段立強，潘 翔，楊勇平

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206)

0 引言

我國當前電力部門技術發(fā)展現(xiàn)狀和以煤為主的能源結構，決定了在今后相當長的時間內以火力發(fā)電機組為主要電力能源。自電力體制改革以來，電力工業(yè)取得了長足進步，全國發(fā)電裝機容量和發(fā)電量連續(xù)16年位居世界第二。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截止到2009年底，我國燃煤火電裝機總容量約6.5億kW，到2020年將達到10.7億kW[1]，增加 4.2 億 kW。

為了實現(xiàn)工業(yè)與環(huán)境和諧發(fā)展，高效率，低污染的超臨界機組和超超臨界機組在世界范圍內逐步成為主力機型。預計到2020年，在役超臨界機組將占火電機組總容量的30%，2050年將占50%[2]。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截止到2009年底，我國火電機組裝機容量300 MW以上的大型火電機組。裝機容量超過4億kW，占火電裝機總容量的比例超過63%[3]。

大型燃煤機組具有高參數(shù)、大容量、設備空間尺度大、設備耦合性強的特點，相對于傳統(tǒng)中小機組運行參數(shù)和受熱面布置結構具有較大差別[4]。如何降低大型燃煤機組能耗，首先要確定機組能耗的分布狀況，分析機組節(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)電機組能耗分布狀況，對改進系統(tǒng)，降低能耗，指導整個系統(tǒng)的設計，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組計算模型建立

單耗分析理論于20世紀90年代由華北電力大學宋之平教授提出，建立于分析方法基礎上，用產品的單耗來表明生產過程能耗的高低。任何過程都消耗 “燃料”生產 “產品”，所謂“單耗”指產品單耗，由理論最低單耗與設備附加單耗構成[7]。對于凝汽式燃煤機組與煤耗相對應，該理論以熱力學第二定律為基礎，揭示了單耗高低的本質所在。

不論是物質生產或是能量轉換過程，系統(tǒng)中任何設備的運行都是有代價的，都需要消耗一定燃料，從而造成附加單耗。設備的附加單耗是該設備不可逆損失的度量，節(jié)能的一個重要方面就是要降低附加單耗。系統(tǒng)各個設備的附加單耗不僅因時間而異，也根據(jù)設備狀況不同而改變。這就是附加單耗時空分布問題，反映了設備縱向或橫向附加單耗的比較。單耗分析法以科學而直觀的方式展示燃料單耗構成、分布和變化的規(guī)律以及影響因素，以便對改善設計、優(yōu)化運行、促進管理科學化、從而為實現(xiàn)節(jié)約資源、降低成本目標提出指導性的依據(jù)[8]。單耗比熱效率指標更直接更科學，在各產業(yè)部門都能夠作為評價標準廣泛使用。對凝汽式火電機組而言，燃料為化石燃料，產品為電能，單耗即為發(fā)電標準煤耗。單耗的理論公式為

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

對于燃煤火電機組熱力系統(tǒng)而言，其產品的單耗一般包括兩部分:一部分是理論最低單耗bmin;另一部分是為生產電能而需付出的設備的附加單耗 bI，是設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分別為單位產品和投入單位燃料所含值，任何火電機組的理論最低單耗是一個定值。

1.2 機組參數(shù)

本文基于貴港電廠一期工程2×600 MW超臨界機組進行單耗分析，鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風、Π型露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結構。鍋爐燃用貴州煙煤。爐后尾部布置兩臺三分倉容克式空氣預熱器。

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

該機組的汽輪機系統(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，采用八級回熱抽汽，分別供給三個高壓加熱器、1個除氧器、四個低壓加熱器，高加疏水逐級自流到除氧器，低壓加熱器疏水逐級自流至凝汽器。

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

具體計算步驟:

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

2 計算結果與分析

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

表3 600 MW機組附加單耗分布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。這與熱力學第二定律計算所得結論一致，應該視為最大節(jié)能潛力的部分。汽輪機及回熱系統(tǒng)的附加單耗絕對值低于鍋爐系統(tǒng)，導致汽輪機系統(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。

該機組總發(fā)電煤耗為291.45 g，鍋爐系統(tǒng)熱力學第一定律熱效率為92.5%，熱力學第二定律效率為42.17%，在600 MW超臨界燃煤發(fā)電機組發(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)廠家提供的運行參數(shù)以及熱力計算得出，鍋爐系統(tǒng)中每個受熱面進出口蒸汽溫度壓力和放熱工質 (煙氣)的溫度，從而計算出各個受熱面放熱工質的值，根據(jù)熱力學第二定律和單耗分析理論，得出鍋爐內部各受熱面的附加單耗分布，如下表4所示:

表4 600 MW機組鍋爐系統(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，對于一般鍋爐占鍋爐總附加單耗的40%以上。該區(qū)域內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，吸熱工質的溫度提高，煙氣中的顆粒物燃燒完全且經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1 000℃以上，與受熱面內工質具有較大傳熱溫差?？梢圆贾幂^多的對流受熱面，加強對該等級熱量的利用。

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進一步加熱到更高溫度，并加強了對煙氣輻射熱量的利用，該部分利用的能量包含在主蒸汽內。

在低溫再熱器水平段上，附加單耗有顯著提高，原因在于管內吸熱工質為從汽輪機高壓缸排出的380.1℃的蒸汽與放熱煙氣的溫差達到300℃，且再熱蒸汽流量小，受熱面布置在一個較長的區(qū)域內，導致整個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。

對于省煤器與空氣預熱器 (熱段及冷段)，煙氣溫度下降到技術可以接受的程度，省煤器中工質平均溫度為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。在空氣預熱器階段，煙氣平均溫度與熱風平均溫度相差110℃，但是處于相對低溫的階段利用率高，附加單耗低。

2.2 汽輪機及其熱力系統(tǒng)附加單耗

在汽輪機及其熱力系統(tǒng)中，換熱的工質均為水，依據(jù)溫度壓力等級和方式不同，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，由不可逆過程產生的的損失均可以視為等價損，可以轉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機組汽輪機系統(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，由汽輪機放熱給凝結水造成的附加單耗為7.09 g/kW·h，相對于鍋爐系統(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

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

汽輪機內部附加單耗的產生是由蒸汽在推動汽輪機動葉做功時產生的，總量達9.32 g/kW·h，占汽輪機系統(tǒng)附加單耗的47%，是汽輪機系統(tǒng)最大的附加單耗來源。汽輪機內部主要損失包括:噴嘴損失、動葉損失、余速損失，以及低壓級中的濕汽損失。要減小這些附加單耗，可行的方法是在設計過程中改進葉片的形式，從而提高級組的相對內效率，減小蒸汽在膨脹過程中的損失。汽輪機組高壓缸，中壓缸，低壓缸的附加單耗空間分布如圖4所示:

圖4 機組汽輪機系統(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系統(tǒng)附加單耗的56%，所以改進汽輪機低壓缸特別是末級部分的通流狀況，對提高汽輪機的效率有著顯著作用。中壓缸工作狀況穩(wěn)定，動葉損失、葉高損失較高壓缸級組低;與低壓缸相比，沒有工作在濕蒸汽區(qū)，濕汽損失小。汽輪機附加單耗較大，但節(jié)能措施實施要比回熱系統(tǒng)難，涉及到汽輪機葉片設計等方面問題。

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級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。在回熱系統(tǒng)加熱給水的過程中要注意使受熱面內的給水平均吸熱溫度接近蒸汽平均放熱溫度，減少附加單耗的產生。如圖5所示，抽氣管道的附加單耗占回熱加熱器中的小部分，回熱加熱器中主要附加單耗來自于換熱面。在該機組中，除氧器和5號加熱器的附加單耗較高，是回熱系統(tǒng)中主要節(jié)能挖掘部位。總體相比，回熱系統(tǒng)中附加單耗總量小，節(jié)能潛力有限。

在汽輪機系統(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果顯示，所占比例約為0.7%左右，其中不乏能量等級較高的蒸汽，比如從鍋爐高溫過熱器出口至汽輪機高壓缸動葉前的壓損，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

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的溫升，加強爐膛內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高溫煙氣的利用率。這勢必要求提高管道材料的抗高溫抗腐蝕能力，有可能會導致電廠一次投資成本的升高。在考慮經濟性的條件下，充分利用高等級熱量的煙氣，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，經計算可以達到3 g/kW·h左右，但會對整體附加單耗分布產生較大影響，并且需要重新布置受熱面，改造工程量及費用大。

(4)汽輪機系統(tǒng)中，提高汽輪機各級組的相對內效率有利于減小附加單耗的產生。特別是改進壓力較高的級組，所獲得的收益越大。汽輪機各汽缸相對內效率提高1%之后，機組附加單耗降低量如圖6所示。經計算，若各個氣缸相對內效率均提高1%，則汽輪機系統(tǒng)附加單耗將減小0.28 g/kW·h。

圖6 汽輪機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)在給水回熱系統(tǒng)中，可以通過調節(jié)各個回熱器中蒸汽放熱溫度和給水平均吸熱溫度，達到減小附加單耗的目的。對于高溫加熱器，平均換熱溫差控制在15～20℃內，對于低溫加熱器，將平均換熱溫差控制在10℃以下，可以大幅度減少回熱加熱器中附加單耗的產生。按該準則調節(jié)，經計算，回熱系統(tǒng)附加單耗減小0.39 g/kW·h。

經過整體優(yōu)化后，該600 MW超臨界機組的附加單耗將降低0.68 g/kW·h，該過程集中在汽輪機系統(tǒng)側，其中較大的工程改造量為汽輪機機組葉片，回熱系統(tǒng)主要進行優(yōu)化調整，汽輪機系統(tǒng)附加單耗減低3.5%。機組整體附加單耗下降0.6%，若要顯著減小機組整體附加單耗，則要從鍋爐系統(tǒng)側考慮。

4 結論

本文基于熱力計算，對超臨界機組附加單耗的分布進行分析，指出系統(tǒng)的節(jié)能潛力部位，提出節(jié)能方案。計算結果表明:超臨界機組鍋爐系統(tǒng)的附加單耗總量大，具有最大的可挖掘潛力。汽輪機系統(tǒng)中主要的附加單耗來自于汽輪機氣缸，可以從提高各級組的相對內效率來減小附加單耗。要降低鍋爐系統(tǒng)的附加單耗，要從提高管內工質溫度入手，并且注意溫度對口、梯級利用。

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