夾點(diǎn)技術(shù)在火電機(jī)組節(jié)能中的應(yīng)用

冉寧，馬永光

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003)

夾點(diǎn)技術(shù)在火電機(jī)組節(jié)能中的應(yīng)用

冉寧，馬永光

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003)

以某250 MW燃油火電機(jī)組熱力系統(tǒng)為出發(fā)點(diǎn)，對現(xiàn)行的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，利用問題表法計(jì)算出換熱系統(tǒng)的夾點(diǎn)和各換熱器中的傳熱溫差.通過改變冷熱流的質(zhì)量流量達(dá)到優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)、消除傳熱溫差散亂分布和節(jié)省公用工程的目的.計(jì)算結(jié)果表明：換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后，電廠效率提高，油耗明顯降低.

夾點(diǎn)技術(shù)；換熱網(wǎng)絡(luò)；問題表法；火電

節(jié)能工作的發(fā)展經(jīng)歷了這樣幾個(gè)過程：第1階段重點(diǎn)是單個(gè)的余熱流的余熱回收；第2階段重點(diǎn)是單個(gè)設(shè)備的節(jié)能；第3階段重點(diǎn)考慮過程系統(tǒng)節(jié)能.20世紀(jì)80年代以來，隨著過程系統(tǒng)工程學(xué)的發(fā)展，人們認(rèn)識到要把一個(gè)過程工業(yè)工廠設(shè)計(jì)的整體最優(yōu)化，即最小能耗、最少費(fèi)用、最少污染，就必須把整個(gè)系統(tǒng)結(jié)合起來作為一個(gè)有機(jī)整體來看待.因此對于過程系統(tǒng)節(jié)能時(shí)代，過程集成成為焦點(diǎn).過程集成方法中目前最實(shí)用的是夾點(diǎn)技術(shù)[1].夾點(diǎn)技術(shù)已成功地在世界范圍取得了顯著的節(jié)能效果，如赫斯特、拜耳、ICI等都早已采用夾點(diǎn)技術(shù)，有名的大工程設(shè)計(jì)公司如凱洛格、魯姆斯、東洋等都設(shè)立了夾點(diǎn)技術(shù)組.現(xiàn)在國際上一些大公司在投標(biāo)時(shí)，先進(jìn)行夾點(diǎn)技術(shù)分析已成為必要條件[2].

在過程工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，始終伴隨著能量的交換，例如在一個(gè)換熱器中，冷熱流之間進(jìn)行熱交換：熱流需要冷卻，冷流需要加熱.冷卻不足的部分就必須消耗冷卻公用工程所提供的冷量，加熱不足的部分就必須消耗加熱公用工程提供的熱量.在燃油火電廠中，首先分析現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)[3-4]，確定冷熱流，計(jì)算冷熱公用工程耗量，然后對換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化集成，提高換熱網(wǎng)絡(luò)熱回收率，減少加熱公用工程量和冷卻公用工程量，從而提高熱循環(huán)效率.

應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)對某燃油火電機(jī)組換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化集成的實(shí)例研究.計(jì)算結(jié)果表明:優(yōu)化后的火電廠效率提高，油耗降低.該方法原理簡單，效果明顯，但是計(jì)算量相對增加.

1 夾點(diǎn)技術(shù)簡介

1.1夾點(diǎn)的形成

過程工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中存在多股冷熱流，過程綜合就是要設(shè)計(jì)出能使冷熱流充分換熱以盡可能回收熱量，同時(shí)滿足投資費(fèi)用、可操作性等方面的約束條件的過程系統(tǒng).

冷熱流間的換熱量與公用工程耗量的關(guān)系可用溫-焓圖(t-H圖)表示.溫-焓圖的縱軸為溫度t，橫軸為焓.2點(diǎn)之間對應(yīng)橫坐標(biāo)的距離表示物流的熱量(即焓差ΔH)，因此物流線進(jìn)行平移時(shí)，對物流的熱量和溫位沒有影響.當(dāng)有多股熱、冷流進(jìn)行換熱時(shí)，所有的熱、冷流復(fù)合曲線可以同時(shí)在溫-焓圖上表示，如圖1所示.

圖1 冷熱復(fù)合溫-焓曲線

2條曲線在H軸上的投影重疊部分即為冷熱流間的換熱量QR，未重疊部分即為冷、熱公用工程耗量QC,QH.當(dāng)2條曲線在水平方向上平移靠近時(shí)，熱回收量增大，冷、熱公用工程耗量減小.當(dāng)曲線靠近至某一點(diǎn)達(dá)到最小允許傳熱溫差Δtmin時(shí)，熱回收量達(dá)到最大QR,max，冷、熱公用工程耗量達(dá)到最小QC,min,QH,min，此時(shí)2曲線縱坐標(biāo)最接近的位置叫做夾點(diǎn).

1.2問題表法

當(dāng)物流較多時(shí)，采用復(fù)合溫-焓圖很繁瑣，且不夠準(zhǔn)確，此時(shí)常用問題表法[5]來精確計(jì)算.問題表法的步驟如下:

1)以冷熱流的平均溫度為標(biāo)尺，劃分溫度區(qū)間.冷熱流的平均溫度相對熱流，下降1/2個(gè)夾點(diǎn)溫差Δtmin/2；相對冷物流，上升1/2個(gè)夾點(diǎn)溫差Δtmin/2.這樣可以保證在每個(gè)溫區(qū)內(nèi)熱流比冷物流高Δtmin，滿足了傳熱的需要.

2)計(jì)算每個(gè)溫區(qū)內(nèi)的熱平衡，以確定各溫區(qū)所需的加熱量和冷卻量，計(jì)算式為

ΔHi=(∑CPc-∑CPH)(ti-ti+1),

(1)

式中，ΔHi為第i區(qū)間所需外加熱量，單位為kW；∑CPC，∑CPH分別為該溫區(qū)內(nèi)冷、熱流熱容流率之和，單位為kW/℃；ti，ti+1分別為該溫區(qū)的進(jìn)、出口溫度，單位為℃.

3)進(jìn)行熱級聯(lián)計(jì)算.第1步，計(jì)算外界無熱量輸入時(shí)各溫區(qū)之間的熱通量.第2步，為保證各溫區(qū)之間的熱通量≥0，根據(jù)第1步計(jì)算結(jié)果，取絕對值最大的為負(fù)的熱通量的絕對值為所需外界加入的最小熱量，即為最小加熱公用工程耗量，由第1個(gè)溫區(qū)輸入；然后計(jì)算外界輸入最小加熱公用工程耗量時(shí)各溫區(qū)之間的熱通量；而由最后一個(gè)溫區(qū)流出的熱量，就是最小冷卻公用工程耗量.

4)溫區(qū)之間的熱通量為零處，即為夾點(diǎn).

2 夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用

2.1系統(tǒng)簡介

某250 MW燃油火電機(jī)組熱力系統(tǒng)如圖2所示.機(jī)組部分技術(shù)數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)見表1.

圖2 250 MW機(jī)組原則性熱力系統(tǒng)示意

表1 機(jī)組部分技術(shù)數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)

由表1可以計(jì)算得到鍋爐熱負(fù)荷為595.489 MW.

2.2初始換熱網(wǎng)絡(luò)的分析

首先對機(jī)組熱力系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定換熱網(wǎng)絡(luò)的冷熱流.汽輪機(jī)各級抽汽在加熱器中用于給水的加熱，汽輪機(jī)低壓缸排汽在凝汽器中放熱，因此將汽輪機(jī)各級抽汽和低壓缸排汽作為換熱網(wǎng)絡(luò)的熱流；汽輪機(jī)高壓缸排汽在加熱器中重新加熱，加熱器中的給水最終被加熱為過熱蒸氣，因此將高壓缸排汽和給水作為換熱網(wǎng)絡(luò)的冷物流.

冷熱流的物理特性通常包含物流的供應(yīng)溫度tsup和目標(biāo)溫度ttar，此外還需要確定質(zhì)量流量m和熱容流率CP.熱容流率由式(2)計(jì)算.

CP=m·Cp,

(2)

式中Cp為物流定壓比熱容.物流在不同液相下的定壓比熱容不同，熱容流率也不同.不同液相下物流由tsup加熱到ttar所需的熱量Q由式(3)計(jì)算.

Q=m·CP·Δt.

(3)

換熱網(wǎng)絡(luò)冷熱物流在不同液相下信息見表2，3[6].

表2 初始狀態(tài)不同液相下冷物流信息

表3 初始狀態(tài)不同液相下熱流信息

續(xù)表3

冷卻公用工程由冷凝器外部冷卻水提供，加熱公用工程由鍋爐燃燒提供.取冷熱流最小溫差(夾點(diǎn)溫差)Δtmin=3.7 ℃，此時(shí)加熱公用工程耗量為鍋爐熱負(fù)荷，即QH=595.489 MW.通過表2,3中數(shù)據(jù)，應(yīng)用問題表法計(jì)算出夾點(diǎn)溫度和冷卻公用工程耗量，計(jì)算結(jié)果見表4.換熱系統(tǒng)的冷熱復(fù)合溫-焓圖見圖3.

表4 初始狀態(tài)下計(jì)算結(jié)果

圖3 初始換熱網(wǎng)絡(luò)冷熱復(fù)合溫-焓

根據(jù)圖3可得各加熱器冷熱流的最小傳熱溫差，見表5.表中tC,tH和Δtmin分別代表冷流溫度、熱流溫度和冷熱流溫差.

2.3換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化

從表5中可以看出，系統(tǒng)允許的最低傳熱溫差(Δtmin=3.7 ℃)位于6號低壓加熱器熱流冷凝階段.在其他加熱器熱流冷凝階段，傳熱溫差逐漸增大至15.9 ℃.消除系統(tǒng)傳熱溫差的散亂分布是優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)、降低油耗的第1步[7].在冷凝階段，所有點(diǎn)的壓力和溫度已經(jīng)固定，為了使傳熱溫差接近夾點(diǎn)溫差(Δtmin=3.7 ℃)，改變一定量加熱器抽汽的質(zhì)量流量，可以使冷熱流的溫差達(dá)到最小.因此在2個(gè)連續(xù)的夾點(diǎn)之間應(yīng)用式(4)，可以改變冷熱流之間的熱平衡.

(4)

式中下標(biāo)i和j分別表示連續(xù)2夾點(diǎn)之間熱流和冷物流的數(shù)量.本文中的250 MW機(jī)組包含6股抽汽，在疏水飽和溫度和相應(yīng)的壓力下有7個(gè)連續(xù)的夾點(diǎn).在7個(gè)連續(xù)夾點(diǎn)之間應(yīng)用式(4)能夠得到6個(gè)方程共包含7個(gè)未知量(6股疏水質(zhì)量流量和給水流量).機(jī)組的輸出功率應(yīng)等于設(shè)定功率(250 MW)，汽輪機(jī)輸出功率由流經(jīng)汽輪機(jī)的蒸氣流量決定，通過汽輪機(jī)的能量平衡方程：汽輪機(jī)總輸出負(fù)載等于設(shè)定的功率，計(jì)算出給水流量.該方程作為第7個(gè)方程.所有方程均為線性方程，因此結(jié)果容易計(jì)算.表6列出了優(yōu)化后的質(zhì)量流量，作為對比，同時(shí)列出了初始狀態(tài)下的質(zhì)量流量.

表5 各加熱器冷熱流最小傳熱溫差

表6 初始和優(yōu)化后的疏水流量和給水流量

將表6中優(yōu)化后的質(zhì)量流量替換表2,3中相應(yīng)的質(zhì)量流量，應(yīng)用問題表法計(jì)算出夾點(diǎn)溫度和冷、熱公用工程耗量，結(jié)果見表7，換熱系統(tǒng)的冷熱復(fù)合溫-焓圖見圖4.

表7 優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果

圖4 優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)冷熱復(fù)合溫-焓

根據(jù)圖4可得各加熱器冷熱流最小傳熱溫差，見表8.

表8 各加熱器冷熱流最小傳熱溫差

對比表5和表8、圖3和圖4可以看出，優(yōu)化后的系統(tǒng)傳熱溫差的散亂分布情況已經(jīng)基本改善，因此熱回收量增大，冷、熱公用工程耗量減小，從而提高熱循環(huán)效率.

電廠效率η通過式(5)計(jì)算得到.換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前后油耗與電廠效率對比見表9.表中Wnet,Qin分別為發(fā)電量、能量消耗總量.

(5)

表9 優(yōu)化前后電廠油耗速率和效率

3 結(jié)論

計(jì)算結(jié)果表明，利用夾點(diǎn)技術(shù)優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)后，電廠效率提高，油耗降低.蒸汽的熱負(fù)荷降低，進(jìn)入汽輪機(jī)低壓缸蒸汽流量減少，可以有效降低汽輪機(jī)葉片的腐蝕.此外油耗的降低可以使電廠采用更小的爐膛從而降低投入，減少環(huán)境污染.

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Applicationofpinchtechnologyinenergysavingofthermalpowerplant

RANNing,MAYongguang

(School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power

University, Baoding 071003, China)

Taking 250 MW thermal power generating unit as an example, the present heat exchanger network (HEN) was analyzed, and the pinch point of the HEN and temperature difference of each heat exchanger was figured out by means of program table algorithm. In order to optimize the HEN, the uncoordinated distribution of the temperature difference was removed and utilities was saved through changed the mass flow of cold and hot stream. The result showed that this technology made an increase of total efficiency as well as decrease of the use of fuel.

pinch technology; heat exchanger network; program table algorithm; thermal power plant

10.3969/j.issn.1000-1565.2013.04.017

2012-06-12

華北電力大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(12ZX18)

冉寧(1987-)，男，河北承德人，華北電力大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事電力企業(yè)節(jié)能優(yōu)化技術(shù)的研究.

E-mail:rn51482318@126.com

TK018

A

1000-1565(2013)04-0429-08

(責(zé)任編輯梁俊紅)