基于热经济学会计模式亚临界600MW机组节能分析

李慧君，刘学敏

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定071003)

0 引 言

我国对热经济学的理论研究从20 世纪80年代开始有所发展［1～3］，且在一定程度上得到广泛应用［4～10］，其是以火用分析法为基础，将热力学分析与经济因素进行统一考虑的一门学科。热经济学的基本思想为:一是把所要分析的系统同时放到物理环境和经济环境中去进行考查;二是将系统划分为有限个子系统，把连接各子系统及子系统与外界环境之间相互作用的物质、能量及现金都看成是流［11］。热经济学分析方法主要包括会计模式、优化模式、结构系统模式以及矩阵模式。

在我国，随着市场机制的逐步建立，企业的运营状况直接决定着其经济效益，生产产品的成本形成过程及相关的评估、能量费用及非能量费用统一综合分析优化是电力企业“厂网分开，竞价上网”市场机制形成后关注的热点［12］。为此，本文采用热经济学会计模式以亚临界600 MW 火力发电机组为例，为机组优化改造提供理论依据。

1 热力学建模

本文以N600 －16.7/537/537 机组为研究对象，利用75% THA 设计和实验工况数据［13］进行计算，该机组有8 级回热抽汽，其回热系统为“三高、四低、一除氧”，采用疏水逐级自流方式，锅炉给水泵为汽动泵。图1 为其热力系统流程图，该系统共划分为18 个子系统，46 股物理流。其中BOI 表示锅炉，其划分为过热器B-SH和再热器RH 两个子系统，HP、IP 和LP 分别表示汽轮机高压缸、中压缸和低压缸，H 表示给水加热器，DTR 表示除氧器，CND 表示凝汽器，FWP 表示给水泵，CP 表示凝结水泵，BFPT 表示小汽轮机，GEN 表示发电机。

图1 600 MW 机组热力系统流程图Fig.1 Schematic diagram of the 600 MW power plant

2 系统火用流计算及分析

2.1 汽轮机系统火用的计算

汽轮机系统包括汽轮机本体及回热系统，在汽轮机系统的火用分析中，主要涉及到开口系统焓火用的计算，其计算公式［2］:

式中:h0、s0、T0分别为环境状态的焓，kJ/kg、熵，kJ/ (kg·K)及温度，K。

由式 (1)并根据文献［13］ 提供的数据，计算得出图1 中各股能流在75%THA 的设计和实验工况下的火用值，如表1 所示。

2.2 火用效率、火用损系数及火用损率

式中:EF为子系统的输入火用，kW;EP为子系统的产品，kW。

式中:Π 为子系统的火用损失，kW;Ef为系统总燃料，kW。

表1 各股物理流的火用值Tab.1 Exergy value of the physical streams

由表2 的计算结果可以看出:在所有子系统中，过热器和再热器的效率最低，且损率和损系数最高，是系统最薄弱环节，主要原因是二者中存在着较大的热力学不可逆性，而解决这个问题在很大程度上受到当前技术的限制。在试验工况下，再热器和除氧器的效率有所增加，主要是再热参数有所提高的缘故。低压加热器的火用效率比高压加热器的效率低，这是由于低压加热器抽汽能级较低所致。6 号低压加热器在设计与实验工况时的火用效率差值较大，故存在一定的节能潜力，但火用耗最大与经济消耗最大的点有时不重合，因此在热力学分析后，还要结合经济因素进行热经济学分析，以免造成“节而不省钱”。

表2 热力系统火用分析结果Tab.2 Calculating results of the thermal power system

3 热经济学计算及分析

根据表1 及表2 中的数据，利用会计模式进行热力学经济量的计算，其中包括能量费用和非能量费用，在能量费用方面更全面地考虑了火用在系统不同部位或过程不同阶段的不等价性，经过分析找出系统中耗和经济消耗最大的子系统，为进一步改善系统提供合理依据。

3.1 非能量费用

由于不知道各设备的价格，因此利用估算方程计算各设备的投资成本。表3 列出了系统中各主要设备的投资成本方程［9，14］，其参数说明如下:P1为主蒸汽出口压力，MPa;T1为主蒸汽出口温度，K;η 为锅炉效率;B0为锅炉产品，kW;Q 为加热器换热量，kW;tTTD为加热器出口给水端差，℃;△Pt和△Ps分别为管侧和壳侧压力损失，MPa;高压加热器a =6，低压加热器a =4;W 为级组输出功率，kW;ηT为级组效率，高压级组参考效率ηTr=0.95，低压级组ηTr=0.85;ηp为泵的效率;B 为泵的产品，kW;T0为环境温度，K;VW为管内冷却水流速，m/s;η 为凝汽器效率，其定义为T0(Sin－Sout)/(hn－hout);ε 为热效力，其定义为(two－twi)/(tin－twi);two和twi分别为冷却水出口和进口温度，℃;tin为凝汽器进口蒸汽温度，℃;S 为凝汽器生产的负熵，kW;W 为发电机功率，kW。计算结果如表4 所示。

表3 系统中主要设备投资成本方程Tab.3 Investment equations of the major devices in the system

为简化计算，非能量费用只计算系统的折旧费，且采用匀速折旧法［11］，即

式中:D 为设备折旧费;L 为设备的经济寿命(年)，取30年;I0为设备的初投资原值;IL为设备的残值，为简化取为零。

根据表4 中的数据，由式(5)计算得出各子系统设备的年折旧费，计算结果列入表5。

表4 设备投资成本Tab.4 Investment cost of each device

表5 各子系统的设备年折旧费Tab.5 Annual depreciation charges of each device

经济平衡式［11］只能得到18 个独立的方程式，但系统具有46 股流，所以需根据补充方程建立原则增加28 个补充方程，这些补充方程应包括边界条件和成本分摊方程。其中边界条件为系统的输入或输出流所具有的特定的经济条件，如煤的市场价格。成本分摊的补充方程的建立原则［11，15］为

将系统经济平衡式与补充方程进行联立求解，可得图1 中75%THA 实验工况下46 股流成本，如表6 所示，计算公式［11］为

3.3 火用单价计算

根据表6 中的数据，可计算得出75%THA 实验工况下各子系统输入火用的平均火用单价cFi、产品的平均单价cPi，以及产品与输入的差价，其计算公式分别为［11］计算结果如表7 所示。

3.4 火用经济系数计算

表6 各股火用流成本计算结果Tab.6 The results of exergy cost

3.5 结果分析

4 结 论

(1)热经济学会计模式利用燃料－ 产品的定义来准确描述各个设备的生产功能，且使用相对较少的数据(例效率和火用经济系数)，得到较多的热力学和热经济学信息，可用来分析系统各设备的性能。

表7 火用平均单价与火用经济系数计算结果Tab.7 The results of average unit price of exergy and exergy economic coefficient

［1］宋之平，王加璇.节能原理［M］.北京:水利电力出版社，1985.

［2］朱明善.能量系统的火用分析［M］.北京:清华大学出版社，1988.

［3］王加璇，张树芳.火用方法及其在火电厂中的应用［M］.北京:水利电力出版社，1993.

［4］王清照，肖卫杰，王加璇.运用热经济学结构理论进行故障诊断的探讨［J］.中国电机工程学报，2003，23(9):178 －181.

［5］张晓东，高波，王加璇.热经济学结构理论与LIFO 法则应用研究［J］.中国电机工程学报，2003，23(6):185 －189.

［6］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，2005，25(24):108 －113.

［7］李永华，李庚生，闫顺林.火电机组回热系统火用损分布的通用矩阵方程［J］.动力工程，2006，26(4):595－598.

［8］程伟良，王清照，王加璇.300MW 凝汽机组的热经济学成本诊断［J］.中国电机工程学报，2005，25(8):126 －129.

［9］熊杰，张超，赵海波，等.基于热经济学结构理论的电站热力系统全局优化［J］.中国电机工程学报，2007，27(26):65 －71.

［10］洪慧，金红光，刘泽龙，等.给水加热型联合循环系统分析研究［J］.中国电机工程学报，2003，23(2):144－148.

［11］王加旋.动力工程热经济学［M］.北京:水利电力出版社，1995.

［12］李秀云，严峻杰，林万超.电厂冷端系统评价指标及诊断方法的研究［J］.中国电机工程学报，2001，2(9):94 －98.

［13］钱毓敏.河北国华定洲发电有限责任公司1 号600MW 汽轮机性能考核试验报告［R］.西安:西安热工研究院，2004.

［14］张超.复杂能量系统的热经济学分析与优化［D］.武汉:华中科技大学，2006.

［15］彭启珍，张树芳，郭江龙.热经济学成本分析中补充方程的合理构造［J］.热力发电，2003，(10):29 －33.