超臨界機(jī)組附加單耗分布及案例分析

段立強(qiáng)，潘 翔，楊勇平

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

我國(guó)當(dāng)前電力部門技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，決定了在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)以火力發(fā)電機(jī)組為主要電力能源。自電力體制改革以來，電力工業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量和發(fā)電量連續(xù)16年位居世界第二。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截止到2009年底，我國(guó)燃煤火電裝機(jī)總?cè)萘考s6.5億kW，到2020年將達(dá)到10.7億kW[1]，增加 4.2 億 kW。

為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)與環(huán)境和諧發(fā)展，高效率，低污染的超臨界機(jī)組和超超臨界機(jī)組在世界范圍內(nèi)逐步成為主力機(jī)型。預(yù)計(jì)到2020年，在役超臨界機(jī)組將占火電機(jī)組總?cè)萘康?0%，2050年將占50%[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截止到2009年底，我國(guó)火電機(jī)組裝機(jī)容量300 MW以上的大型火電機(jī)組。裝機(jī)容量超過4億kW，占火電裝機(jī)總?cè)萘康谋壤^63%[3]。

大型燃煤機(jī)組具有高參數(shù)、大容量、設(shè)備空間尺度大、設(shè)備耦合性強(qiáng)的特點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)中小機(jī)組運(yùn)行參數(shù)和受熱面布置結(jié)構(gòu)具有較大差別[4]。如何降低大型燃煤機(jī)組能耗，首先要確定機(jī)組能耗的分布狀況，分析機(jī)組節(jié)能潛力的大小和節(jié)能潛力所在部位。分析大型燃煤發(fā)電機(jī)組能耗分布狀況，對(duì)改進(jìn)系統(tǒng)，降低能耗，指導(dǎo)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，優(yōu)化鍋爐受熱面布置，具有重要意義。

1 單耗分析理論及超臨界機(jī)組計(jì)算模型建立

單耗分析理論于20世紀(jì)90年代由華北電力大學(xué)宋之平教授提出，建立于分析方法基礎(chǔ)上，用產(chǎn)品的單耗來表明生產(chǎn)過程能耗的高低。任何過程都消耗 “燃料”生產(chǎn) “產(chǎn)品”，所謂“單耗”指產(chǎn)品單耗，由理論最低單耗與設(shè)備附加單耗構(gòu)成[7]。對(duì)于凝汽式燃煤機(jī)組與煤耗相對(duì)應(yīng)，該理論以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，揭示了單耗高低的本質(zhì)所在。

不論是物質(zhì)生產(chǎn)或是能量轉(zhuǎn)換過程，系統(tǒng)中任何設(shè)備的運(yùn)行都是有代價(jià)的，都需要消耗一定燃料，從而造成附加單耗。設(shè)備的附加單耗是該設(shè)備不可逆損失的度量，節(jié)能的一個(gè)重要方面就是要降低附加單耗。系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的附加單耗不僅因時(shí)間而異，也根據(jù)設(shè)備狀況不同而改變。這就是附加單耗時(shí)空分布問題，反映了設(shè)備縱向或橫向附加單耗的比較。單耗分析法以科學(xué)而直觀的方式展示燃料單耗構(gòu)成、分布和變化的規(guī)律以及影響因素，以便對(duì)改善設(shè)計(jì)、優(yōu)化運(yùn)行、促進(jìn)管理科學(xué)化、從而為實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源、降低成本目標(biāo)提出指導(dǎo)性的依據(jù)[8]。單耗比熱效率指標(biāo)更直接更科學(xué)，在各產(chǎn)業(yè)部門都能夠作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)廣泛使用。對(duì)凝汽式火電機(jī)組而言，燃料為化石燃料，產(chǎn)品為電能，單耗即為發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗。單耗的理論公式為

式中:bS為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電單耗;BS為標(biāo)準(zhǔn)煤耗量;We為機(jī)組發(fā)電量;F為投入系統(tǒng)的燃料總值;P為產(chǎn)品的總值;Ij為設(shè)備及過程的耗損;ef為單位燃料所含值;eP為單位產(chǎn)品所含值;bmin為產(chǎn)品的理論最低單耗;bj為設(shè)備或過程的附加單耗。

對(duì)于燃煤火電機(jī)組熱力系統(tǒng)而言，其產(chǎn)品的單耗一般包括兩部分:一部分是理論最低單耗bmin;另一部分是為生產(chǎn)電能而需付出的設(shè)備的附加單耗 bI，是設(shè)備不可逆損失的一種定量描述，在可逆的情況下其值為零[9]。

式中:eP，ef分別為單位產(chǎn)品和投入單位燃料所含值，任何火電機(jī)組的理論最低單耗是一個(gè)定值。

1.2 機(jī)組參數(shù)

本文基于貴港電廠一期工程2×600 MW超臨界機(jī)組進(jìn)行單耗分析，鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、Π型露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。鍋爐燃用貴州煙煤。爐后尾部布置兩臺(tái)三分倉容克式空氣預(yù)熱器。

表1 600 MW機(jī)組鍋爐系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the 600 MW power plant boiler system

該機(jī)組的汽輪機(jī)系統(tǒng)為N600-24.2/566/566型單軸、四缸四排汽、高中壓合缸，中間再熱凝汽式汽輪機(jī)，采用八級(jí)回?zé)岢槠?，分別供給三個(gè)高壓加熱器、1個(gè)除氧器、四個(gè)低壓加熱器，高加疏水逐級(jí)自流到除氧器，低壓加熱器疏水逐級(jí)自流至凝汽器。

表2 600 MW機(jī)組汽輪機(jī)系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of the 600 MW power plant turbine system

具體計(jì)算步驟:

(1)選擇設(shè)計(jì)煤種，基于額定工況，通過熱力計(jì)算，得到該超臨界燃煤機(jī)組鍋爐系統(tǒng)和汽輪機(jī)系統(tǒng)各部分放熱工質(zhì)和吸熱工質(zhì)的參數(shù)和流量，以及各廣延量參數(shù)。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

通過熱力計(jì)算并參考機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，得出該超臨界燃煤機(jī)組系統(tǒng)各個(gè)部分附加單耗如表3所示。

表3 600 MW機(jī)組附加單耗分布Tab.3 Additional unit energy consumption distribution of the 600 MW power plant

可以看出燃煤發(fā)電機(jī)組的附加單耗大部分來自于鍋爐系統(tǒng)，占總煤耗的50%以上。這與熱力學(xué)第二定律計(jì)算所得結(jié)論一致，應(yīng)該視為最大節(jié)能潛力的部分。汽輪機(jī)及回?zé)嵯到y(tǒng)的附加單耗絕對(duì)值低于鍋爐系統(tǒng)，導(dǎo)致汽輪機(jī)系統(tǒng)附加單耗的主要原因是受熱面換熱不可逆過程，即有摩阻的換熱，可以將該過程視為一種廣義摩擦。

該機(jī)組總發(fā)電煤耗為291.45 g，鍋爐系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律熱效率為92.5%，熱力學(xué)第二定律效率為42.17%，在600 MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組發(fā)電煤耗水平中屬于平均水平，其節(jié)能潛力有代表性意義。

圖1 600 MW機(jī)組附加單耗分布Fig.1 Additional unit energy comsumption distribution of the 600 MW power plant

2.1 鍋爐系統(tǒng)附加單耗

根據(jù)廠家提供的運(yùn)行參數(shù)以及熱力計(jì)算得出，鍋爐系統(tǒng)中每個(gè)受熱面進(jìn)出口蒸汽溫度壓力和放熱工質(zhì) (煙氣)的溫度，從而計(jì)算出各個(gè)受熱面放熱工質(zhì)的值，根據(jù)熱力學(xué)第二定律和單耗分析理論，得出鍋爐內(nèi)部各受熱面的附加單耗分布，如下表4所示:

表4 600 MW機(jī)組鍋爐系統(tǒng)各受熱面附加單耗Tab.4 Additional unit energy consumption distribution of the boiler system

鍋爐的主要附加單耗發(fā)生在爐膛部分，對(duì)于一般鍋爐占鍋爐總附加單耗的40%以上。該區(qū)域內(nèi)主要布置的受熱面為水冷壁和前屏過熱器，由于管道材料的限制，不能承受過高溫度，尚且不能直接利用最高溫度區(qū)域的煙氣的對(duì)流放熱量。在今后階段，倘若受熱面管道材料有大上的飛躍，將該等級(jí)的熱量充分利用后，能夠使得鍋爐效率大幅度提高，附加單耗減小。

圖2 鍋爐系統(tǒng)各受熱面附加單耗Fig.2 Additional unit energy consumption distribution of the heaters of boiler systems

在分隔屏階段，吸熱工質(zhì)的溫度提高，煙氣中的顆粒物燃燒完全且經(jīng)過前屏和水冷壁的冷卻后溫度有一定程度降低，平均煙氣溫度達(dá)1 000℃以上，與受熱面內(nèi)工質(zhì)具有較大傳熱溫差?？梢圆贾幂^多的對(duì)流受熱面，加強(qiáng)對(duì)該等級(jí)熱量的利用。

通過前屏和分隔屏過熱器后的煙氣溫度降低到可以充分利用的溫度，該過程中產(chǎn)生的附加單耗量與前面受熱面相比有所降低。在此處布置過熱器和高溫再熱器，既能保證效率，也可以充分利用煙氣熱量。另外，通過布置在爐膛和水平煙道周圍的包覆面過熱器，將從水冷壁出來的工質(zhì)進(jìn)一步加熱到更高溫度，并加強(qiáng)了對(duì)煙氣輻射熱量的利用，該部分利用的能量包含在主蒸汽內(nèi)。

在低溫再熱器水平段上，附加單耗有顯著提高，原因在于管內(nèi)吸熱工質(zhì)為從汽輪機(jī)高壓缸排出的380.1℃的蒸汽與放熱煙氣的溫差達(dá)到300℃，且再熱蒸汽流量小，受熱面布置在一個(gè)較長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致整個(gè)過程的附加單耗量提高。與其他受熱面相比，該段也是具有較大節(jié)能潛力的部位。

對(duì)于省煤器與空氣預(yù)熱器 (熱段及冷段)，煙氣溫度下降到技術(shù)可以接受的程度，省煤器中工質(zhì)平均溫度為308℃，煙氣平均溫度為500.7℃，附加單耗與過熱器和再熱器相比，總量較低。在空氣預(yù)熱器階段，煙氣平均溫度與熱風(fēng)平均溫度相差110℃，但是處于相對(duì)低溫的階段利用率高，附加單耗低。

2.2 汽輪機(jī)及其熱力系統(tǒng)附加單耗

在汽輪機(jī)及其熱力系統(tǒng)中，換熱的工質(zhì)均為水，依據(jù)溫度壓力等級(jí)和方式不同，分為做功、汽-汽換熱、汽-水換熱和混合式換熱。雖然方式不同，根據(jù)單耗分析理論，由不可逆過程產(chǎn)生的的損失均可以視為等價(jià)損，可以轉(zhuǎn)化為由附加單耗表示的方式。即，由不可逆過程造成的損是等價(jià)的，可以表示為附加單耗。在該系統(tǒng)中，各部分的附加單耗分布如表5所示:

表5 600 MW機(jī)組汽輪機(jī)系統(tǒng)附加單耗分布Tab.5 Additional unit energy consumption distribution of the 600 MW power plant turbine systems

從上表中可以看出，凝汽器中，由汽輪機(jī)放熱給凝結(jié)水造成的附加單耗為7.09 g/kW·h，相對(duì)于鍋爐系統(tǒng)中大部分受熱面，沒有顯著效果。

圖3 600 MW汽輪機(jī)系統(tǒng)附加單耗分布Fig.3 Additional unit energy consumption distribution of the 600 MW power plant's steam turbine systems

在熱力學(xué)第一定律中，凝汽器是機(jī)組最大的能量損失設(shè)備，而根據(jù)熱力學(xué)第二定律及單耗分析理論，凝汽器中的損失對(duì)于整個(gè)機(jī)組僅占不到3%，在汽輪機(jī)系統(tǒng)中占36%，并且能量品位較低，30℃左右。因此，相對(duì)于鍋爐系統(tǒng)，凝汽器的節(jié)能潛力要小很多。

汽輪機(jī)內(nèi)部附加單耗的產(chǎn)生是由蒸汽在推動(dòng)汽輪機(jī)動(dòng)葉做功時(shí)產(chǎn)生的，總量達(dá)9.32 g/kW·h，占汽輪機(jī)系統(tǒng)附加單耗的47%，是汽輪機(jī)系統(tǒng)最大的附加單耗來源。汽輪機(jī)內(nèi)部主要損失包括:噴嘴損失、動(dòng)葉損失、余速損失，以及低壓級(jí)中的濕汽損失。要減小這些附加單耗，可行的方法是在設(shè)計(jì)過程中改進(jìn)葉片的形式，從而提高級(jí)組的相對(duì)內(nèi)效率，減小蒸汽在膨脹過程中的損失。汽輪機(jī)組高壓缸，中壓缸，低壓缸的附加單耗空間分布如圖4所示:

圖4 機(jī)組汽輪機(jī)系統(tǒng)附加單耗分布Fig．4 Additional unit energy consumption distribution of the steam turbine cylinders

其中低壓缸的附加單耗占汽輪機(jī)系統(tǒng)附加單耗的56%，所以改進(jìn)汽輪機(jī)低壓缸特別是末級(jí)部分的通流狀況，對(duì)提高汽輪機(jī)的效率有著顯著作用。中壓缸工作狀況穩(wěn)定，動(dòng)葉損失、葉高損失較高壓缸級(jí)組低;與低壓缸相比，沒有工作在濕蒸汽區(qū)，濕汽損失小。汽輪機(jī)附加單耗較大，但節(jié)能措施實(shí)施要比回?zé)嵯到y(tǒng)難，涉及到汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)等方面問題。

圖5 給水加熱器附加單耗分布Fig.5 Additional unit energy consumption distribution of feed water henters

給水加熱器的附加單耗，是抽出蒸汽在受熱面內(nèi)用于加熱給水，造成做功能力損失。抽汽管道附加單耗指蒸汽從汽輪機(jī)級(jí)后抽出后在輸送到給水加熱器過程中的損耗。該過程使用高溫蒸汽加熱給水，由于蒸汽與給水的換熱溫差，造成了不可逆損失。在回?zé)嵯到y(tǒng)加熱給水的過程中要注意使受熱面內(nèi)的給水平均吸熱溫度接近蒸汽平均放熱溫度，減少附加單耗的產(chǎn)生。如圖5所示，抽氣管道的附加單耗占回?zé)峒訜崞髦械男〔糠郑責(zé)峒訜崞髦兄饕郊訂魏膩碜杂趽Q熱面。在該機(jī)組中，除氧器和5號(hào)加熱器的附加單耗較高，是回?zé)嵯到y(tǒng)中主要節(jié)能挖掘部位?？傮w相比，回?zé)嵯到y(tǒng)中附加單耗總量小，節(jié)能潛力有限。

在汽輪機(jī)系統(tǒng)中，蒸汽管道和漏汽也造成一部分附加單耗，根據(jù)單耗分析理論得出的結(jié)果顯示，所占比例約為0.7%左右，其中不乏能量等級(jí)較高的蒸汽，比如從鍋爐高溫過熱器出口至汽輪機(jī)高壓缸動(dòng)葉前的壓損，因此做好防止跑冒滴漏的工作，可以主蒸汽管道壓損，也可節(jié)約能源。

3 優(yōu)化與改進(jìn)

要減小系統(tǒng)附加單耗，最主要的方法就是減少系統(tǒng)中不可逆損失，降低換熱溫差。

(1)鍋爐系統(tǒng)中，爐膛及分隔屏過熱器的附加單耗最大，因此可以提高水冷壁中工質(zhì)的溫升，加強(qiáng)爐膛內(nèi)熱量的吸收來提高第二定律利用率。

(2)在不提高主蒸汽溫度和壓力的狀況下，降低附加單耗則需要提高對(duì)高溫?zé)煔獾睦寐省＿@勢(shì)必要求提高管道材料的抗高溫抗腐蝕能力，有可能會(huì)導(dǎo)致電廠一次投資成本的升高。在考慮經(jīng)濟(jì)性的條件下，充分利用高等級(jí)熱量的煙氣，是降低附加單耗最有效的方法。

(3)在該600 MW超臨界機(jī)組中，低溫再熱器水平段的附加單耗過高。再熱蒸汽入口溫度較難改變，可以通過改變低溫再熱器受熱面的布置位置，將低溫段向尾部煙道后移，或者提高工質(zhì)溫度避免在較低溫度階段換熱溫差過大。該部分節(jié)能潛力較大，經(jīng)計(jì)算可以達(dá)到3 g/kW·h左右，但會(huì)對(duì)整體附加單耗分布產(chǎn)生較大影響，并且需要重新布置受熱面，改造工程量及費(fèi)用大。

(4)汽輪機(jī)系統(tǒng)中，提高汽輪機(jī)各級(jí)組的相對(duì)內(nèi)效率有利于減小附加單耗的產(chǎn)生。特別是改進(jìn)壓力較高的級(jí)組，所獲得的收益越大。汽輪機(jī)各汽缸相對(duì)內(nèi)效率提高1%之后，機(jī)組附加單耗降低量如圖6所示。經(jīng)計(jì)算，若各個(gè)氣缸相對(duì)內(nèi)效率均提高1%，則汽輪機(jī)系統(tǒng)附加單耗將減小0.28 g/kW·h。

圖6 汽輪機(jī)各汽缸附加單耗降低量Fig.6 Reduce quantity of additional unit energy consumption of the steam turbine cylinders

(5)在給水回?zé)嵯到y(tǒng)中，可以通過調(diào)節(jié)各個(gè)回?zé)崞髦姓羝艧釡囟群徒o水平均吸熱溫度，達(dá)到減小附加單耗的目的。對(duì)于高溫加熱器，平均換熱溫差控制在15～20℃內(nèi)，對(duì)于低溫加熱器，將平均換熱溫差控制在10℃以下，可以大幅度減少回?zé)峒訜崞髦懈郊訂魏牡漠a(chǎn)生。按該準(zhǔn)則調(diào)節(jié)，經(jīng)計(jì)算，回?zé)嵯到y(tǒng)附加單耗減小0.39 g/kW·h。

經(jīng)過整體優(yōu)化后，該600 MW超臨界機(jī)組的附加單耗將降低0.68 g/kW·h，該過程集中在汽輪機(jī)系統(tǒng)側(cè)，其中較大的工程改造量為汽輪機(jī)機(jī)組葉片，回?zé)嵯到y(tǒng)主要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，汽輪機(jī)系統(tǒng)附加單耗減低3.5%。機(jī)組整體附加單耗下降0.6%，若要顯著減小機(jī)組整體附加單耗，則要從鍋爐系統(tǒng)側(cè)考慮。

4 結(jié)論

本文基于熱力計(jì)算，對(duì)超臨界機(jī)組附加單耗的分布進(jìn)行分析，指出系統(tǒng)的節(jié)能潛力部位，提出節(jié)能方案。計(jì)算結(jié)果表明:超臨界機(jī)組鍋爐系統(tǒng)的附加單耗總量大，具有最大的可挖掘潛力。汽輪機(jī)系統(tǒng)中主要的附加單耗來自于汽輪機(jī)氣缸，可以從提高各級(jí)組的相對(duì)內(nèi)效率來減小附加單耗。要降低鍋爐系統(tǒng)的附加單耗，要從提高管內(nèi)工質(zhì)溫度入手，并且注意溫度對(duì)口、梯級(jí)利用。

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