李慧君，吳凱檳，杜 威，房林鐵，關(guān)秀紅，高麗莎，楊繼明

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

0 引言

國內(nèi)外對低溫余熱的利用研究主要開始于20世紀(jì)70年代石油危機(jī)時(shí)期［1］。低溫余熱種類繁多、數(shù)量巨大，充分利用這些能源，可以達(dá)到緩解能源危機(jī)，減少余熱熱污染的目的［2］。

以水為工質(zhì)的火電廠的余熱主要包括鍋爐余熱與冷源余熱。大型火電廠的效率一般是在42%左右，核電不及35%，50%［3］以上的熱量被釋放到環(huán)境中 (空冷或水冷)。由于大量的余熱未得到利用，火電廠的效率提高遇到瓶頸。如何利用這些余熱，使火電廠的發(fā)電熱效率提高，成為目前亟待解決的問題。為了利用這些余熱，就要從目前的火電廠發(fā)電模型入手，優(yōu)化當(dāng)前的發(fā)電模型，以提高火電廠的發(fā)電熱效率。本文主要從改進(jìn)火電廠發(fā)電模型，利用有機(jī)工質(zhì)熱力特性降低冷源損失，來提高發(fā)電熱效率。本文所提出的方法與燃?xì)猓羝啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)類似，但又有不同之處。目前國內(nèi)外資料尚未有介紹這樣的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。

1 水蒸汽循環(huán)發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)和局限性

現(xiàn)代大型火電廠的輸出功率較大，所需工質(zhì)量較大，而水蒸汽是一種相對廉價(jià)的工質(zhì)，自然界中大量存在，容易得到，無毒無害。而且水具有沸點(diǎn)高，汽化潛熱大，流動(dòng)性好，熱穩(wěn)定性很強(qiáng)等熱力特性［4］。這樣水就很自然的成為火電廠運(yùn)行中的理想工質(zhì)。在火電廠中做完功的工質(zhì)還是汽態(tài) (有一定的濕度)，密度小，體積非常大，為了保持循環(huán)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，必須轉(zhuǎn)化成液態(tài)后再加熱升壓。在汽態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)的過程中，釋放出大量的汽化潛熱，這部分未得到利用的熱量約占到機(jī)組熱耗的50%以上，水的這一特性［5］限制了火電廠效率的提升。

2 有機(jī)工質(zhì)循環(huán)發(fā)電的特性

有機(jī)工質(zhì)循環(huán)的研究工作正在大力進(jìn)行［6］，它是利用低溫?zé)嵩吹臒崃枯敵鰴C(jī)械能或電能的理想方式，可以利用的熱源種類包括:太陽能、海洋能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芤约肮S余熱等［7］。與水蒸汽動(dòng)力循環(huán)原理相似，不同的是該循環(huán)使用的工質(zhì)是有機(jī)物。相對于水工質(zhì)，有機(jī)工質(zhì)的蒸發(fā)溫度較低，汽化潛熱較小。循環(huán)工質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)決定了有機(jī)工質(zhì)循環(huán)的熱經(jīng)濟(jì)性，因此要根據(jù)有機(jī)工質(zhì)的熱力學(xué)、物理化學(xué)特性及安全性能綜合考慮，選擇合適的做功工質(zhì)。

現(xiàn)在的火電廠中的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)基于水蒸汽朗肯循環(huán)的再熱循環(huán)和回?zé)岢槠?，工質(zhì)為水，主要設(shè)備由鍋爐、汽輪機(jī)、凝汽器、加熱器和給水泵等組成，工質(zhì)在能量轉(zhuǎn)換過程中，進(jìn)行定壓吸熱、絕熱膨脹、定溫放熱和絕熱壓縮4個(gè)過程，完成能量轉(zhuǎn)換。而有機(jī)工質(zhì)循環(huán)則可由蒸發(fā)器獲取做了一部分功的具有一定熱力學(xué)參數(shù)的熱量。有機(jī)工質(zhì)與水蒸汽相比，主要優(yōu)點(diǎn)在于:在相同的熱力學(xué)參數(shù)下，有機(jī)工質(zhì)的汽化潛熱遠(yuǎn)小于水蒸汽，更能充分利用低品位熱量，可以使汽輪機(jī)冷源損失減少。

相比水工質(zhì)，有機(jī)工質(zhì)的優(yōu)勢如下［8］:

(1)有機(jī)工質(zhì)的蒸發(fā)潛熱比水小很多，因此在汽輪機(jī)低壓缸排汽溫度和壓力相同的條件下，與水循環(huán)相比，有機(jī)工質(zhì)循環(huán)排汽焓降低，余熱的排放量減少，冷源系統(tǒng)縮小。

(2)有機(jī)工質(zhì)沸點(diǎn)較低，給予較低品位的能量，就可以沸騰變?yōu)樽龉φ羝?/p>

(3)有機(jī)工質(zhì)凝固點(diǎn)較低，可以在較低溫度下釋放出能量。在寒冷天氣可增加出力，冷凝器也不需要增加防凍設(shè)施。

(4)由于有機(jī)工質(zhì)本身的熱力特性，系統(tǒng)的工作壓力低，對設(shè)備的性能要求低。

(5)有機(jī)工質(zhì)基本都是等熵工質(zhì)或干流體，不會(huì)有液滴在高速情況下對透平機(jī)械的葉片造成沖擊損害，也不會(huì)腐蝕透平機(jī)械。

有機(jī)工質(zhì)循環(huán)的局限性在于:有機(jī)工質(zhì)由于本身的熱力學(xué)特性，基本只適合中低溫?zé)嵩窗l(fā)電;成本較水工質(zhì)高;由于焓差變化比水小，發(fā)同樣的電，所需工質(zhì)量比水多;目前還沒有實(shí)現(xiàn)大型化的有機(jī)循環(huán)電廠。

本文所討論的有機(jī)工質(zhì)循環(huán)擬選甲苯，該工質(zhì)的熱力特性參數(shù)如表1所示。

表1 甲苯的熱力特性Tab.1 Thermal properties of Toluene

3 新聯(lián)合循環(huán)發(fā)電模型的建立

通過對水蒸汽和有機(jī)工質(zhì)的特性比較分析，把二者結(jié)合起來。以NZK660－24.2/566/566機(jī)組為例，設(shè)鍋爐保持原負(fù)荷，高中壓缸和低壓缸1參數(shù)，№1～7號加熱器參數(shù)和原參數(shù)一致，將原機(jī)組的低壓缸1排汽引入余熱換熱器，通過該余熱換熱器使水蒸汽凝結(jié)放熱，液態(tài)的水送入鍋爐吸熱，水蒸汽放出的熱量加熱具有一定熱力學(xué)參數(shù)的液態(tài)有機(jī)工質(zhì)，使有機(jī)工質(zhì)成為過熱汽進(jìn)入低壓缸2做功。改造后蒸汽－有機(jī)工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電模型如圖1所示。將整機(jī)模型分為兩個(gè)模塊，水蒸汽循環(huán)單元和有機(jī)工質(zhì)循環(huán)單元。

圖1 660 MW超臨界蒸汽－有機(jī)工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)Fig.1 Thermal system of steam－organic fluid combined cycle of a 660 MW supercritical unit

3.1 水蒸汽循環(huán)單元

水工質(zhì)在熱力循環(huán)過程中的工作過程為

(1)給水進(jìn)入鍋爐，經(jīng)過加熱以后，由液態(tài)變?yōu)檫^熱蒸汽，進(jìn)入高壓缸做功;

(2)高壓缸排汽經(jīng)過鍋爐再熱后，進(jìn)入中壓缸做功，在中壓缸做功以后，排汽進(jìn)入低壓缸1做功，低壓缸1排汽進(jìn)入余熱換熱器，與有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行換熱，換熱后，蒸汽釋放出汽化潛熱，變?yōu)橐后w，經(jīng)過回?zé)嵯到y(tǒng)升溫并由給水泵升壓后，進(jìn)入鍋爐，完成水蒸汽循環(huán)。

3.2 有機(jī)工質(zhì)循環(huán)單元

有機(jī)工質(zhì)在余熱換熱器中，與水蒸汽進(jìn)行熱交換，由液態(tài)變?yōu)檫^熱汽，然后進(jìn)入加入的低壓缸2做功，在低壓缸2做功后進(jìn)入凝汽器，由循環(huán)冷卻水將熱量帶走，有機(jī)工質(zhì)由汽態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。此時(shí)，經(jīng)由升壓泵升壓后，進(jìn)入余熱換熱器，完成了有機(jī)工質(zhì)循環(huán)。

改造前與改造后設(shè)備比較，如表2所示。

表2 兩模型設(shè)備比較Tab.2 Equipment comparison of two models

在新循環(huán)中，加入了余熱換熱器、低壓缸2、升壓泵，冷源系統(tǒng)變小。其余設(shè)備不發(fā)生變化，參數(shù)亦不發(fā)生變化。在目前的條件下，該模型可以實(shí)現(xiàn)。

4 熱經(jīng)濟(jì)性比較

4.1 新舊模型熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算

由于系統(tǒng)發(fā)生了改變 (圖1所示)，所以該機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)［9，10］發(fā)生變化，下面選取 THA，75%THA，50%THA三個(gè)設(shè)計(jì)工況(詳細(xì)數(shù)據(jù))進(jìn)行計(jì)算(設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)維持廠用電量不發(fā)生變化)［11］。

4.1.1 原模型的高中低壓缸做功計(jì)算

高中壓缸和低壓缸1做功WII

式中:W 為功，kW;下角標(biāo):II、JQ、ZF、CQ、PQ 分別為汽缸、總進(jìn)汽、軸封漏汽、抽汽和排汽。

式(1)中的各功量計(jì)算如下

式中:G 為流量，t/h;h 為焓，kJ/kg;下角標(biāo) 0、i、j、c分別新汽進(jìn)汽點(diǎn)、軸封漏汽點(diǎn)、加熱器抽汽點(diǎn)和排汽點(diǎn)。

機(jī)組熱耗率qcp在參考文獻(xiàn)［11］中已經(jīng)給出，所以機(jī)組熱效率

機(jī)組熱耗

機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)煤耗

式中:η為熱效率，%;P為發(fā)電量，kW;B為鍋爐熱量，kW;b為煤耗，［g(kW·h)－1］;下角標(biāo) cp、e、q1分別代表機(jī)組的、電的、低位發(fā)熱量。

4.1.2 新模型下的計(jì)算

新模型下，全廠熱耗B'q1與原機(jī)組相同，高中缸和低壓缸1做功量不變。

確定余熱換熱器參數(shù):設(shè)定低壓缸2排汽壓力為6.2 kPa，則溫度為35℃。排汽在凝汽器中凝結(jié)以后，流經(jīng)升壓泵升高壓力至0.012 MPa。進(jìn)入余熱換熱器與水蒸汽進(jìn)行換熱，換熱以后，有機(jī)工質(zhì)出口溫度為52℃左右，水蒸汽的進(jìn)口溫度為55.3℃，出口溫度為55.3℃左右。

低壓缸2做功

新模型總做功

有機(jī)工質(zhì)流量

新模型機(jī)組效率

新模型熱耗率

新模型標(biāo)煤耗

式中:W為功，kW;G為流量，t/h;h為焓，kJ/kg;η為熱效率，%;B'為鍋爐熱量，kW;q為熱耗率，kJ/(kW·h);b'為煤耗，［g(kw·h)－1］;下角標(biāo) D2、yj、dj、dp*、X、II、dp、hrp、yjj、cp'、q1 分別代表低壓缸2、有機(jī)工質(zhì)、低壓缸2排汽、新模型、汽缸、低壓缸1排汽、低壓缸1換熱后的排汽、經(jīng)升壓泵升壓后的有機(jī)工質(zhì)、新機(jī)組的、低位發(fā)熱量。

由于是對液體進(jìn)行升壓，升壓泵的耗功很小，可以忽略不計(jì)。

4.2 新舊模型熱經(jīng)濟(jì)性比較

通過對改造前、后，機(jī)組熱力循環(huán)的熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算及比較，結(jié)果如表3所示。

表3 原機(jī)組和蒸汽-有機(jī)工質(zhì)循環(huán)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)以及兩模型經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化量Tab.3 Thermal economic indicators of original unit，steam－organic fluid combined cycle unit and two models'variation of thermal economic indicators

由表中數(shù)據(jù)知:對于計(jì)算所用到的三種設(shè)計(jì)工況，在維持機(jī)組熱耗不變的情況下:

(1)與原機(jī)組相比，新模型的發(fā)電效率提高熱耗、煤耗降低。

(2)不同工況節(jié)能程度不同。50%THA的工況節(jié)能程度最大，THA的工況下最小，75%THA工況居中;這是因?yàn)?，改造前機(jī)組THA工況的整機(jī)效率已經(jīng)較高且煤耗率較低，所以改造后熱效率的提升及煤耗率的下降較偏離THA工況的小，即機(jī)組工況偏離(變小)THA工況的程度越大，改造后機(jī)組節(jié)能幅度越大。

(3)有機(jī)工質(zhì)流量THA工況最大，50%THA工況最小，75%THA工況居中;有機(jī)工質(zhì)的流量隨著發(fā)電量的增加而增加。

5 結(jié)論

(1)蒸汽－有機(jī)工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電模式是目前火電廠熱力循環(huán)優(yōu)化的一種方式。

(2)該模型利用了水蒸汽中所含的汽化潛熱大和有機(jī)工質(zhì)汽化潛熱小的特點(diǎn)，以達(dá)到余熱的利用。

(3)由于余熱排放減少，凝汽器設(shè)備可以相應(yīng)變小，減少了冷源的投資。

(4)在相同機(jī)組熱耗的情況下，發(fā)電效率提高，熱耗、煤耗下降。

(5)新模型加入了余熱換熱器、低壓缸2、升壓泵、有機(jī)工質(zhì)，會(huì)增加一定的投資。

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