基于先进分析法的供热机组优化

王文焕， 李秋白， 王炯铭， 谭 锐， 黄启龙， 戴晓业， 史 琳

(1. 清华大学 能源与动力工程系，北京 100086； 2. 国能南京电力试验研究有限公司，南京 210046； 3. 国能(泉州)热电有限公司，福建泉州 362804))

在中国，火力发电一直占据主导地位，其装机容量超过63%[1]。然而，燃煤电厂普遍存在低效、高能耗和高污染物排放的问题。电力行业的碳排放量约占中国能源系统碳排放量的40%，是最大的碳排放源。在“碳达峰”、“碳中和”的关键时期，电力行业节能减排的任务艰巨，燃煤机组是电力行业低碳转型的主要战场[2]。

供热改造是燃煤机组提高效率、实现节能减排的重要途径[3]。常规燃煤机组进行供热改造后，传统的热经济性指标不再适用，并且整个系统中各节点的热力学参数可能也会发生变化。现有研究通常使用总参数+分项指标的方式来评价供热机组的热力学性能，但是该方式描述复杂，并且具有一定的片面性[4]。因此，有必要从热力学第二定律的角度出发，结合分析的相关概念，对供热机组进行综合评价，同时分析其各部件的损失分布，为机组选型提供优化参考。

1 热力学模型

选取CN300-1.67/538/538型机组进行研究，该机组为一次中间再热、单轴、双缸双排汽的抽汽凝汽式汽轮机，回热系统采用传统的3个高压加热器、4个低压加热器、1个除氧器的形式，给水泵汽轮机用汽取自第四级回热抽汽，并且假设凝汽器热井处补水参数与环境参数一致。供热改造采用双汽源抽汽改造，分别将第一级回热抽汽和热再热蒸汽抽汽供给高、中压热用户。机组的热力参数和供热参数分别见表1和表2。

表1 机组的热力参数

表2 机组的供热参数

2.1 传统分析模型

e=(h-T0s)-(h0-T0s0)

(1)

式中：h和h0分别为当前状态点和环境参考态下工质的比焓；s和s0分别为当前状态点和环境参考态下工质的比熵；T0为环境参考态温度。

(2)

部件k效率的计算公式为：

(3)

式中：εk为部件k的效率。

(4)

将该300 MW供热机组的整个热力系统分解为汽轮机级组、回热加热器、凝汽器、给水泵及供热部件，其中供热部件表示供热改造所使用的汽汽换热器等设备。供热机组及各部件的损见表3，其中：为系统或部件的损；为质量流量；Pe为机组发电功率；下标tot、tur、reh、con、pump和heating分别表示供热机组、汽轮机、回热加热器、凝汽器、给水泵和供热部件；下标i、j分别为汽轮机级组、回热加热器级数；下标f、s、w、ma和c分别表示燃料、蒸汽、给水、化学补充水和凝结水；下标in、out分别表示该部件的进、出口位置；下标hh、hi和re分别表示高、中压热用户和热再热蒸汽；上标d表示疏水；和分别为给水泵汽轮机用汽的质量流量和比。

表3 供热机组及各部件的传统损计算模型

表3 供热机组及各部件的传统损计算模型

部件传统损计算模型供热机ED,totmfefmmaema-(Pemhhehhmhiehi)汽轮机级ED,turmtur,i(ei,in-ei,out)-Pe,j回热加热ED,rehmsjesjmwj(ewj,in-ewj,out)mdwj,inedwj,inmdwj,outedwj,out凝汽ED,conmtur,outetur,outm′tur,oute′tur,outmdwedwmmaemamc,outec,out给水ED,pumpm′tur(e′tur,in-e′tur,out)mpump(epump,in-epump,out)供热部ED,heatingmhh(el-ehh)mhi(ere-ehi)

该机组为燃煤机组，在已知煤的高位热值的条件下，可根据GB/T 14909—2021 《能量系统分析技术导则》中规定的公式[13]计算煤的，具体为：

(5)

工质在循环各节点处的热力参数(压力、温度、比焓)通过汽轮机原则性热力计算方法求解[14]，计算满足以下假设：(1)采用IFC67蒸汽表；(2)忽略加热器散热损失；(3)汽轮机的机械效率ηm、电机效率ηg分别为0.990、0.985；(4)锅炉效率ηb为0.930。

2.2 先进分析模型

表4 各部件的实际、极限和理想工况参数

(6)

对于表3中的各部件，可逐一构建混合过程(即部件k在实际工况下运行，其余部件在理想工况下运行)，计算部件k的损分布。

在评估系统部件的节能潜力时，因为无法达到理想工况，所以无法将内源损和外源损作为准确的评价标准。因此，可进一步将部件k的损分解为可避免损和不可避免损。部件k的损为：

(7)

(8)

通过构建混合过程，计算部件k的不可避免内源损，其余参数的计算公式为：

(9)

(10)

(11)

为直观地评估部件的优化潜力，定义了部件k的可避免内源损率，其计算公式为：

(12)

式中：φk为部件k的可避免内源损率。

3 结果与分析

3.1 传统分析

选取GB/T 14909—2021中规定的环境参考态(100 kPa、298.15 K)，计算物流的热物性参数，得到各部件的传统分析结果(见表5)。

表5 各部件的传统分析结果

表5 各部件的传统分析结果

部件损/MW效率/%损率/%锅炉333.8352.9586.85汽轮机HP18.4897.892.21汽轮机HP22.0299.150.53汽轮机IP15.4197.321.41汽轮机IP21.1199.270.29汽轮机LP12.4897.660.65汽轮机LP21.5897.850.41汽轮机LP31.0497.920.27汽轮机LP41.9494.500.50汽轮机LP53.0584.180.79换热器H10.8995.010.23换热器H21.6392.820.42换热器H31.8486.290.48除氧器DH1.6893.530.44换热器H52.0874.000.45换热器H60.8082.910.13换热器H70.6372.330.21换热器H80.2984.370.05给水泵2.3592.500.64凝汽器5.842.991.52供热部件5.8893.521.53

3.2 先进分析

表6 各部件的先进分析结果

表6 各部件的先进分析结果

部ED,k/MWEEND,k/MWEEXD,k/MWEUND,k/MWEUN, END,k/MWEUN, EXD,k/MWEAVD,k/MWEAV, END,k/MWEAV,EXD,k/MWφk/%锅炉333.83305.1928.64302.06291.5610.5031.7713.6318.144.08汽轮机HP18.487.910.574.234.100.124.253.800.4544.83汽轮机HP22.021.900.131.221.160.060.810.740.0736.43汽轮机IP15.413.751.652.832.790.052.580.971.6117.90汽轮机IP21.110.990.130.800.760.040.310.230.0920.25汽轮机LP12.482.220.261.391.350.041.090.870.2235.11汽轮机LP21.581.390.201.181.120.060.400.190.2211.83汽轮机LP31.040.900.150.740.710.030.300.190.1217.80汽轮机LP41.941.700.240.950.910.040.990.780.2140.42汽轮机LP53.052.630.421.540.890.651.511.74-0.2357.10换热器H10.890.680.210.770.670.110.120.010.111.03换热器H21.631.270.361.401.250.150.230.020.211.16换热器H31.841.560.281.601.560.040.2400.240.16除氧器DH1.680.551.131.400.550.850.2800.280.01换热器H51.711.130.581.471.130.340.250.010.240.35换热器H60.490.260.230.390.260.130.1000.100.06换热器H70.800.460.340.650.450.200.140.010.140.74换热器H80.200.150.050.180.140.040.010.010.014.28给水泵2.442.290.151.211.43-0.231.240.860.3835.08凝汽器5.844.781.065.254.770.470.600.010.590.20供热部件5.884.231.654.774.230.531.1101.110

由表6可得：

图1 各部件损的分布情况

4 结语

(3) 进行系统整体优化时，部分部件效率的升高可能造成其余部件效率的下降，因此在系统优化时应当综合考虑各部件的影响，实现系统的最优化运行。