免內(nèi)源損，其余參數(shù)的計(jì)算公式為：

(9)

(10)

(11)

為直觀地評(píng)估部件的優(yōu)化潛力，定義了部件k的可避免內(nèi)源損率，其計(jì)算公式為：

(12)

式中：φk為部件k的可避免內(nèi)源損率。

3 結(jié)果與分析

3.1 傳統(tǒng)分析

選取GB/T 14909—2021中規(guī)定的環(huán)境參考態(tài)(100 kPa、298.15 K)，計(jì)算物流的熱物性參數(shù)，得到各部件的傳統(tǒng)分析結(jié)果(見(jiàn)表5)。

表5 各部件的傳統(tǒng)分析結(jié)果

表5 各部件的傳統(tǒng)分析結(jié)果

部件損/MW效率/%損率/%鍋爐333.8352.9586.85汽輪機(jī)HP18.4897.892.21汽輪機(jī)HP22.0299.150.53汽輪機(jī)IP15.4197.321.41汽輪機(jī)IP21.1199.270.29汽輪機(jī)LP12.4897.660.65汽輪機(jī)LP21.5897.850.41汽輪機(jī)LP31.0497.920.27汽輪機(jī)LP41.9494.500.50汽輪機(jī)LP53.0584.180.79換熱器H10.8995.010.23換熱器H21.6392.820.42換熱器H31.8486.290.48除氧器DH1.6893.530.44換熱器H52.0874.000.45換熱器H60.8082.910.13換熱器H70.6372.330.21換熱器H80.2984.370.05給水泵2.3592.500.64凝汽器5.842.991.52供熱部件5.8893.521.53

3.2 先進(jìn)分析

表6 各部件的先進(jìn)分析結(jié)果

表6 各部件的先進(jìn)分析結(jié)果

部ED,k/MWEEND,k/MWEEXD,k/MWEUND,k/MWEUN, END,k/MWEUN, EXD,k/MWEAVD,k/MWEAV, END,k/MWEAV,EXD,k/MWφk/%鍋爐333.83305.1928.64302.06291.5610.5031.7713.6318.144.08汽輪機(jī)HP18.487.910.574.234.100.124.253.800.4544.83汽輪機(jī)HP22.021.900.131.221.160.060.810.740.0736.43汽輪機(jī)IP15.413.751.652.832.790.052.580.971.6117.90汽輪機(jī)IP21.110.990.130.800.760.040.310.230.0920.25汽輪機(jī)LP12.482.220.261.391.350.041.090.870.2235.11汽輪機(jī)LP21.581.390.201.181.120.060.400.190.2211.83汽輪機(jī)LP31.040.900.150.740.710.030.300.190.1217.80汽輪機(jī)LP41.941.700.240.950.910.040.990.780.2140.42汽輪機(jī)LP53.052.630.421.540.890.651.511.74-0.2357.10換熱器H10.890.680.210.770.670.110.120.010.111.03換熱器H21.631.270.361.401.250.150.230.020.211.16換熱器H31.841.560.281.601.560.040.2400.240.16除氧器DH1.680.551.131.400.550.850.2800.280.01換熱器H51.711.130.581.471.130.340.250.010.240.35換熱器H60.490.260.230.390.260.130.1000.100.06換熱器H70.800.460.340.650.450.200.140.010.140.74換熱器H80.200.150.050.180.140.040.010.010.014.28給水泵2.442.290.151.211.43-0.231.240.860.3835.08凝汽器5.844.781.065.254.770.470.600.010.590.20供熱部件5.884.231.654.774.230.531.1101.110

由表6可得：

圖1 各部件損的分布情況

4 結(jié)語(yǔ)

(3) 進(jìn)行系統(tǒng)整體優(yōu)化時(shí)，部分部件效率的升高可能造成其余部件效率的下降，因此在系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮各部件的影響，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化運(yùn)行。