超临界600MW火电机组热力系统的单耗分析

史永胜，王雲海，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735100;2.中国石油玉门油田水电厂，甘肃 酒泉735200;3.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

目前，在我国仍以燃煤火力发电为主的背景下，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［1］。电厂热力系统分析方法主要有热量法和方法，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数法等一些简捷计算方法，使得定量计算变得更加容易［2］。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㶲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，但同时也有㶲值不统一性、㶲效率多义性等不足之处。单耗分析理论是在㶲和㶲经济学的基础上提出的，不但保留了㶲分析法的优点，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［3］。

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600 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［3］是在㶲和㶲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㶲值与单位燃(原)料所蕴涵㶲值的比值。在没有任何附加损失的理想系统中，理论最低单耗为

式中:eP，eF分别为单位产品和单位燃料(或原材料)的㶲;P，F 分别为产品的总㶲值和投入系统的燃(原)料的总㶲值。

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:

式中:bmin为理论最低单耗;ΣIbI为各设备附加单耗之和。

而设备I 的附加单耗定义为

式中:(I + R + AC)为设备I 的㶲损耗。

设备I 的附加单耗bI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bI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n 维的向量，每个流的㶲组成一个m 维的向量。定义

式中:T 为转置符号。根据公式(3)，设备的附加单耗为

式中:A 为设备I 与流J 的联系矩阵。其元素aIJ或为0(若I 与J 无联系)，或为+1(若J 流入I)，或为－1(若J 流出I)。上式中的E(τ)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，M 和H 分别为m 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N600-24.2/566/566 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，首先对锅炉进行㶲损分析，取如图2 控制体列㶲平衡方程式计算锅炉侧㶲损耗，即

式中:ef为煤的化学比㶲;Db为锅炉过热器蒸汽流量;eb为过热器出口蒸汽比㶲;efw为锅炉给水比㶲;Drh为再热蒸汽量;eoutrh为再热器出口比㶲;einrh为再热器入口比㶲。

图1 N600-24.2/566/566 机组热力系统简图Fig.1 Schematic diagram of thermal power system of N600-24.2/566/566

图2 锅炉侧㶲流简图Fig.2 Schematic diagram of a boiler

根据参考文献［4，5］，煤的化学㶲可以依据式(8)进行估算:

式中:qnet为煤的低位热值;w(H)为燃煤中氢的质量;w(O)为氧的质量;w(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

2.2 管道的附加单耗

管道㶲损失按锅炉热负荷的㶲与供给汽轮机的蒸汽㶲之差表示，即

式中:D0为主蒸汽流量;e0为主蒸汽比㶲;erh为再热后中联门前蒸汽比㶲;e1为再热前高压缸排汽比㶲。

则，可得由于管道㶲损引起的附加单耗计算式，即

2.3 汽轮机的附加单耗

汽轮机通过消耗蒸汽㶲来对外做功，这一过程的㶲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㶲损，其计算式如(12):

式中:W 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

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，其各设备与㶲流的编号如图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。

图3 600 MW 超临界机组回热系统简图Fig.3 Schematic diagram of regenerative system

图4 设备与流的联系矩阵Fig.4 The contact matrix of equipments and flows

根据㶲流的计算公式，计算各股㶲流。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㶲损及附加单耗。

2.5 凝汽器的附加单耗

凝汽器的㶲损失为排汽冷凝过程释放出的㶲，为

式中:Dc和ec分别为凝汽量和其比㶲;Dt和et分别为小汽机的凝汽量和其比㶲为凝结水比㶲。

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N600—24.2/566/566 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94%，全厂热效率为44.56 %，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qnet=22 446 kJ/kg，根据公式(8)计算得到燃料的化学㶲eF=22 967 kJ/kg。依据单耗理论的定义，单位电能的㶲值为ep=3 600 kJ/(kW·h)，则该600 MW 超临界火电机组的理论最低单耗应为

表1 煤质分析结果Tab.1 Results of the coal-quality analysis %

设备的附加单耗实际上是由于机组在运行过程中㶲损所引起的，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Tab.2 The specific consumption distribution of each device in regenerative system

表3 全厂附加单耗分析结果Tab.3 Calculating results of the power unit

通过表2 的计算结果分析可知，高加的㶲效率比低加的大，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［6］。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110.6 kJ/kg，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，流动阻力和㶲流参数差别很大，所以不可逆损失也就相对较大。对于低加侧其㶲效率虽然并不高，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［7］。

由表3 可知，锅炉侧的附加单耗占到了80%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

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［8，9］。

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600 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 =360.24 g/kw·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3.695 2 g/kw·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176.96 g/kw·h、2.72 g/kw·h、21.46 g/kw·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。

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