大型燃煤蒸汽动力发电机组热力系统内能耗作用的计算与应用分析.pdf

第 32 卷 第 29 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.32 No.29 Oct.15, 2012 2012 年 10 月 15 日 Proceedings of the CSEE 2012 Chin.Soc.for Elec.Eng. 9 文章编号0258-8013 2012 29-0009-06 中图分类号TK 018 文献标志码A 学科分类号47020 大型燃煤蒸汽动力发电机组 热力系统内能耗作用的计算与应用分析 王利刚，吴令男，徐钢，董长青，杨勇平 华北电力大学，北京市 昌平区 102206 Calculation and Analysis of Energy Consumption Interactions in Thermal Systems of Large-scale Coal-fired Steam Power Generation Units WANG Ligang, WU Lingnan, XU Gang, DONG Changqing, YANG Yongping North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China ABSTRACT Fuel specific consumption theory was further developed with the proposal of a new approach to quantitatively calculate the auxiliary fuel specific consumptions within each device due to the imperfections of device structure and system topology design. Deep discussion on the interaction of rgy consumption was conducted by splitting it into three distinct sorts, the interactions among devices, the interaction between device and system and the reduction effects of some given device, to reveal various reasons for extra fuel consumption or lower energy conversion efficiency. s for the improvement of effective system design and strategies for the enhancement of the operation conditions and maintenance of the existing energy systems were brought about not from conventional but much novel perspectives. This advanced fuel specific consumption theory was then applied to a large-scale coal-fired supercritical power generation unit with the detailed calculation and comprehensive uation of the mentioned three sorts of energy consumption interactions, and provision of some beneficial retrofit suggestions for lowering the specific fuel consumption. The results show that this theory can provide guidelines for system design improvement, maintenance and retrofit, operation optimization from different aspects and various levels, and it has great potential to provide the effective cost-and-efficiency solutions for different energy conversion systems. 基金项目国家杰出青年科学基金51025624；国家重点基础研究 发 展 计 划 项 目 973 计 划 2009CB219801 ； 国 家 自 然 科 学 基 金 51006034。 National Science Fund for Distinguished Young Scholars 51025624; The National Basic Research Program 973 Program 2009CB219801; National Natural Science Foundation of China51006034. KEY WORDS power generation unit; thermal systems; fuel specific consumption analysis; interaction of energy consumption; optimization strategy 摘要 该文进一步发展单耗分析理论， 改进了设备结构因素 与系统拓扑因素附加单耗的定量计算方法， 深入阐述能量系 统内的能耗作用关系， 剖析系统能耗产生的不同原因， 从新 的角度提出热力系统的优化设计方法与运行优化策略。 对大 型燃煤蒸汽动力发电机组进行了单耗分析， 计算并分析了系 统内不同类型的能耗作用，对系统节能改造提供新的建议。 结果表明， 理论能够从不同角度、 不同层面对能量系统的设 计改进、维护改造与运行优化提供有益指导。 关键词发电机组；热力系统；单耗分析；能耗作用；优化 策略 0 引言 附加单耗可以反映设备的能耗水平，用以定位 系统高能耗主要设备与关键过程，但这并不足以有 效指导系统的改进[1]；而将设备能耗进一步划分为 结构因素与系统拓扑因素附加单耗，可以从另一个 角度诠释能耗产生的原因，使系统设计或改造更加 有的放矢。 设备自身结构因素与系统拓扑附加单耗可以 基于依变特性[1]定量计算出来，但是这种方法只 能反映出设备 K 与系统中其他所有设备的能耗作 用的依变关系，而不能透析系统内部任两个设备的 能耗作用程度。若系统设备很多，则需要拟合大量 曲线，这使结果出现一定偏差。另外，设备 K 的系 统拓扑因素附加单耗中耦合项的大小决定了全局 优化的重要程度，然而它无法由依变特性得到。 因此，需改进设备间能耗作用的定量计算方法。 10 中 国 电 机 工 程 学 报 第 32 卷 设备结构参数或热工参数的变化都会引起设 备附加单耗的变化而影响系统总体能耗。这种设备 与系统间的能耗作用关系被定义为设备单耗的敏 度[2]。但由于设备附加单耗与系统单耗并不是线性 关系，这使得同一设备在不同能耗变化区间会出现 不同的敏度值，不利于衡量设备与系统能耗的相互 作用程度。 另外， 降耗设备的降耗效应[2-4]能够反映设备存 在与否对系统总体单耗的影响大小。降耗效应大小 能够反映出该设备重要性，当降耗设备的降耗效应 小于 0 时，那么该设备的存在对于系统性能的提高 没有贡献，这时需要对系统设计进行改进。因此， 降耗效应可以评估系统设计的有效性。 本文进一步发展了单耗分析理论，改进了计算 设备结构因素与系统拓扑因素附加单耗的计算方 法，将能耗作用关系阐述为设备间、设备与系统的 相互作用以及降耗设备的降耗效应，并对其进行了 深入剖析。对大型燃煤发电系统进行改进单耗分 析，定量计算各个设备结构因素与系统拓扑因素附 加单耗包括线性项和耦合项、系统能耗收益及降 耗设备的降耗效应，全面评估系统内能耗作用，对 机组设计改进和运行优化提出合理建议。该理论从 设备和系统两个角度阐释了系统内的能耗作用关 系，为探索全局系统节能降耗策略打下基础。 1 单耗分析理论及其改进 1.1 已有的理论改进 单耗理论的一般表达式[2,3,5-7]为 minaux,I bbb 1 式中bmin为生产该产品的理论最低燃料单耗，即 在无任何㶲损时的产品燃料单耗；baux,I为系统设备 I 损耗引起的附加燃料单耗。 对设备附加单耗进行划分， 则设备 K 附加单耗 可以表述为 strsys aux,aux,aux,KKK bbb 2 式中 str aux,K b为设备 K 的自身结构因素附加单耗， 而 sys aux,K b为其系统拓扑因素附加单耗[1]。 已经假设并证明，设备系统拓扑因素附加单耗 是系统中任一设备 I 的能耗对设备 K 能耗作用量的 函数，包括线性作用项和耦合作用项[1] sys aux,aux,aux,aux, KIKIKIK I bf bbb    3 式中线性项中 baux,IK反映设备 I 与设备 K 的能 耗的直接作用程度， 而耦合项则揭示了因系统拓 扑结构所导致的 baux,IK的耦合作用。 1.2 能耗作用关系 1.2.1 设备间能耗作用 系统内能耗作用关系对研究新系统拓扑设计、 已有系统的节能改造有着巨大指导意义。系统内能 耗作用关系包含设备间能耗作用，设备与系统能 耗作用以及降耗设备的降耗效应。设备间能耗作用 可以准确定位与高能耗设备密切相关的其他设备， 从而提出以设备群为单位的优化节能改造策略。设 备与系统能耗作用可以反映设备运行优劣对系统 总体能耗的影响，以形成以高系统能耗收益设备优 先的节能策略。降耗效应可以衡量降耗设备对整体 节能降耗的重要性，对降耗设备网络的综合优化意 义重大。 不同设备因直接或间接物流连接发生相互作 用，设备 I 热力过程的不可逆性会引起设备 K 物流 质量流量或热工参数的变化[8]，从而影响设备 K 的 附加单耗。设备 K 能耗受其他设备的影响强弱有 别， 因此可将设备 K 连同主要的强作用设备看作一 个整体， 称之为 K 设备群。 在对设备 K 进行节能改 进时，不应仅着眼于设备 K 本身的缺陷，应同时提 高 K 设备群的整体性能。 考察设备 K 与其他任意设备 IIK间的能耗作 用时，仅设备 K 与 I 保持实际状态，而系统内其他 所有设备调整至理想状态， 则此时设备 K 附加单耗 与其自身结构因素附加单耗之差即为设备 K 受设 备 I 的能耗作用baux,IK。 系统内所有设备对设备 K 能耗作用的线性和构成设备 K 系统拓扑因素附加 单耗的线性项，而总附加单耗与此线性项之差即为 系统拓扑因素附加单耗的耦合项。由此可知，当耦 合项远小于线性项时， 针对设备 K 能耗的优化只需 着眼于 K 设备群， 反之， 应主要优化系统拓扑结构； 而当耦合项与线性项数量级相近时，K 设备群与系 统拓扑结构优化同等重要，这种情况常出现于非常 复杂的动力系统。 1.2.2 设备与系统能耗作用 设备内热力过程的不可逆程度影响着系统总 附加单耗的大小，而且不同设备的影响水平高低有 别。称对系统能耗影响较大的设备为高收益设备， 因为对此类设备的优化改造将显著降低系统能耗。 因此，在对系统进行节能改造时应给予高收益设备 高优先级。 设备单耗敏度固然能够反映设备单耗变化对 第 29 期 王利刚等大型燃煤蒸汽动力发电机组热力系统内能耗作用的计算与应用分析 11 系统总能耗的影响，然而如前所述，同一设备敏度 值的不确定性使其不能准确衡量设备与系统能耗 的作用关系。因此，有必要定义新的物理量来衡量 设备对系统的影响程度。 考察设备 K 能耗与系统能耗作用时，设备 K 调整至理想状态，而系统内其他所有设备保持实际 状态，则系统总能耗的减小量反映该作用关系，并 称该变化量为设备 K 的系统能耗收益 b,K。 1.2.3 降耗效应 系统内设备可以分为功能设备与降耗设备，前 者是指完成热力循环或过程的必须设备，比如燃 煤发电机组的汽轮机、发电机等等；而后者则是指 为降低系统能耗而配置的设备，其存在与否不影响 热力循环过程的完整性，比如燃煤发电机组的给 水加热器。 考察降耗设备 K 的降耗效应时，设备 K 解列， 而系统内其他所有设备保持实际状态，则系统总能 耗的增加量即为降耗设备 K 的降耗效应 br,K。 虽降耗效应也反映设备与系统的能耗作用，但 因其只适应于降耗设备，所以应单独给予讨论。若 设备降耗效应为零或负值，则降耗设备对系统能耗 降低没有贡献，应取消该设备或对降耗子系统进行 进一步改进与优化。 1.3 设计改进与运行优化策略 基于传统单耗分析，定位并改进高能耗的主要 设备与关键过程是热力系统节能降耗的主要手段， 然而，高能耗设备高改进优先级的优化策略并不全 面。 基于设备自身结构因素/系统拓扑因素附加单耗 及系统内 3 类能耗作用关系，可以提出更高效更合 理的系统设计改进与运行优化策略 首先，评估系统内降耗设备降耗效应的正负与 高低，改进降耗子系统与整体系统设计。其次，分析 设备的系统能耗收益的高低， 确定合理的设备改进优 先级通常需要经济性与可行性评估。最后，比较设 备不同类型附加单耗量级的大小， 制定更有效更合理 的设备结构与系统拓扑层面的改进方案见表 1。 对于系统设计优化，往往要重复以上 3 个步骤 表 1 设备 K 的改进策略 Tab. 1 Improvement strategies for device K 量级比较 KK KK KK KK KK strsys aux,aux,KK bb 1a 1 1 strsys aux,aux, KK bb 1, 2b 1, 2, 3c 1, 3 strsys aux,aux,KK bb 2 2, 3 3 Notea-Component K itself; b- Component set of component K; 3 System topology. each device and corresponding three sorts of interactions. The results are shown in Tab. 2. Tab. 2 Spatial distribution and interactions of energy consumptions of each device within the system IndexName aux,K b str aux,K b sys aux,K b K K b,Kbr,K 1 HPT1 1.9881.8130.176 0.165 0.011 4.685 2 HPT 2 0.6350.5580.077 0.070 0.009 1.499 3 IPT1 0.6960.6660.029 0.026 0.002 1.860 4 IPT2 0.5600.4920.068 0.059 0.007 1.474 5 LPT1 0.5600.5090.051 0.048 0.004 1.443 6 LPT2 0.4340.3900.044 0.044 0.000 1.100 7 LPT3 0.4820.4230.057 0.049 0.009 1.208 8 LPT4 2.3332.0980.236 0.223 0.013 5.663 9 LPT5 1.6461.4350.211 0.196 0.015 3.958 10COND3.4972.8010.698 0.601 0.097 0.000 11CP 0.0310.0270.004 0.004 0.002 0.000 12H8 0.2450.2160.029 0.027 0.002 0.1340.666 13H7 0.3060.2220.084 0.075 0.009 0.1080.701 14H6 0.1650.1120.053 0.044 0.009 0.1921.029 15H5 0.5490.3970.152 0.126 0.026 0.3771.600 16DA 0.5580.3720.187 0.139 0.048 0.068 17FP 0.4030.3110.092 0.081 0.011 1.177 18H3 0.4760.4170.059 0.059 0.000 0.2650.478 19H2 0.4650.2890.176 0.148 0.027 0.1810.985 20H1 0.2980.2110.090 0.064 0.024 0.4432.230 21ST 0.9010.5860.315 0.265 0.049 2.032 22G 1.7921.7920.000 0.000 0.000 4.220 23BOILER 128.51 112.63 15.87 14.17 1.70 10.07 24AH 4.3923.0961.298 1.135 0.163 8.477 SUM 151.92 131.87 20.05 17.82 2.23 48.497.69 It can be seen that although the boiler has the largest auxiliary fuel specific energy consumption which is extremely larger than that of the turbine, its contribution to the overall energy consumption is rather small, indicating that it is important to improve both the boiler and the turbine for the reduction of energy consumption of the overall system. The results show that this theory can provide guidelines for design and optimization of different aspects and levels, and has a promising prospect to become an effective and more practical energy-saving theory.