基于热经济学的火电机组热力系统㶲分析

王继选，韩中合，钱江波，刘小贞，郑晓雨，张金会

(1.华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北 保定 071003;2.邯郸职业技术学院 电子信息工程系，河北 邯郸 056001;3.国家电力调度控制中心，北京 100031)

0 引言

我国的能源消费主要以化石燃料为主，节能降耗是我国的长期基本国策。作为全国煤炭消耗大户，火力发电厂节能减排任务重大。火电机组热经济性的评价方法一般分为两类:热力学第一定律和热力学第二定律。基于热力学第一定律的热量法，如热平衡法、等效焓降法、矩阵法、循环函数法等，一般用于定量分析;基于热力学第二定律的㶲分析法、熵分析法、热经济学法等，一般用于定性分析。热力系统的节能不仅要重视量，还应重视系统节能、优化的潜力和能级匹配，所以对机组热力系统进行㶲分析可以有效评价能量利用的合理程度，根据各设备的生产目的，确定其燃料－产品㶲平衡模型，发掘节能潜力，科学指导节能工作。㶲理论和热经济学理论在热力系统的分析上得到了一定的应用和发展[1～9]。随着“十二五规划”的提出，节能减排是以后一段时期内的重要任务，本文拟建立热力系统的㶲分析数学模型，为火电机组的节能减排提供理论依据。

1 火电机组热力系统㶲分析数学模型

1.1 燃料、产品定义

根据每个设备的生产目的，使用“燃料－产品”的概念定义各设备的生产目的，利用㶲所量化的某一组件的生产目的称为“产品”，为获得该产品所消耗的㶲称为“燃料”，由于生产过程中各设备的不可逆程度不同，因此燃料㶲不可能百分之百地转换为产品㶲，不同设备具有不同的㶲损失和㶲效率[9～11]。㶲损失是一个绝对量，其大小说明了能量转换过程的不可逆程度的大小;㶲损率的大小表示了同一系统中局部㶲损失占总㶲损失的比重，可以表明该系统中每个环节㶲损失的大小;㶲损失系数表示各环节㶲损失占总燃料㶲的比重;㶲效率的大小可以衡量热力过程的完善程度[5，12～14]，㶲效率分为普遍㶲效率和目的㶲效率，由于能量系统中设备众多造成了某个设备是多股㶲流汇入和多股㶲流汇出，且普遍㶲效率不能如实地反映系统能量利用的具体情况，故本文采用目的㶲效率，即作为产品的㶲与作为燃料的㶲之比[9，15]。在进行横向比较时，采用㶲损失系数即以代价㶲为基准时局部㶲损失所占的比例。

1.2 “燃料－产品”㶲平衡模型

实际生产过程中总是伴随着㶲损，根据“燃料－产品”定义将传统的㶲平衡方程如式(1)。

式中:F为燃料，kW;P为产品，kW;I为㶲损失，kW。

以系统总㶲损失∑Ii为基准，系统中某个环节㶲损失Ii所占的比例称为㶲损率di。

㶲损率表示同一系统中局部㶲损失占总㶲损失的比重，可以表明该系统中每个环节㶲损失的大小。

当将输入到系统中的总燃料㶲做为基准时，各环节㶲损失所占的比重称为㶲损失系数Ωi。

式中:B为燃料量，kg;ef为燃料化学㶲，kJ/kg。系统各环节的㶲效率与㶲损失系数的关系如式(4)。

1.3 物理模型建立

某超临界机组汽轮机型号为N600-24.2/566/566，锅炉型号为 DG-1900/25.4-Ⅱ1，机组有8段抽汽，回热系统为“三高、四低、一除氧”，一、二、三级抽汽分别向3台高压加热器供汽，四级抽汽除供除氧器外，还向2台给水泵汽轮机及辅助蒸汽系统供汽;二级抽汽作为辅助蒸汽系统和给水泵汽轮机的备用汽源;五至八级抽汽分别向4台低压加热器供汽;整个通流部分有42级叶片。THA工况下汽水参数如表1所示。该机组的热力系统如图1所示。

表1 THA工况下主要汽水参数Tab.1 Main steam parameters of THA

图1 600 MW机组热力系统图Fig.1 Schematic diagram of the 600 MW thermal power plant

基于热力系统图绘制系统物理结构图进行㶲分析法建模。系统的物理结构图如图2所示，再热器从锅炉中分离形成单独的组件RH，剩余部分组成组件B-SH;汽轮机组件是由各抽汽点位置所确定的级组，喷嘴和调节级之间的组件作为一个级组;循环水泵与凝汽器构成组件CND;各抽汽管道与其对应的加热器，分别构成单独的组件;其余设备各自为一个组件，共25个组件。

1.4 㶲分析数学模型

1.4.1 锅炉“燃料－产品”㶲模型

锅炉的产品为蒸汽，而其代价为燃料，故其㶲平衡模型可表示为

式中:Dgr为锅炉过热器的蒸汽流量，kg/s;egr为过热器出口蒸汽的比㶲，kJ/kg;egs为锅炉给水的比㶲，kJ/kg;Drh为再热蒸汽流量，kg/s;erh，c为再热器出口蒸汽比㶲，kJ/kg;erh，r为再热器入口蒸汽比㶲，kJ/kg;Ib为生产过程中的㶲损失，kJ/s。

煤的化学㶲ef的估算式为[16]

式中:w(C)为燃料煤中碳的质量分数，%;w(H)为燃料煤中氢的质量分数，%;w(O)为燃料煤中氧的质量分数，%;w(N)为燃料煤中氮的质量分数，%;w(S)为燃料煤中硫的质量分数，%;w(A灰)为燃料煤中灰份的质量分数，%。

1.4.2 汽轮机级组“燃料－产品”㶲模型

汽轮机级组的燃料为进出各级组蒸汽

㶲差值，其产品为各级组蒸汽做功量，故其㶲平衡模型可表示为

式中:W为汽轮机的做功量，kW;IT为汽轮机做功损失。

1.4.3 回热加热器“燃料－产品”㶲模型

回热加热器的热力学完善程度关系到机组的经济性和安全性，表面式加热器结构如图3。

图3 表面式加热器Fig.3 Schematic diagram of a surface heater

化简得:

如果加热器型式为混合式，则其㶲平衡方程式为

对第i级加热器，由于抽汽压损、散热损失、传热温差、上级疏水节流等造成的损失包含在Ini中，对各级加热器列出㶲矩阵平衡方程式有:

式中:Di为各级抽汽组成的列向量;Ef为辅助蒸汽对加热器㶲平衡的作用，其主对角元素为该级辅助蒸汽的比㶲降，kJ/kg;Df为进入各级加热器的辅助蒸汽流量组成的列向量;Efw为辅助给水所组成的㶲向量，其主对角元素为该级辅助给水的比㶲降，kJ/kg;Dfw为进入各级加热器的辅助给水流量组成的列向量;Ex为下三角矩阵，其主对角线上的元素是该级抽汽的比㶲降;i＞j时，如果第i级加热器有j级加热器来的疏水，则Ei，j=，如果无j级加热器来的疏水，则Ei，j=eτi;当i＜ j时，Ei，j=0 。Di(i=1，2，…，8) 为各级抽汽组成的列向量。Ef反映了辅助蒸汽对加热器㶲平衡的影响，是下三角矩阵，其主对角线上的元素是该级辅助蒸汽的比㶲降;i＞j时，如果第i级加热器有j级加热器来的疏水，则Ei，j=，如果无j级加热器来的疏水，则 Ei，j=eτi;当i＜j时，Ei，j=0;Efw为下三角矩阵，其主对角线上的元素是该级加热器辅水的比㶲降;i＞j时，如果第i级加热器有j级加热器来的疏水，则Ei，j=，如果无j级加热器来的疏水，则Ei，j=eτi;当i＜j时，Ei，j=0;Df为进入各级加热器的辅助蒸汽流量组成的列向量;Dfw为进入各级加热器的辅助水的流量组成的列向量;Eτ为各级加热器给水的比㶲升组成的列向量;I为各级加热器㶲损失所组成的列向量。

Ex，Ef，Efw的表达式如下:

1.4.4 凝汽器“燃料－产品”㶲模型

凝汽器㶲损失定义为排汽在冷凝过程中所释放的㶲量，即为

式中:Dc为低压缸排汽量，kg;ec为低压缸排汽比㶲，kJ/kg;Dt为小汽轮机排汽量，kg;et为小汽轮机排汽比㶲，kJ/kg;e'c为凝结水比㶲，kJ/kg。

2 算例分析

以图1所示系统为研究对象，该机组的煤质分析结果如表2所示。

表2 煤质成份Tab.2 Composition of the coal-quality analysis

燃料化学㶲的计算见参考文献[16]。

该机组汽轮机为三缸四排汽，整个通流部分为42级叶片，其中高压缸共有8级，中压缸共有6级，低压缸共有4×7级。由于㶲效率可以表明组件的热力性能，因此计算机组组件的㶲效率，结果如表3～5所示。

由表3知，锅炉系统中，过热器和再热器的㶲效率分别为51.52%和51.7%，与汽轮机的㶲效率相比低很多，同时锅炉侧的㶲损失、㶲损率、㶲损失系数都比汽机侧的大，其中过热器的㶲损率和㶲损失系数最大，分别为70.12%和39.20%，其㶲损失主要是由于燃烧和传热的不可逆程度大造成的。

根据表4汽轮机㶲分析结果可知，汽轮机级组中调节级级组和低压缸末级级组㶲效率最低，分别为82.99%和85.91%。调节级㶲效率主要是由于高压缸调节级进汽时刻处于变工况的状态下，其节流损失较大，低压缸末级级组㶲效率低主要是因为末级处于湿蒸汽状态下工作，其余级组㶲效率均在95%以上，汽轮机级组中㶲损失、㶲损率、㶲损系数相对于锅炉来说要小很多。

低压缸末级级组的㶲损失、㶲损率、㶲损失系数在汽轮机级组中最大，其值分别为11 664.45 kJ/s，1.53%，0.85%;

由表5计算结果可知，高压加热器的㶲效率均高于低压加热器，抽汽压力越低所对应的加热器的㶲效率越低，3号高压加热器抽汽温度最高，该级加热器内的换热温差最大，同其它高压加热器相比其㶲效率较低，因此㶲损失、㶲损率、㶲损系数也比其它高压加热器高;低压加热器的㶲效率明显低于高压加热器，4号低压加热器㶲损失较高，其它低压加热器㶲损失均比高压加热器低;凝汽器CND的总㶲损失最大，但其㶲效率较高。

表3 锅炉㶲分析结果Tab.3 Exergy results of boiler

汽轮机㶲分析结果如表4所示。

表4 汽轮机㶲分析结果Tab.4 Exergy results of steam turbine

热力系统㶲分析结果如表5所示。

表5 热力系统㶲分析结果Tab.5 Exergy results of thermal system

从计算结果看锅炉侧过热器和再热器的㶲损失系数最大，这主要是因为燃烧与传热的不可逆造成的。全厂的㶲效率为44.09%。

3 结论

基于燃料－产品定义的㶲平衡模型，建立了热力系统㶲分析数学模型。根据所建模型对某机组进行了㶲分析，结论如下。

(1)中压缸各级组㶲效率较高;高压缸调节级级组和低压缸末级级组㶲效率分别为82.99%和85.91%，这主要与高压缸调节级节流损失大及低压缸末级处于湿蒸汽状态有关。

(2)高压加热器的㶲效率均高于低压加热器，抽汽压力越低所对应的加热器的㶲效率越低。低压加热器㶲损失所占全厂㶲损失的比例不大，低压加热器节能潜力不大。

(3)过热器和再热器的㶲损失系数最大，分别为70.12%和39.20%，其㶲损失主要是由于燃烧和传热的不可逆程度大造成的，降低不可逆程度可以提高锅炉的㶲效率。

(4)该机组的全厂㶲效率为44.09%。

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