李慧君，劉學(xué)敏

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定071003)

0 引 言

我國(guó)對(duì)熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的理論研究從20 世紀(jì)80年代開始有所發(fā)展［1～3］，且在一定程度上得到廣泛應(yīng)用［4～10］，其是以火用分析法為基礎(chǔ)，將熱力學(xué)分析與經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行統(tǒng)一考慮的一門學(xué)科。熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的基本思想為:一是把所要分析的系統(tǒng)同時(shí)放到物理環(huán)境和經(jīng)濟(jì)環(huán)境中去進(jìn)行考查;二是將系統(tǒng)劃分為有限個(gè)子系統(tǒng)，把連接各子系統(tǒng)及子系統(tǒng)與外界環(huán)境之間相互作用的物質(zhì)、能量及現(xiàn)金都看成是流［11］。熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析方法主要包括會(huì)計(jì)模式、優(yōu)化模式、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模式以及矩陣模式。

在我國(guó)，隨著市場(chǎng)機(jī)制的逐步建立，企業(yè)的運(yùn)營(yíng)狀況直接決定著其經(jīng)濟(jì)效益，生產(chǎn)產(chǎn)品的成本形成過程及相關(guān)的評(píng)估、能量費(fèi)用及非能量費(fèi)用統(tǒng)一綜合分析優(yōu)化是電力企業(yè)“廠網(wǎng)分開，競(jìng)價(jià)上網(wǎng)”市場(chǎng)機(jī)制形成后關(guān)注的熱點(diǎn)［12］。為此，本文采用熱經(jīng)濟(jì)學(xué)會(huì)計(jì)模式以亞臨界600 MW 火力發(fā)電機(jī)組為例，為機(jī)組優(yōu)化改造提供理論依據(jù)。

1 熱力學(xué)建模

本文以N600 －16.7/537/537 機(jī)組為研究對(duì)象，利用75% THA 設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)工況數(shù)據(jù)［13］進(jìn)行計(jì)算，該機(jī)組有8 級(jí)回?zé)岢槠?，其回?zé)嵯到y(tǒng)為“三高、四低、一除氧”，采用疏水逐級(jí)自流方式，鍋爐給水泵為汽動(dòng)泵。圖1 為其熱力系統(tǒng)流程圖，該系統(tǒng)共劃分為18 個(gè)子系統(tǒng)，46 股物理流。其中BOI 表示鍋爐，其劃分為過熱器B-SH和再熱器RH 兩個(gè)子系統(tǒng)，HP、IP 和LP 分別表示汽輪機(jī)高壓缸、中壓缸和低壓缸，H 表示給水加熱器，DTR 表示除氧器，CND 表示凝汽器，F(xiàn)WP 表示給水泵，CP 表示凝結(jié)水泵，BFPT 表示小汽輪機(jī)，GEN 表示發(fā)電機(jī)。

圖1 600 MW 機(jī)組熱力系統(tǒng)流程圖Fig.1 Schematic diagram of the 600 MW power plant

2 系統(tǒng)火用流計(jì)算及分析

2.1 汽輪機(jī)系統(tǒng)火用的計(jì)算

汽輪機(jī)系統(tǒng)包括汽輪機(jī)本體及回?zé)嵯到y(tǒng)，在汽輪機(jī)系統(tǒng)的火用分析中，主要涉及到開口系統(tǒng)焓火用的計(jì)算，其計(jì)算公式［2］:

式中:h0、s0、T0分別為環(huán)境狀態(tài)的焓，kJ/kg、熵，kJ/ (kg·K)及溫度，K。

由式 (1)并根據(jù)文獻(xiàn)［13］ 提供的數(shù)據(jù)，計(jì)算得出圖1 中各股能流在75%THA 的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)工況下的火用值，如表1 所示。

2.2 火用效率、火用損系數(shù)及火用損率

式中:EF為子系統(tǒng)的輸入火用，kW;EP為子系統(tǒng)的產(chǎn)品，kW。

式中:Π 為子系統(tǒng)的火用損失，kW;Ef為系統(tǒng)總?cè)剂?，kW。

表1 各股物理流的火用值Tab.1 Exergy value of the physical streams

由表2 的計(jì)算結(jié)果可以看出:在所有子系統(tǒng)中，過熱器和再熱器的效率最低，且損率和損系數(shù)最高，是系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)，主要原因是二者中存在著較大的熱力學(xué)不可逆性，而解決這個(gè)問題在很大程度上受到當(dāng)前技術(shù)的限制。在試驗(yàn)工況下，再熱器和除氧器的效率有所增加，主要是再熱參數(shù)有所提高的緣故。低壓加熱器的火用效率比高壓加熱器的效率低，這是由于低壓加熱器抽汽能級(jí)較低所致。6 號(hào)低壓加熱器在設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)工況時(shí)的火用效率差值較大，故存在一定的節(jié)能潛力，但火用耗最大與經(jīng)濟(jì)消耗最大的點(diǎn)有時(shí)不重合，因此在熱力學(xué)分析后，還要結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析，以免造成“節(jié)而不省錢”。

表2 熱力系統(tǒng)火用分析結(jié)果Tab.2 Calculating results of the thermal power system

3 熱經(jīng)濟(jì)學(xué)計(jì)算及分析

根據(jù)表1 及表2 中的數(shù)據(jù)，利用會(huì)計(jì)模式進(jìn)行熱力學(xué)經(jīng)濟(jì)量的計(jì)算，其中包括能量費(fèi)用和非能量費(fèi)用，在能量費(fèi)用方面更全面地考慮了火用在系統(tǒng)不同部位或過程不同階段的不等價(jià)性，經(jīng)過分析找出系統(tǒng)中耗和經(jīng)濟(jì)消耗最大的子系統(tǒng)，為進(jìn)一步改善系統(tǒng)提供合理依據(jù)。

3.1 非能量費(fèi)用

由于不知道各設(shè)備的價(jià)格，因此利用估算方程計(jì)算各設(shè)備的投資成本。表3 列出了系統(tǒng)中各主要設(shè)備的投資成本方程［9，14］，其參數(shù)說明如下:P1為主蒸汽出口壓力，MPa;T1為主蒸汽出口溫度，K;η 為鍋爐效率;B0為鍋爐產(chǎn)品，kW;Q 為加熱器換熱量，kW;tTTD為加熱器出口給水端差，℃;△Pt和△Ps分別為管側(cè)和殼側(cè)壓力損失，MPa;高壓加熱器a =6，低壓加熱器a =4;W 為級(jí)組輸出功率，kW;ηT為級(jí)組效率，高壓級(jí)組參考效率ηTr=0.95，低壓級(jí)組ηTr=0.85;ηp為泵的效率;B 為泵的產(chǎn)品，kW;T0為環(huán)境溫度，K;VW為管內(nèi)冷卻水流速，m/s;η 為凝汽器效率，其定義為T0(Sin－Sout)/(hn－h(huán)out);ε 為熱效力，其定義為(two－twi)/(tin－twi);two和twi分別為冷卻水出口和進(jìn)口溫度，℃;tin為凝汽器進(jìn)口蒸汽溫度，℃;S 為凝汽器生產(chǎn)的負(fù)熵，kW;W 為發(fā)電機(jī)功率，kW。計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表3 系統(tǒng)中主要設(shè)備投資成本方程Tab.3 Investment equations of the major devices in the system

為簡(jiǎn)化計(jì)算，非能量費(fèi)用只計(jì)算系統(tǒng)的折舊費(fèi)，且采用勻速折舊法［11］，即

式中:D 為設(shè)備折舊費(fèi);L 為設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命(年)，取30年;I0為設(shè)備的初投資原值;IL為設(shè)備的殘值，為簡(jiǎn)化取為零。

根據(jù)表4 中的數(shù)據(jù)，由式(5)計(jì)算得出各子系統(tǒng)設(shè)備的年折舊費(fèi)，計(jì)算結(jié)果列入表5。

表4 設(shè)備投資成本Tab.4 Investment cost of each device

表5 各子系統(tǒng)的設(shè)備年折舊費(fèi)Tab.5 Annual depreciation charges of each device

經(jīng)濟(jì)平衡式［11］只能得到18 個(gè)獨(dú)立的方程式，但系統(tǒng)具有46 股流，所以需根據(jù)補(bǔ)充方程建立原則增加28 個(gè)補(bǔ)充方程，這些補(bǔ)充方程應(yīng)包括邊界條件和成本分?jǐn)偡匠?。其中邊界條件為系統(tǒng)的輸入或輸出流所具有的特定的經(jīng)濟(jì)條件，如煤的市場(chǎng)價(jià)格。成本分?jǐn)偟难a(bǔ)充方程的建立原則［11，15］為

將系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)平衡式與補(bǔ)充方程進(jìn)行聯(lián)立求解，可得圖1 中75%THA 實(shí)驗(yàn)工況下46 股流成本，如表6 所示，計(jì)算公式［11］為

3.3 火用單價(jià)計(jì)算

根據(jù)表6 中的數(shù)據(jù)，可計(jì)算得出75%THA 實(shí)驗(yàn)工況下各子系統(tǒng)輸入火用的平均火用單價(jià)cFi、產(chǎn)品的平均單價(jià)cPi，以及產(chǎn)品與輸入的差價(jià)，其計(jì)算公式分別為［11］計(jì)算結(jié)果如表7 所示。

3.4 火用經(jīng)濟(jì)系數(shù)計(jì)算

表6 各股火用流成本計(jì)算結(jié)果Tab.6 The results of exergy cost

3.5 結(jié)果分析

4 結(jié) 論

(1)熱經(jīng)濟(jì)學(xué)會(huì)計(jì)模式利用燃料－ 產(chǎn)品的定義來準(zhǔn)確描述各個(gè)設(shè)備的生產(chǎn)功能，且使用相對(duì)較少的數(shù)據(jù)(例效率和火用經(jīng)濟(jì)系數(shù))，得到較多的熱力學(xué)和熱經(jīng)濟(jì)學(xué)信息，可用來分析系統(tǒng)各設(shè)備的性能。

表7 火用平均單價(jià)與火用經(jīng)濟(jì)系數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.7 The results of average unit price of exergy and exergy economic coefficient

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