呂國(guó)強(qiáng), 王 華, 馬文會(huì), 陳 勇, 余春偉

(1.昆明理工大學(xué) 冶金節(jié)能減排教育部工程研究中心,昆明650093;2.昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院,昆明650093)

符號(hào)說明:

h—比焓,kJ/kg

s—比熵,kJ/(kg·K)

ηth—熱效率,%

ηex—效率,%

下腳標(biāo)

o—出口

i—進(jìn)口

0—寂態(tài)條件

ar—收到基

GW—高位發(fā)熱量

DW—低位發(fā)熱量

熱力學(xué)第一定律說明了能量在轉(zhuǎn)化和傳遞時(shí)的數(shù)量關(guān)系,熱力學(xué)第二定律進(jìn)一步解決了與熱現(xiàn)象有關(guān)過程進(jìn)行的方向、條件和限度問題,由此提出的分析方法為工業(yè)生產(chǎn)合理用能和有效用能提供了理論依據(jù).對(duì)電廠熱力系統(tǒng)的能量與進(jìn)行分析具有重要意義,利用分析方法評(píng)估和定量計(jì)算其中的能量有效利用及損失等情況,弄清造成損失的部位和原因,以便提出改進(jìn)措施,并預(yù)測(cè)改進(jìn)后的效果[1].因此,分析已成為研究火電廠熱力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化性能、量化能源有效利用率以及區(qū)分能源品質(zhì)的重要方法[2-4].對(duì)熱力系統(tǒng)中各單元的能量與進(jìn)行分析,可進(jìn)一步研究提高系統(tǒng)能量利用水平的技術(shù)措施以及優(yōu)化整個(gè)電廠的熱力系統(tǒng)[5].

1 電廠運(yùn)行參數(shù)

小龍?zhí)痘痣姀S為一坑口電廠,位于云南省開遠(yuǎn)市境內(nèi)小龍?zhí)兜貐^(qū),褐煤資源儲(chǔ)量豐富.現(xiàn)裝機(jī)容量為2×300MW,電廠使用的燃料來(lái)自小龍?zhí)睹旱V,燃煤的基本屬性及汽輪機(jī)額定負(fù)荷(TRL)工況下的運(yùn)行參數(shù)見表1和表2.鍋爐為亞臨界中間再熱、單鍋筒自然循環(huán)、循環(huán)流化床鍋爐,汽輪機(jī)為亞臨界一次中間再熱凝汽式汽輪機(jī)組,機(jī)組共設(shè)8級(jí)回?zé)岢槠?分別供3臺(tái)高壓加熱器、1臺(tái)除氧器和4臺(tái)低壓加熱器,見圖1.

2 分析方法

熱力學(xué)中將能量可逆地轉(zhuǎn)變到與環(huán)境平衡狀態(tài)過程中所做的最大功量稱為該能量的.對(duì)火電廠熱力系統(tǒng)進(jìn)行能量分析時(shí),能量在熱力系統(tǒng)各單元之間的轉(zhuǎn)換保持收支平衡,滿足能量守衡定律.但是,只是能量中的可用能部分,在實(shí)際的能量轉(zhuǎn)換過程中,的收支是不平衡的,一部分輸入將轉(zhuǎn)變成不可用能,出現(xiàn)損失,因?yàn)閾p失無(wú)法補(bǔ)償,所以損是火電廠能量轉(zhuǎn)換過程中的真正損失.通過對(duì)火電廠能量轉(zhuǎn)換過程中的進(jìn)行分析,可定量計(jì)算能量的有效利用及損失等情況,弄清造成損失的部位和原因,以便提出改進(jìn)措施,并預(yù)測(cè)改進(jìn)后的效果

表1 小龍?zhí)峨姀S的燃煤性質(zhì)Tab.1 Coal properties in Xiaolongtan Power Plant

表2 小龍?zhí)峨姀S的工作參數(shù)Tab.2 Working parameters in Xiaolongtan Power Plant

(1)系統(tǒng)中各輔助旁路對(duì)電廠整體熱力性能產(chǎn)生的影響忽略不計(jì);

(2)電廠補(bǔ)水率為零;

(3)忽略管道的熱損失;

(4)忽略燃料中所添加的石灰石對(duì)鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)生的影響.

圖1 電廠熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic of thermal system of the power plant

質(zhì)量守恒方程

能量守恒方程

循環(huán)的熱效率

式中:ηwork=0.95,為泵(凝結(jié)泵、給水泵)的工作效率[7].

3 結(jié)果與討論

表4給出了該電廠在TCR工況下的能量平衡情況.由表4可知:凝汽器散失到周圍環(huán)境中的熱量占輸入熱量的51.57%,鍋爐單元損失的熱量占輸入熱量的6.64%,汽輪機(jī)損失的熱量占輸入熱量的2.56%,其他占1.24%.整個(gè)循環(huán)的熱效率為37.99%.

表3 熱力系統(tǒng)各單元損和效率的計(jì)算方程[8-10]Tab.3 Calculation formulas for exergy loss and efficiency of each unit in thermal system

表3 熱力系統(tǒng)各單元損和效率的計(jì)算方程[8-10]Tab.3 Calculation formulas for exergy loss and efficiency of each unit in thermal system

images/BZ_88_1390_1411_1422_1443.png損效率images/BZ_88_1788_1411_1820_1443.png鍋爐 I·boiler=X·fuel+X·i-X·o ηboiler=(X·i-X·o)/X·fuel汽輪機(jī) I·turbine=X·i-X·o-W el ηturbine=1-I·turbine/(X·i-X·o)凝汽器 I·condenser=X·i-X·o ηcondenser=X·o/X·i加熱器 I·heater=X·i-X·o ηheater=1-I·heater/X·i泵 I·pump=X·i-X·o-W pump ηpump=1-I·pump/W pump總循環(huán) I·cycle=∑all I· ηcycle=W net/X·fuel

表4 TCR工況下電廠各單元能量平衡情況(T0=293.15 K,p0=80.18 k Pa)Tab.4 Energy balance of each unit in the power plant under rated working condition(T0=293.15 K,p 0=80.18 k Pa)

在環(huán)境溫度T0=293.15 K、壓力p0=80.18 kPa的條件下,TCR工況下圖1中各節(jié)點(diǎn)的熱力學(xué)參數(shù)見表5,該電廠各單元的損及效率見表6.由表6可知:在運(yùn)行周期中,與其他所有不可逆損失相比,鍋爐的損最大,占總損的64.78%,汽輪機(jī)的損占總損的18.55%,而凝汽器的損只占13%.根據(jù)熱力學(xué)第一定律分析,凝汽器中的熱量損失最多,因?yàn)樗牧思s51.57%輸入電廠的熱量,但分析表明,凝汽器中的損失卻很少.鍋爐中損失的熱量雖然不多,但由于其品位較高、具有較強(qiáng)的做功能力,因而鍋爐的損大.可見鍋爐是整個(gè)系統(tǒng)的主要不可逆性部件,而鍋爐中燃料燃燒反應(yīng)以及工質(zhì)和煙氣的大溫差傳熱是造成損的主要原因.整個(gè)動(dòng)力循環(huán)的效率為51.88%,說明通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì),提高整個(gè)系統(tǒng)效率仍有很大空間. 圖2給出了熱力系統(tǒng)中3個(gè)主要單元損隨環(huán)境溫度的變化情況.由圖2可知:隨著環(huán)境溫度的升高,鍋爐單元的損增大,汽輪機(jī)單元的損略有增大,而凝汽器單元的損減少,在278.15 K時(shí)凝汽器單元的損為56.85 MW,而在308.15 K時(shí)其損僅為25.02 MW.無(wú)論何種環(huán)境溫度下,鍋爐都是最大的損源.

表5 TCR工況下熱力系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的熱力學(xué)參數(shù)Tab.5 Thermodynamic parameters of each node in thermal system under rated working condition

表6 TCR工況下電廠各單元的 損及 效率Tab.6 Exergy loss and efficiency of each unit in the power plant under rated working condition

表6 TCR工況下電廠各單元的 損及 效率Tab.6 Exergy loss and efficiency of each unit in the power plant under rated working condition

images/BZ_90_334_352_367_384.png損/MW 相對(duì)百分比/%images/BZ_90_828_352_861_384.png效率/%鍋爐 188.12 64.78 67.79汽輪機(jī) 53.86 18.55 90.39凝汽器 37.76 13.00 3.04冷凝泵 1.27 0.44 27.67低壓加熱器4 0.81 0.28 80.88低壓加熱器3 0.86 0.29 88.52低壓加熱器2 0.36 0.12 96.50低壓加熱器1 0.86 0.29 94.94除氧器 1.24 0.43 96.48給水泵 1.28 0.44 83.14高壓加熱器3 1.52 0.52 97.61高壓加熱器2 1.39 0.48 98.40高壓加熱器1 1.07 0.37 98.98總動(dòng)力循環(huán) 290.39 100.00 51.88

圖2 三個(gè)主要單元損隨環(huán)境溫度的變化Fig.2 Variations of exergy loss of three major components with environmental temperature

圖3 三個(gè)主要單元效率隨環(huán)境溫度的變化Fig.3 Variations of exergy efficiency of three majorcomponents with environmental temperature

圖4 不同工況下一個(gè)動(dòng)力循環(huán)的熱效率和 效率Fig.4 Thermal and ex ergy efficiencies of a power cycle at different working conditions

4 結(jié) 論

(1)通過對(duì)小龍?zhí)痘鹆Πl(fā)電廠300 MW熱力系統(tǒng)的能量和分析表明:凝汽器是熱量損失的最大單元,輸入熱量的51.57%散失到周圍環(huán)境.鍋爐單元熱量損失為6.64%,汽輪機(jī)單元為2.56%,其他單元為1.24%.循環(huán)熱效率為37.99%.

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