楊辰曜,楊志平,楊勇平,徐二樹

(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實驗室,北京 102206)

0 引 言

盡管新能源及其利用技術(shù)在不斷研究和開發(fā)中,我國電力工業(yè)在今后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)仍將以燃煤的火力發(fā)電為主?；鹆Πl(fā)電廠既是產(chǎn)能大戶,又是耗能大戶,作為其運行經(jīng)濟(jì)性考核工具的熱力系統(tǒng)分析計算方法研究,具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義,對于節(jié)能工作有指導(dǎo)意義。

1 600 MW的亞臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)簡介

600 MW亞臨界機(jī)組汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的亞臨界、中間再熱、單軸三缸四排氣、沖動凝汽式汽輪機(jī),機(jī)組型號為N600-16.67/538/538。機(jī)組共有8段非調(diào)整抽汽,分別供給3臺高壓加熱器,1臺除氧器和4臺低壓加熱器,各級加熱器疏水逐級自流。該機(jī)組的熱力系統(tǒng)圖如圖1所示。將整個系統(tǒng)劃分為23個單元 (A～W),它們之間由51股流連接。

圖1 某600 MW亞臨界機(jī)組熱力系統(tǒng)圖Fig.1 Thermal system of 600 MW subcritical coal-fired power plant

2 采用矩陣方法的單耗分析

產(chǎn)品的單耗由兩部分組成:理論最低單耗和附加單耗。理論最低單耗是指在可逆情況下,在沒有附加單耗的理想系統(tǒng)中,單位產(chǎn)品在理論上所必須消耗的最低燃料量。其本質(zhì)上是單位產(chǎn)品所蘊涵的值與單位燃料所蘊涵值的比值。設(shè)F為投入系統(tǒng)的燃料總值,P為產(chǎn)品的總值,在沒有任何附加損失的理想系統(tǒng)中 P=F,理論最低單耗bmin可表示為

式中:ep,ef分別為單位產(chǎn)品和單位燃料所含值。對于火電廠的主要燃料為煤。對于標(biāo)準(zhǔn)煤其單位燃料的化學(xué)一般可近似假設(shè)燃料就等于其低位發(fā)熱量,即ef=29 271.2 kJ/kg,單位電能的值為ep=3 600 kJ/kW?h,則對于燃煤機(jī)組理論最低單耗為3 600×1 000/29 271.2=123(g/kW?h)。

式中:(I+R)I為設(shè)備I的耗損,在能量系統(tǒng)中,作為各個設(shè)備的過程 “推動力”和代價被消耗和散失的稱為耗損。(Ac)I-為存儲于設(shè)備I中的值。因此設(shè)備的附加單耗可表示為

產(chǎn)品的單耗為產(chǎn)品理論最低單耗與系統(tǒng)總的附加單耗之和,而系統(tǒng)總的附加單耗又為各設(shè)備的附加單耗之和,即

對于如圖1的復(fù)雜系統(tǒng),可以利用各個設(shè)備的黑箱模型分別進(jìn)行計算求解附加單耗。也可以采取矩陣方法一次性求解各設(shè)備的附加損[8]。把系統(tǒng)中的所有設(shè)備和流分別編號,構(gòu)造設(shè)備與流的 “關(guān)聯(lián)矩陣”A,該矩陣以設(shè)備序號 I為行,以流的序號J為列,矩陣元素aIJ為0,表示該行的設(shè)備與該列的流沒有直接聯(lián)系,元素為+1和-1分別表示該列的流流入和流出該行設(shè)備。設(shè)每個流的組成一個 m維向量E,每個設(shè)備D損量組成一個n維損向量:

設(shè)全系統(tǒng)各個設(shè)備的附加單耗組成一個n維向量b:

b和E不僅依系統(tǒng)不同而異,而且是時間的函數(shù),記為b(τ)和E(τ)。各設(shè)備的附加單耗可通過以下的矩陣式求取:

3 計算結(jié)果和分析

根據(jù)圖1所示熱力系統(tǒng)圖,我們可以獲得設(shè)備與流的聯(lián)系矩陣A(23行,51列)。

然后,根據(jù)公式 (8)可以方便地求解出600 MW亞臨界機(jī)組設(shè)計工況下不同負(fù)荷的設(shè)備附加單耗的時空分布,如表1。其中,環(huán)境的基準(zhǔn)態(tài)溫度和壓力分別為20℃,0.1 MPa,基準(zhǔn)物為基準(zhǔn)溫度下的飽和水。

表1 600 MW亞臨界機(jī)組設(shè)計工況下不同負(fù)荷設(shè)備附加單耗Tab.1 Irreversible additional costs of diferent equipment on design working condition g?kW-1?h

在此基礎(chǔ)之上,可以計算出該機(jī)組單耗量。然后將其與傳統(tǒng)的熱量法計算的煤耗比較,如表2。

表2 600 MW亞臨界機(jī)組設(shè)計工況下不同負(fù)荷單耗和熱量法計算的煤耗比較Tab.2 Comparison between unit consumption and coal consumption calc

如表1所示,在熱力系統(tǒng)各設(shè)備中,鍋爐、汽輪機(jī)低壓缸、凝汽器的附加單耗較大,而各加熱器和抽氣管道的附加單耗較小。鍋爐熱效率是93%,盡管很高,但其附加單耗最大,說明不可逆損失最大。但在不改變循環(huán)方式的前提下,進(jìn)一步減少鍋爐損失的潛力并不大。凝汽器盡管熱損失很大,但由于汽輪機(jī)低壓缸排汽品位低,所以其附加單耗比鍋爐小。汽輪機(jī)低壓缸由于濕汽損失和余速損失較大,所以其不可逆損失較大,附加單耗較大。在各級加熱器中,3號高壓加熱器附加單耗最大,除氧器附加單耗和2號加熱器附加單耗次之。對于3號高壓加熱器,它的抽汽是再熱后第一段抽汽,抽汽溫度是所有加熱器中最高的,其汽水兩側(cè)溫差也是高加組中最大的,且抽汽壓力低、比容較大,在加熱器中流動速度較快,其傳熱和流動因素造成的擁損失都很大。對于除氧器,由于多股流在此混合,加之有軸封漏汽匯入,流動阻力和流參數(shù)差別較大,所以不可逆損失較大。2號加熱器也有2股軸封漏汽匯入,造成不可逆損失增大。表1還顯示出機(jī)組設(shè)備附加單耗隨著負(fù)荷變化而變化。如表2所示,與傳統(tǒng)熱量法計算出的煤耗相比,單耗分析理論給出的單耗相差很小。其中,100%負(fù)荷下傳統(tǒng)熱量法計算出的煤耗高出單耗0.36 g/kW?h。其他負(fù)荷下,單耗低于熱量法計算出的煤耗,30%負(fù)荷下差值最低,達(dá)到2.28 g/kW?h。并且,隨著負(fù)荷的降低,熱量法計算出的煤耗和單耗相差增加。

利用該600MW亞臨界機(jī)組2008年7月的實際運行數(shù)據(jù)的平均值,對其進(jìn)行實際工況下的單耗分析。通過與設(shè)計工況下的單耗分析對比,以指出實際情況下機(jī)組節(jié)能潛力所在。表3列出了100%和75%負(fù)荷下實際工況和設(shè)計工況的設(shè)備附加單耗對比。

表3 600 MW亞臨界機(jī)組設(shè)計工況和實際工況不同負(fù)荷下設(shè)備單耗比較Tab.3 Irreversible additional costs of different equipmenton actual working condintion g?kW-1?h

如表3所示,實際工況下設(shè)備附加單耗大于設(shè)計工況附加單耗,其差值正是實際運行過程中的節(jié)能潛力所在。

其中,鍋爐的100%負(fù)荷和75%負(fù)荷兩種情況下,實際工況下鍋爐單耗比設(shè)計工況增加最大,分別是21.466 g和25.33 g。主要原因是實際工況下考慮了過熱減溫水、再熱減溫水對單耗的影響,加之煤種的變化和運行中偏離了設(shè)計值,損增加,附加單耗隨之增加。汽輪機(jī)低壓缸附加單耗增加較大,這是因為實際運行中軸封漏氣量增加,漏汽損失增加,加之排汽壓力增加,所以不可逆損失增大,附加單耗隨之增加。各加熱器的附加單耗增加是因為抽氣過熱度增加,加熱器端差增加,不可逆損失隨之增加。特別指出的是,實際工況下3號高壓加熱器的附加單耗小于實際工況附加單耗。這是因為實際運行過程中,投入過熱減溫水后,3號高壓加熱器水側(cè)受到影響,給水吸熱量增加較大,使附加單耗減小。

4 結(jié) 論

本文通過對600 MW亞臨界機(jī)組系統(tǒng)變工況的單耗分析,可以得到如下結(jié)論。

單耗分析不僅給出系統(tǒng)總的單耗 (能耗)指標(biāo),還能給出系統(tǒng)單耗在各設(shè)備間的分配情況,定量地指出節(jié)能潛力。應(yīng)用矩陣的方法求取的設(shè)備附加單耗時空分布,指出設(shè)備的附加單耗不僅因設(shè)備而異,同時還隨工況不同而變化。另外,應(yīng)用矩陣的方法避免了對每個設(shè)備求解數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜過程。

當(dāng)機(jī)組運行工況偏離設(shè)計工況后,單耗明顯增加。通過對比設(shè)計工況和實際工況下各個設(shè)備的附加單耗,可以進(jìn)一步明確各個設(shè)備在實際運行過程中的節(jié)能部位和節(jié)能潛力。

[1]宋之平,王加璇.節(jié)能原理[M].北京:水力電力出版社,1985.

[2]馬建坤.30萬凝汽汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)變工況分析[D].保定:華北電力大學(xué),2007.

[3]I.Dincer,H.Al-Muslim.Thermodynamic analysis of reheat cycle steam power plant.International Journal of Energy Research 25(2001)727-773.

[4]宋之平.單耗分析的理論和實施[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,1992,12(4):21-27.

[5]宋之平.單耗分析中經(jīng)濟(jì)因素的處理[J].熱能動力工程,1995,(2):58-61.

[6]尚玉琴,曹智,宋之平.單耗分析理論在鄭州熱電廠200MW供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].熱力發(fā)電,2001(1):15-19.

[7]宋之平,李洪濤.單耗分析案例[J].工程熱物理學(xué)報,1996,17(4):20-23.

[8]楊勇平,郭民臣,劉文毅.能量系統(tǒng)故障診斷的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型[J].工程熱物理學(xué)報,2001,22(1):19-23.