楊志平，楊勇平

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)1 000 MW超超臨界燃煤火力發(fā)電機(jī)組容量、臺(tái)數(shù)不斷增加，從2006年華能玉環(huán)電廠第一臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)到2010年底，已投產(chǎn)1 000 MW火電機(jī)組臺(tái)數(shù)達(dá)到31臺(tái)[1]。隨著火電結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，“上大壓小”政策的繼續(xù)實(shí)施，1 000 MW超超臨界機(jī)組的發(fā)展速度將進(jìn)一步增大，因此，對(duì)1 000 MW超超臨界燃煤機(jī)組進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性能分析、評(píng)價(jià)，進(jìn)一步提高其運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性，具有重要的意義。

目前火力發(fā)電機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)方法仍然基于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律[2]，但仍以熱力學(xué)第一定律為主，以設(shè)備的熱效率和總體能耗率進(jìn)行評(píng)價(jià)，更多的關(guān)注主要設(shè)備和整個(gè)系統(tǒng)，而忽視過(guò)程能耗，熱力學(xué)第二定律長(zhǎng)期以來(lái)一直處于學(xué)術(shù)研究層面，尚未普遍使用，主要原因還是效率和損失比較抽象。

任何能量系統(tǒng)都會(huì)消耗一定數(shù)量的能源和原材料 (統(tǒng)稱(chēng)為“燃料”)，輸出一定數(shù)量的產(chǎn)品，都離不開(kāi)能量傳遞與轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，火力發(fā)電生產(chǎn)過(guò)程通過(guò)消耗化石燃料，生產(chǎn)電能產(chǎn)品，無(wú)論用能耗還是效率評(píng)價(jià)機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性能都很直觀，所以一般都采用機(jī)組熱效率或煤耗率進(jìn)行評(píng)價(jià)，而具體每一環(huán)節(jié)和過(guò)程的能量消耗關(guān)注很少，雖然能通過(guò)能流圖反映出各環(huán)節(jié)的能量損失，但會(huì)給人以誤導(dǎo)，通過(guò)方法繪制流圖雖然能夠科學(xué)反映各環(huán)節(jié)能量損失的大小部位，但長(zhǎng)期以來(lái)一直以產(chǎn)品能耗評(píng)價(jià)能量系統(tǒng)的性能，如火力發(fā)電廠用煤耗評(píng)價(jià)，由于損失理解抽象，尚未在生產(chǎn)實(shí)際中使用。

華北電力大學(xué)宋之平教授將熱力學(xué)第一定律與第二定律有機(jī)結(jié)合，提出單耗分析方法[3]，以產(chǎn)品能耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將能量總體能耗與過(guò)程能耗進(jìn)行了統(tǒng)一，既與現(xiàn)行能量生產(chǎn)過(guò)程性能評(píng)價(jià)目標(biāo)相一致，還能夠科學(xué)評(píng)價(jià)產(chǎn)品能耗在整個(gè)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)及過(guò)程的能耗分布。

1 火電機(jī)組的能耗及其空間分布評(píng)價(jià)模型

1.1 基于熱量法的火電機(jī)組能耗評(píng)價(jià)

火電機(jī)組消耗化石燃料，生產(chǎn)電能，通常采用發(fā)電煤耗率和供電煤耗率對(duì)整個(gè)機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，熱量法評(píng)價(jià)主要采用熱平衡思想，如下式所示:

式中:Bs，bs為發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗量，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，kg/h，g/kW·h;Ne為發(fā)電機(jī)功率，kW;ΔQb，ΔQp，ΔQc，ΔQm，ΔQg為鍋爐、管道、冷源、機(jī)械、發(fā)電機(jī)熱損失，kJ/h; ηb，ηp，ηi，ηm，ηg，ηcp為鍋爐、管道、汽輪機(jī)、機(jī)械、發(fā)電機(jī)、機(jī)組的熱效率;29 271.2為標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg。

由上式可見(jiàn)，機(jī)組的發(fā)電煤耗率與鍋爐熱效率、管道效率、汽輪機(jī)效率、機(jī)械效率和發(fā)電機(jī)效率有關(guān)，所以通常先確定設(shè)備熱效率，進(jìn)而求得機(jī)組的煤耗率。(4)式表明，如果火力發(fā)電機(jī)組各環(huán)節(jié)沒(méi)有能量損失，最低發(fā)電煤耗只有123 g/kW·h。

1.2 基于單耗分析的火電機(jī)組能耗評(píng)價(jià)

式中:F，P，ΔEj為燃料，產(chǎn)品，損;B，Pe為燃料量;ef，ep為燃料比，產(chǎn)品比;bmin，bj為理論單耗，設(shè)備附加能耗。

由上式可見(jiàn)，任何能量系統(tǒng)，其產(chǎn)品的能耗都包括兩部分:一是理論最低能耗;一是為生產(chǎn)此產(chǎn)品而需付出的設(shè)備的附加能耗[6]。

由 (7)式可見(jiàn)，通過(guò)熱力學(xué)第二定律分析可知，火電機(jī)組的發(fā)電煤耗主要由理論最低煤耗和各環(huán)節(jié)的附加煤耗構(gòu)成，在沒(méi)有任何損失的情況下，理論最低能耗是123 g/kW·h，這與熱力學(xué)第一定律分析相一致，各環(huán)節(jié)的附加煤耗主要通過(guò)其損的大小來(lái)計(jì)算。

2 1 000 MW超超臨界的能耗及其分布

2.1 1 000 MW超超臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)

本文選取東方電氣集團(tuán)設(shè)計(jì)的1 000 MW超超臨界機(jī)組為研究對(duì)象，汽輪機(jī)回?zé)峒?jí)數(shù)8級(jí)，給水泵采用小汽輪機(jī)拖動(dòng)，給水泵效率83%，給水泵汽輪機(jī)效率81%，再熱系統(tǒng)壓降10%，一、二、三段抽汽壓損3%，其它各段抽汽壓損5%，循環(huán)水入口水溫22℃，汽輪機(jī)背壓5.75 kPa，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，加熱器端差如表2所示。

表1 1 000 MW機(jī)組設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)Tab．1 Design data of 1 000 MW power generating unit

表2 1 000 MW機(jī)組加熱器設(shè)計(jì)端差Tab.2 Heater's design TTD of 1 000 MW unit

2.2 1 000 MW超超臨界機(jī)組發(fā)電煤耗及其分布

火力發(fā)電過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)一般分為鍋爐內(nèi)的換熱過(guò)程、管道中的流動(dòng)過(guò)程、汽輪機(jī)系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程、機(jī)械傳輸過(guò)程及發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程5個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)上述公式，求得1 000 MW超超臨界機(jī)組在不同工況下各環(huán)節(jié)的發(fā)電煤耗及其分布如表3、表4所示。

表3 1 000 MW機(jī)組基于熱量法的發(fā)電煤耗及其分布Tab.3 Coal consumption and distribution based on the first law of thermodynamics of 1 000 MW unit

表4 1 000 MW機(jī)組基于單耗分析法的發(fā)電煤耗及其分布Tab.4 Coal consumption and distribution based on the Specific Consumption Theory of 1 000 MW unit

2.3 兩種評(píng)價(jià)結(jié)果的比較分析

對(duì)于凝汽式燃煤機(jī)組，產(chǎn)品只有電能，輸入燃料是煤炭，發(fā)電煤耗就是輸入燃料與輸出產(chǎn)品的比值，從表3、表4的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，如果整個(gè)過(guò)程沒(méi)有能量損失，火力發(fā)電機(jī)組的煤耗率只有123 g/kW·h，這也是火力發(fā)電追求的理想目標(biāo)，但是實(shí)際能量傳遞與轉(zhuǎn)換過(guò)程都有損失，因而會(huì)產(chǎn)生附加能耗，能量損失越多，附加能耗越大，總體能耗也越大，因此對(duì)于任何能量系統(tǒng)，最終目的就是減少各個(gè)環(huán)節(jié)、各個(gè)設(shè)備的能量損失。表3中的鍋爐附加煤耗主要反映了鍋爐熱損失引起的煤耗增加量，如果用表4中的鍋爐附加煤耗與表3中的鍋爐附加煤耗相減，就得到鍋爐燃燒過(guò)程與傳熱過(guò)程的附加煤耗，如表5所示?？梢?jiàn)從設(shè)計(jì)層面一方面繼續(xù)提高鍋爐熱效率，另一方面通過(guò)減少燃燒過(guò)程和傳熱過(guò)程的不可逆損失，進(jìn)一步降低鍋爐附加煤耗，表6所示為1 000 MW機(jī)組鍋爐熱效率提高1%，鍋爐附加煤耗或機(jī)組發(fā)電煤耗的下降值。

表5 1 000 MW機(jī)組鍋爐燃燒過(guò)程與傳熱過(guò)程的附加煤耗Tab.5 The additional coal consumption in combustion and heat transfer process of 1 000 MW unit

表6 1 000 MW機(jī)組鍋爐熱效率增加1%，鍋爐附加煤耗下降值Tab.6 1%increase in boiler thermal efficiency，boiler additional coal consumption decreased value of 1 000 MW unit

表7 1 000 MW機(jī)組的能耗分布比例Tab.7 The proportion of coal consumption distribution of 1 000 MW unit

圖1 能耗隨負(fù)荷變化的熱量法評(píng)價(jià)Fig.1 the energy consumption changes with load based on the first law of thermodynamics

圖2 能耗隨負(fù)荷變化的單耗分析法評(píng)價(jià)Fig.2 the energy consumption changes with load based on the Specific Consumption Theory

3 結(jié)論

本文以1 000 MW燃煤機(jī)組為研究對(duì)象，用熱量法和單耗分析法對(duì)機(jī)組主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行能耗分析，對(duì)于發(fā)電煤耗指標(biāo)二者計(jì)算一致，但是鍋爐、汽輪機(jī)系統(tǒng)的附加能耗結(jié)論幾乎相反。但沒(méi)有對(duì)錯(cuò)之分，只是研究角度不同，熱量法從能量數(shù)量角度研究反映的只是現(xiàn)象，而單耗分析法基于熱力學(xué)第二定律，從作功能力角度分析的傳遞與轉(zhuǎn)換過(guò)程，對(duì)于設(shè)備及過(guò)程附加能耗的評(píng)價(jià)更科學(xué)，使我們更清楚1 000 MW火電機(jī)組產(chǎn)生1 kW·h電能在各個(gè)環(huán)節(jié)的能量消耗。

[1]劉振亞．中國(guó)電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告[R]．北京:中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)，2011．

[2]鄭體寬．熱力發(fā)電[M]．北京:中國(guó)電力出版社，2007．

[3]宋之平．節(jié)能的理論與技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2007．