超临界600MW火电机组热力系统的单耗分析.pdf

第 4 0卷第 4期 2 0 1 3年 7月 华 北 电 力 大 学 学 报 J o u rn a l o f N o ah Ch i n a E l e c t r i c P o w e r U n i v e r s i t y Vo 1 ． 4O． No ． 4 J u 1 ．，2 01 3 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． I S S N ． 1 0 0 7 2 6 9 1 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 1 5 超 临界 6 0 0 MW 火 电机 组热力 系统 的单耗分析 史永胜 ，王 霎海 ，王酒顺 ，王忠平 1 ．嘉峪关宏晟 电热有 限责任 公司 ，甘肃 嘉 峪关 7 3 5 1 0 0 ； 2 ．中国石油玉 门油 田水 电厂 ，甘肃 酒泉 7 3 5 2 0 0 ； 3 ．华北 电力 大学 能源动力与机械工程学院 ，河北 保 定 0 7 1 0 0 3 摘 要 在我 国约有 8 O％的 电量 来 自于火力发电 ，因此准确 而有效的节 能理论对 火电机组 节能减排 工作 具有 重要意义。提 出了火电机组 热力 系统单耗 分析数学模 型 ，应用该模 型以某超 临界 N 6 0 0 - 2 4 ． 2 ／ 5 6 6 ／ 5 6 6机组为 例进行 热力 系统单耗分析计算 ，得 出了各 主要设备 附加 单耗空间分布情况 。计算结果表 明该机 组 实际单耗 为 b3 6 0 ． 2 4 g ／ k w 。h 燃 煤 低 位 热 值 g 2 2 4 4 6 k J ／ k g ；整 个 回 热 系统 总 的 附 加 单 耗 为 b 3 ． 6 9 5 2 g ／ k w。 h ， 其中高压加热器的能损普遍 高于低 压加 热 器，除氧器 的附加单耗 最 大；锅 炉、管道 、汽轮 机 的附加单耗分别为1 7 6 ． 9 6 g ／ k w h ， 2 ． 7 2 g ／ k w h ， 2 1 ． 4 6 g ／ k w h ， 其 中锅炉 的 附加 单耗 最大 ， 具 有较 大的 节能 潜 力 。 关键词 火电机组 ；热力 系统 ； 单耗分析 ；节能 降耗 中图分类号 - T K 1 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7 2 6 9 1 f 2 0 1 3 0 4～ 0 0 8 5 0 5 S p e c i fic p t i o n a na l y s i s f o r t he r ma l p o we r p e c i t i c c o n s u m p t i o n a na l y s i s I o r t he r ma l D O we r s v s t e m o f a 6 0 0 M W s up e r c r i t i c a l p o we r un i t SHI Yo ng s h e n g， W ANG Yu n- h a i ，W ANG J i u s h u n，W ANG Zh o n g ． p i n g 1 ． J i a y u g u a n H o n g s h e n g e l e c t r o t h e r ma l l i mi t e d l i a b i l i t y c o m p a n y ， J i a y u g u a n 7 3 5 1 0 0 ，C h i n a ； 2 CN P C Yu me n w a t e r c o n s e r v a n c y p o we r p l a n t ， J i u q u a n 7 3 5 2 0 0，C h i n a ；3 ．S c ho o l o f En e r g y Po we r a n d Me c h a ni c a l En g i n e e r i ng，No r t h Ch i n a El e c t r i c Po we r Un i v e r s i t y ，B a o d i n g 0 7 1 0 0 3 ， C h i n a Abs t r a c t Ab o u t 8 0 p e r c e n t o f Chi n e s e po we r c o me s f r o m t h e r ma l po we r ， S O a n a c c u r a t e a n d e f f e c t i v e e n e r g y ． s a v i n g t h e o r y i s me a n i n g f ul f o r e n e r g y c o ns e r v a t i o n．The ma t he ma t i c a l mo d e l for s p e c i f i c c o ns ump t i o n a n a l y s i s o f t he 肋 a 1 D 0 w ． e r s y s t e r m wa s p r e s e nt e d。 S pe c i f i c c o n s u mpt i o n a n a l y s i s o f t h e ma i n c o mp o ne n t s o f a N6 0 0- 2 4 ．2 ／5 6 6／ 56 6 P o we r u ni t we r e c a l c u l a t e d Th e r e s ul t s i n di c a t e t h a t t h e t o t a l s pe c i f i c c o ns ump t i o n o f t hi s u ni t i s 3 60 ．2 4 g ／ k w h q “ 2 2 4 4 6 k J ／ k g ． T h e t o t a l s p e c i f i c c o n s u m p t i o n o f r e g e n e r a t i v e s y s t e m i s 3 ． 6 9 5 2 g ／ k w h ，a n d t h e e n e r g y 1 o 8 s o f h i g h p r e s s ur e h e a t e r s a r e h i g h e r t ha n t ho s e o f l o w pr e s s ur e he a t e r s ．The de a e r a t o r ha s t he l a r ge s t s pe c i f i c c o ns u mp t i o n i n t h e r e g e ne r a t i v e s y s t e m． T he s pe c i f i c c o n s ump t i o n o f t he b o i l e r ，pi p e l i ne ， a n d t u r bi ne a r e 1 7 6． 9 6 g ／k w． h ，2． 72 g ／k w． h． a n d 21 ． 46 s ／kw‘ h．8 0 t h e bo i l e r h a s a l a r g e e n e r g y s a v i n g p o t e n t i a 1 ． Ke y wo r ds p o we r u n i t ；t he r ma l po we r ；s p e c i f i c c o ns ump t i o n a n a l y s i s；e n e r g y s a v i n g 0 引 言 目前 ， 在我 国仍 以燃煤火 力发 电为主 的背 景 收稿 日期 2 0 1 21 1 0 8 下 ， 火 电厂 既是 产 能 大 户 ， 又 是 耗 能 大 户 。 因 此 。 对火电厂进行热力系统分析计算具有十分重要 的 意义 。电厂热力系统分析方法主要有热量法和 焖方法 ， 基于热力学第一定 律的热量法从能量数 量的角度出发分析热力系统的热经济性 。该方法 原理简单易理解 ， 同时辅 以等效焓降法和循环 函 8 6 华 北 电 力 大 学 学 报 数法等一些简捷计算 方法， 使得定量计算变得更 加容易 。但是 ， 这种传统的热平衡方法没有考 虑能 量 的质量 ， 不 能揭示 能 量 损失 的本 质 原 因 ， 而 基 于热力 学第二 定 律 的I朋分 析 法 综合 考 虑 了能量 的 “ 量 ” 和 “ 质 ”， 是 先 进 的能 量 系统 分 析 方 法 ， 但 同时 也有 炯值 不 统 一 性 、 ．堋 效 率 多 义 性 等 不 足 之 处 。单耗 分析理 论是 在 煳 和 煳经 济学 的基 础 上提 出的， 不但保留了炯分析法的优点 ， 削弱 了其不确 定性 ， 而且 直 观 、 易 理 解 ， 它 可 以直 接 与 成 本 和 技 术水 平联 系起来 。 为了降低热力系统在生产过程 中的能耗 ， 就 需要 了解 附加单 耗在 各 个生 产 环 节 中 的空 间分 布 情况 ， 以及 在 不 同 时刻 的 动 态 变 化 。本 文 以单 耗 分析 理论 为 基 础 ， 对 超 临界 6 0 0 MW 火 电 机 组 构 建数学模型进行单耗分析 ， 以期为节能降耗提供 理论 依据 。 1 单耗 分析理论 由华 北 电力大 学宋 之平 教 授 提 出 的单 耗 分析 理论 是 在煳 和炯经 济学 的基 础 上所 设 计 的 能量 系统分析理论和方法 ， 它用产品 的单耗来表 明生 产过程能耗的高低 ， 用运行设备 的附加单耗来表 明其能损的大小， 可望对节能降耗起到较大 的促 进作 用 。在单 耗 理论 中 ， “ 系统 ” 意 指 被 分 析 的 能 量 系统 总体 ， 子 系统 称 为 “ 设 备 ” 。系 统 总体 最初 投入的燃料和／ 或原材料我们统称为“ 燃料 ” ， 系统 总体最终产出的有用部分称为“ 产品” ， 其余部分 则被“ 废弃” 。 产品的单耗 由两部分组成 理论最低单耗 和 附加 单耗 ； 理 论 最 低 单 耗 本 质 上 就 是 单 位 产 品所 蕴涵的I朋值与单位燃 原 料所 蕴涵 焖值 的比值。 在 没有 任何 附 加 损 失 的 理 想 系 统 中 ， 理论 最 低 单 耗 为 b i F i e F ／ P i e P e p ／ e ， 1 式中 e ， e 分别为单位产 品和单位燃料 或原材 料 的媚； P， F分别为产 品的总煳值和投入系统的 燃 原 料的总炯值 。 实际单耗与理论最低单耗之差称为 “ 产品的 附加单耗” ， 它等于系统 中诸“ 设备 的附加单耗” 的 总和 。因此 b b m in Ab b ，b ， 2 式 中 b m i． 为理论 最 低 单 耗 ； ∑， b ， 为 各 设 备 附加 单 耗之 和 。 而设 备 ，的附加 单耗 定义 为 b ，[ e P ／ e ， ／ P] ，十 A C ， 3 式 中 ，R A C为设 备 ，的煳损 耗 。 设备 ， 的 附加单 耗 b ， 是 该设 备 不 可逆 损 失 的 量度 ， 通过 比较 可 用 来 确 定 设 备 的 完 善 性 。 附 加 单耗 b ， 因设 备 而 异 ， 对 于 同 一设 备 又 因该 设 备 的 结构 和运行 状 态而 异 。设 系统 中有 n个 设 备 m 个 流 ， 设 备 的附加 单耗 组成 一 个 r t 维 的 向量 ， 每 个 流 的焖 组成 一个 m维 的向量 。定 义 6 下 { b ， b ， ⋯ ， b } 4 E { E ， E ， ⋯ ， E } 5 式 中 T为转 置 符 号 。根 据 公 式 3 ， 设 备 的 附 加 单 耗 为 b [ e ／ e ／ P ] AE r 6 式 中 A为设备 ， 与流 ． ， 的联 系矩 阵 。其元 素 a ， ， 或 为 0 若 ， 与 ． ， 无联系 ， 或为 1 若 ．， 流入 ， ， 或 为 一1 若 ．， 流 出 ， 。上式 中的 是通 过 对 运 行 中的 系统 持续 地 检 测 而 得 到 的 ， 为 了 利 用 易 测 的少量参数确定 其余参数 ， 常使用 不同流间的质 量和能量关系和每个设备的能量守恒和质量守恒 关系AM 0和AH 0加以关联 ， 其中， 和 分 别 为 J ， l 维 的质 量流 和能量 流 向量 。 2 机组热力系统单耗 分析数 学模 型 进行模 型 分析计 算 时 ， 以 国产 某 超 临界 N 6 0 0 2 4 ． 2 ／ 5 6 6 ／ 5 6 6机 组 为例 。该 机组 的汽 轮 机 为 三缸 四排汽 ， 共有 8段抽汽 ， 分别供给 3台高加 、 1台除 氧器 、 4台低 加 ， 各级 加热器 采 用疏水 逐 级 自流 ， 其 热力 系统 如 图 1 所 示 。 2 ． 1 锅 炉 的 附加单 耗 根据附加单耗 的定义， 首先对锅炉进行堋损 分 析 ， 取如 图 2控 制 体 列 媚 平 衡 方 程 式 计 算 锅 炉 侧 戈 田 损 耗 ， 即 ， 6B e I一[ D 6 e 6一e D e 0r 1 1‘ 一e in ] 7 式 中 e r 为煤 的化 学 比煳 ； D 为锅 炉 过 热器 蒸 汽 流 量 ； e 为过 热 器 出 口蒸 汽 比煳 ； e m 为锅 炉 给水 比．媚 ； D 为再热 蒸 汽量 ； e ‘ 为再 热器 出 口比I媚 ； e 1为再 热器人 口 比．炯 。 根据参 考文献 ， 煤 的化 学炯 可 以依据 式 第 4期 史永胜 ， 等 超 临界 6 0 0 Mw 火 电机组热力 系统 的单耗 分析 8 7 图 1 N6 0 0 ． 2 4 ． 2 ／ 5 6 6 ／ 5 6 6机 组 热 力 系统 简 图 F i g ．1 S c he ma t i c di a g r a m o f t he r ma l p o we r s y s t e m o f N6 0 0- 2 4． 2 ／5 66 ／ 56 6 图 2 锅 炉侧 炯 流 简 图 Fi g ． 2 Sc he ma t i c d i a gr a m o f a bo i l e r 8 进 行估 算 小 0 0 6 4 0 _ l 5 1 9 0 ． 0 6 1 6 0 ． 0 4 2 9 ㈩ 式 中 q 为煤 的低位热值 ； H为燃煤 中氢的 质 量 ；W 0为 氧 的 质 量 ； N为 氮 的 质 量 ； W C 为碳 的质量 。 则 ， 根据公式 3 可得锅炉侧的附加单耗计算 式 ， 即 怒 9 2 ． 2管 道 的附加 单 耗 管道炯损失按锅炉热负荷的炯与供 给汽轮机 的蒸 汽炯 之差 表示 ， 即 1 1 ,[ D 6 e 6 一e D e O U ‘ 一e 1 11 ]一 [ D 0 e 0一e D e ， 一e 1 ] 1 0 式 中 为 主蒸 汽流 量 ； e 。 为主蒸 汽 比媚 ； e ， 为再 热 后 中联 门前 蒸 汽 比炯 ； e ，为再 热 前 高 压 缸 排 汽 比 炯 。 则 ， 可得 由于管道焖损引起的 附加单耗计算 式 ， 即 怒 ⋯ 2 ． 3汽 轮 机的 附加 单耗 汽轮机通过消耗蒸 汽炯来对 外做功， 这一过 程的焖损失包含其 内部损 失、 轴封漏气 、 小汽机、 各级加热器和凝汽器等设备 的炯损 ， 其计算式如 1 2 ， [ D 0 e 0一e D e 一e 1 ]一 1 2 式中 为汽轮机做功值。 则 ， 根据 公式 3可 得 汽轮机 侧 的附加 单耗 ， 即 珐 13 2 ． 4 回热加 热器 的 附加单 耗 火 电 机 组 给水 回热 系 统 对 机 组 的 经 济 性 以 及安全运 行 至关 重要 ， 因此 十分 有必 要 知道 各 级加热器 的热力 过程完善程 度。为 了减少计 算 量 ， 对 回热 系 统 进行 单耗 分 析 时 采用 公 式 6 所述 的矩 阵算 法 ， 其 各设 备与 煳 流 的编号 如 图 3所 示 。 根据图 3中各设备连接关 系， 按照所介绍 的 联系矩阵构造规则得到该 回热系统各设备与流的 联 系矩 阵见 图 4 。 8 8 华 北 电 力 大 学 学 报 联 系 矩 阵 A 一 1 l 0 0 0 1 1 0 O 0 1 1 O O 0 1 0 0 O O 0 0 O O 0 0 O 0 O O O O 图 3 6 0 0 MW 超 临界 机 组 回 热 系统 简 图 Fi g ． 3 S c he ma t i c d i a g r a m o f r e g e n e r a t i v e s y s t e m 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 l 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 l 一1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 O O 图 4设 备 与 流 的联 系矩 阵 F i g ． 4 The c o n t a c t ma t r i x o f e q ui pme n t s a nd flo ws 根 据 炯流 的计 算 公 式 ， 计 算 各 股 焖流 。采 用 公式 6 与矩阵相关算法可 以求得 回热系统每个 设备 的煳损及附加单耗。 2 ． 5凝 汽器 的 附加单耗 凝 汽器 的 炯 损 失 为 排 汽 冷 凝 过 程 释 放 出 的 炯 ， 为 ， D e 一e D e 一e 1 4 式 中 D 。 和 e c 分别为 凝 汽 量 和其 比煳 ； D 和 e 分 别 为小 汽机 的凝 汽 量和其 比炯 ； e 为凝 结水 比煳 。 3 算例分析 应 用 以上 提 出的单 耗 计 算模 型 和 选用 的 国产 某 超 临界 N 6 0 0 --2 4 ． 2 ／ 5 6 6 ／ 5 6 6机 组 ， 在 额 定 工 况 下对该热力系统进行单耗分析。其锅炉效率为 9 4 ％ ， 全 厂热效 率 为 4 4 ． 5 6％ ， 对该 火 电机组 的燃 煤 进行煤质分析 ， 结果如表 1所示 。其低位发热量 q 2 2 4 4 6 k J ／ k g ， 根据公式 8 计算得到燃料 的 化学炯 e 2 2 9 6 7 k J ／ k g 。依据单耗理论 的定义 ， 单位电能 的炯 值为 e 3 6 0 0 k J ／ k W h ， 则该 6 0 0 MW 超 临界 火 电机组 的理论 最低单 耗 应 为 b e p 1 5 6 ． 7 5 g ／ k W． h 。2 2 9 6 7 e F 表 1 煤质分 析结 果 Ta b ．1 Re s u hs o f t h e c o a l - qu a l i t y a na l y s i s ％ 设备 的 附加单 耗 实 际上 是 由于 机组 在 运 行 过 程 中煳损 所 引起 的，它 能直 接 与 电厂 煤 耗 联 系起 来 ，从而直观的表述 了机组煤耗在各设备间的分 布情况。根据热力系统图 1以及附加单耗的定义， 进行实例分析计算，其结果如表 2 、表 3所示。 表 2 回热 系统各设备附加单耗分析结 果 Ta b ．2 Th e s pe c i f i c c o n s u mp t i o n di s t r i b ut i o n o f e a c h de v i c e i n r e g e n e r a t i v e s y s t e m 0 0 O O O O O 1 O 0 O 0 0 0 1 O 0 0 O O 0 1 0 O 0 0 0 O l 0 0 O O O 0 1 O 0 0 O 0 0 0 1 0 O O O O O l 0 0 O O O l 0 O O O l ～ O O 1 0 0 O 1 0 0 O 第 4期 史永胜 ， 等 超 临界 6 0 0 MW 火 电机组 热力 系统的单耗分析 8 9 表 3全 厂 附 加 单 耗 分 析 结 果 Ta b ．3 Ca l c ul a t i n g r e s ul t s o f t h e p o we r u n i t 注 1 包括 了回热 系统 和凝 汽器 的煳损失 。 2 为机械损失 和发 电机损失。 通过表 2的计算结果分析可知 ，高加的I朋效 率比低加 的大 ，且 随着抽 汽压力 的降低 而降低。 对于回热系统而言 ，从理论上分析 3号高压加热 器应 是最 为 薄弱 部位 ，这是 由于 3号 高压 加 热 器 使用 的是蒸汽再热后 的第 1 段抽 汽，其抽汽温度 最 高 ，使 得 加热 器 内部 汽 水 两侧 温差 较 大 ，不 可 逆损失增大所致 。但是 ，计算结果显示 附加单 耗最大设备却是除氧器 ，这是 因为 3号高加设计 时 的给水 比焓升 只有 1 1 0 ． 6 k J ／ k g ，这样 就大 大减 少了该级加热器的换热量 ，从而 降低 了其 附加单 耗 。除氧 器 采用 的是 混 合 式加 热 器 ，有 多股 流 在 此混合 ，流动阻力和炯流参数差别很大 ，所 以不 可逆 损失 也 就相对 较 大 。对 于 低 加 侧其 烟效 率 虽 然并不高 ，但是它充分利用 了低 品位热能且换热 温差相对较小 ，所 以附加单耗也就较低 ，这 同时 说明了回收利用电厂低位热能对于节能降耗具有 重要 意义 。 由表 3可 知 ，锅 炉 侧 的 附 加 单 耗 占 到 了 8 0 ％ 以上 ，这 主要是 由于燃 烧 与 传 热 过 程 的不 可 逆 造成 的 ，同 时也说 明改 变 能量 的利 用方 式 可 以最 大限度 的达 到节能 降 耗 的 目的。 依据 单 耗 理 论 的 定 义 ，该 机组 的实 际单 耗 即煤耗 为 bb i Ab1 56 ． 7 5 2 0 3． 4 93 6 0 ． 2 4 g ／k w h。 该 煤 耗值 比较 高是 因为 所 用 燃料 特 性 不 同所 致 ，文 中算例机组所用煤 的低位发热量低于标煤 低热值 ，因此煤耗也就偏大 。 5 结 论 本文构建了火电机组热力系统单耗分析数学 模型，应用其对某超临界 6 0 0 MW 机组进行单耗 分析计算 ，得到如下结论 1 该机组 的实际单耗 即煤耗 为 b 3 6 0 ． 2 4 g ／ k w h ， 其值与传统热力计算结果一致。 2回 热 系 统 总 的 附 加 单 耗 为 3 ． 6 9 5 2 g ／ k w h ， 各设备总能耗 占总体 比例不大， 因此节能 潜力有限。高压加热器 的附加单耗高于低压加热 器， 在本例 中除氧器是回热系统能损最大部位。 3 锅 炉、 管道 、 汽轮 机 的附 加单 耗 分别 为 1 7 6 ． 9 6 g ／ k w h 、 2 ． 7 2 g ／ k w h 、 2 1 ． 4 6 g ／ k w h ， 其 中 锅炉 能耗 最 大 ， 因此 在 无 法 改 变 能量 释 放 方 式 的 前提 下 ， 提 高 机 组 参 数 和 容 量 可 以有 效 减 少 锅 炉 侧 的能损 。 参考文献 [1]张超 ，刘黎 明 ，陈胜 ，等．基 于热经 济学结 构理论 的热力 系 统 性 能 评 价[ J ] ． 中 国 电机 工 程 学 报 ， 2 0 0 3，2 3 6 1 8 51 8 9 ． [2]闫水保 ，王庆丽 ，张晓东．循环 函数法 、矩 阵法 与 等效焓 降法 之 间的联 系 [ J ] ． 汽轮 机技 术 ，2 0 0 9 ， 5 1 42 4 92 5 1 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