李慧君，劉聰，王妍飛，萬(wàn)玉梅

(1. 華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2. 大唐國(guó)際發(fā)電股份有限公司張家口發(fā)電廠，河北 張家口 075133)

?

基于多參數(shù)法電廠煙氣余熱回收節(jié)能量檢測(cè)方法

李慧君1，劉聰1，王妍飛2，萬(wàn)玉梅1

(1. 華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2. 大唐國(guó)際發(fā)電股份有限公司張家口發(fā)電廠，河北 張家口 075133)

為準(zhǔn)確地確定低壓省煤器的節(jié)能效果，使能源管理雙方能更好地分配節(jié)能效益，對(duì)火電廠煙氣余熱回收項(xiàng)目節(jié)能量檢測(cè)方法進(jìn)行研究。以某電廠N330-16.7/538/538型機(jī)組為例，利用能效分布矩陣方程，基于多參數(shù)法，建立了低壓省煤器回收利用余熱系統(tǒng)節(jié)能量模型并進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相符，表明多參數(shù)法能夠滿足工程實(shí)際需要。通過(guò)與已有的幾種節(jié)能量檢測(cè)方法及試驗(yàn)法進(jìn)行比較，證明多參數(shù)法有助于對(duì)節(jié)能量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算和合理評(píng)價(jià)。

煙氣余熱；節(jié)能量檢測(cè)；節(jié)能效果；多參數(shù)法；試驗(yàn)比較

國(guó)內(nèi)電站鍋爐普遍存在排煙溫度偏高的問(wèn)題，排煙溫度嚴(yán)重超溫不僅影響電廠的熱經(jīng)濟(jì)性，而且影響空氣預(yù)熱器的安全運(yùn)行。影響電站鍋爐排煙熱損失的主要因素是排煙溫度，一般情況下，排煙溫度每升高10 ℃，排煙熱損失增加0.6%～0.8%[1]。因此，降低排煙溫度對(duì)于節(jié)能降耗、提高鍋爐的安全可靠性具有重要的實(shí)際意義[2-5]。準(zhǔn)確地確定低壓省煤器改造項(xiàng)目的節(jié)能量，有利于合同能源管理雙方更好地分配節(jié)能效益。因此，研究火電廠煙氣余熱回收項(xiàng)目節(jié)能量檢測(cè)方法具有重要意義。

1　節(jié)能量檢測(cè)典型方法

GB/T28750—2012《節(jié)能量測(cè)量和驗(yàn)證技術(shù)通則》中規(guī)定了關(guān)于節(jié)能量檢測(cè)的三種典型方法，即：“基期能耗-影響因素” 模型法、直接比較法和模擬軟件法。由于改造項(xiàng)目的不同，對(duì)其研究選取的計(jì)算方法也不相同。對(duì)于不同時(shí)期的計(jì)算方法，以基期的單位產(chǎn)值(產(chǎn)量或工作量)綜合能耗(或單項(xiàng)能耗)的差額乘以報(bào)告期產(chǎn)值(產(chǎn)量或工作量)來(lái)計(jì)算。節(jié)能量Es(g/kWh)、能耗基準(zhǔn)Eb(g/kWh)、統(tǒng)計(jì)報(bào)告期能耗Er(g/kWh)和校準(zhǔn)后能耗基準(zhǔn)Eab(g/kWh)的關(guān)系圖以及三種檢測(cè)方法的計(jì)算公式在以上的通則中都有相關(guān)規(guī)定，其關(guān)系圖如1所示。

圖1　節(jié)能量有關(guān)參數(shù)關(guān)系圖

報(bào)告期單元長(zhǎng)度內(nèi)的節(jié)能量[6]

(1)

式中Am為基準(zhǔn)調(diào)整值。

2　多參數(shù)法

由于電站鍋爐煙氣余熱回收利用的節(jié)能量檢測(cè)具有特殊性，主要表現(xiàn)在影響改造項(xiàng)目中節(jié)能量的參數(shù)很多，這些因素包括汽輪機(jī)本體、凝汽器、熱網(wǎng)水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備，且各系統(tǒng)間互相影響、耦合，通過(guò)回歸分析法建立模型比較復(fù)雜。

多參數(shù)法主要是對(duì)影響機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的一些變量進(jìn)行分析，然后對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行修正，分析當(dāng)其中某個(gè)變量參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，對(duì)機(jī)組熱耗率及煤耗率變化的影響，從而準(zhǔn)確地獲得機(jī)組節(jié)能量。

2.1低壓省煤器換熱模型

對(duì)于低壓省煤器來(lái)說(shuō)，由傳熱方程式所得的關(guān)系式如下：

(2)

式中：Q為低壓省器的吸熱量，kW；K為以鰭片側(cè)為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)；A為傳熱面積，m2；ΔT為對(duì)數(shù)傳熱溫差，K。

傳熱系數(shù)一般是由煙氣側(cè)換熱系數(shù)、管內(nèi)水側(cè)換熱系數(shù)和管子壁面的導(dǎo)熱系數(shù)三個(gè)部分組成(不考慮管壁面積灰的情況)[7]。以H型鰭片管省煤器為研究對(duì)象，將煙氣側(cè)換熱面作為基準(zhǔn)，由傳熱學(xué)的基本公式可以得到圓形截面基管的傳熱系數(shù)

(3)

式中：hi為管內(nèi)側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，也即水側(cè)的放熱系數(shù)，W/(m2·K)；ho為管外側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，也即煙氣側(cè)的放熱系數(shù)，W/(m2·K)；λg為管子的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Ao為管外總換熱面積，m2；Ai為管內(nèi)換熱面積，m2；d為管外徑，m；δ為管壁厚度，m；η0為管子的肋化系數(shù)。

由于H型鰭片管是對(duì)流傳熱，所以計(jì)算過(guò)程采用對(duì)數(shù)傳熱溫差。

2.2單參數(shù)對(duì)低壓省煤器性能的影響

以某電廠4×330 MW機(jī)組煙氣余熱改造項(xiàng)目為例，節(jié)能量檢測(cè)主要包括改造項(xiàng)目余熱回收量和對(duì)汽輪機(jī)主、輔機(jī)性能的影響等方面。

當(dāng)?shù)蛪菏∶浩鞯慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí)，煙氣與凝結(jié)水的換熱量?jī)H與凝結(jié)水流量、煙氣流量及進(jìn)口溫度、低壓省煤器凝結(jié)水進(jìn)口溫度有關(guān)。在采暖季，換熱量還與熱網(wǎng)水流量和熱網(wǎng)水溫度有關(guān)。以該低壓省煤器額定工況下的設(shè)計(jì)參數(shù)為基準(zhǔn)，其回收余熱量隨著進(jìn)入低壓省煤器的凝結(jié)水流量變化情況如圖2所示。由圖2可知，在負(fù)荷一定的情況下，隨著進(jìn)入低壓省煤器的凝結(jié)水流量增加，傳熱系數(shù)隨之增大，余熱回收量增加。

圖2　低壓省煤器進(jìn)口凝結(jié)水流量變化對(duì)換熱量的影響

當(dāng)?shù)蛪菏∶浩鬟M(jìn)口的凝結(jié)水溫度變化時(shí)，其余熱回收量的變化情況如圖3所示。

圖3　低壓省煤器進(jìn)口凝結(jié)水溫度變化對(duì)換熱量的影響

低壓省煤器余熱回收量隨煙氣流量的升高而增加，隨煙氣流量的降低而減少。因?yàn)樵谄渌麉?shù)不變時(shí)，傳熱系數(shù)隨煙氣流量增大而增加，反之亦然。如圖4所示。

圖4　低壓省煤器進(jìn)口煙氣流量變化對(duì)換熱量的影響

低壓省煤器進(jìn)口煙溫升高，在其他參數(shù)不變時(shí)，增加了傳熱溫差，回收余熱量增加，如圖5所示。

圖5　低壓省煤器煙氣進(jìn)口溫度變化對(duì)換熱量的影響

當(dāng)其他參數(shù)不變而熱網(wǎng)水流量變化時(shí)，會(huì)引起低壓省煤器中傳熱系數(shù)變化，換熱量也隨之發(fā)生變化，如圖6所示。

圖6　熱網(wǎng)水流量變化對(duì)低壓省煤器換熱量的影響

在其他條件不變時(shí)，當(dāng)熱網(wǎng)水溫度升高時(shí)，換熱溫差下降，低壓省煤器換熱量減少，反之亦然。如圖7所示。

圖7　熱網(wǎng)水溫度變化對(duì)低壓省煤器換熱量的影響

2.3試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

理論上所得到的低壓省煤器節(jié)能量計(jì)算模型，還需要試驗(yàn)的檢驗(yàn)和修正，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見文獻(xiàn)[7]。該試驗(yàn)完全按照汽輪機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如圖8至圖13所示。

圖8　凝結(jié)水流量與換熱量關(guān)系的計(jì)算值、試驗(yàn)值比較

圖9　凝結(jié)水溫度與換熱量關(guān)系的計(jì)算值、試驗(yàn)值比較

圖10　煙氣流量與換熱量關(guān)系的計(jì)算值、試驗(yàn)值比較

圖11　進(jìn)口煙氣溫度與換熱量關(guān)系的計(jì)算值、試驗(yàn)值比較

圖12　熱網(wǎng)水流量與換熱量關(guān)系的計(jì)算值、試驗(yàn)值比較

圖13　熱網(wǎng)水溫度與換熱量關(guān)系的計(jì)算值、試驗(yàn)值比較

從相同情況下某一參數(shù)變化對(duì)換熱量的影響來(lái)看，試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果要比模擬計(jì)算結(jié)果變化范圍大。因?yàn)槟M所得數(shù)值是假定某一參數(shù)變化而其他參數(shù)不變，而實(shí)際上某一參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，其他參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，因此結(jié)果存在一定誤差(約10%)，但多參數(shù)法所建立的數(shù)學(xué)模型能夠反映其變化規(guī)律。對(duì)于存在的誤差應(yīng)進(jìn)行合理的修正，以便準(zhǔn)確地計(jì)算低壓省煤器余熱回收量。

3　工程實(shí)例

3.1參數(shù)修正

以某電廠N330-16.7/538/538型機(jī)組為例，對(duì)低壓省煤器回收利用余熱進(jìn)行分析，其熱力系統(tǒng)如圖14所示。

a、b、c為輔助汽水；1—8為加熱器；DRTR為除氧器，deaerator的縮寫；GC為軸封加熱器。圖14 　N330-16.7/538/538型機(jī)組熱力系統(tǒng)

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量、計(jì)算數(shù)據(jù)及制造廠提供的熱耗率和功率的標(biāo)準(zhǔn)修正曲線，可得到表1的修正數(shù)據(jù)。當(dāng)考慮表中5種因素同時(shí)作用時(shí)，熱耗、功率修正系數(shù)分別為1.004 503和0.994 765。

表1不同參數(shù)熱耗、功率修正系數(shù)

修正參數(shù)設(shè)計(jì)值試驗(yàn)值熱耗修正系數(shù)功率修正系數(shù)排汽壓力4.9kPa5.2kPa1.0041130.995631再熱汽溫度538℃538.26℃0.9999371.000919再熱壓損10.013%10.145%1.0001840.999661主汽溫度538℃535.26℃1.0004551.000278主汽壓16.7MPa16.67MPa0.9998150.998274

由圖14可知，輔助汽水分為以下兩股：a、b股輔助汽水為工質(zhì)從加熱器水側(cè)出系統(tǒng)；c股輔助汽水為帶熱量工質(zhì)從加熱器水側(cè)進(jìn)系統(tǒng)。

3.2熱經(jīng)濟(jì)計(jì)算及分析

根據(jù)機(jī)組熱力系統(tǒng)及文獻(xiàn)[8]列出能效分布矩陣(energy-efficiency distribution matrix，EEDM)方程并構(gòu)建相關(guān)矩陣。以額定工況下設(shè)計(jì)參數(shù)為基準(zhǔn)，得到非采暖季低壓省煤器節(jié)能量模型計(jì)算結(jié)果，見表2。

表2低壓省煤器數(shù)學(xué)模型計(jì)算數(shù)據(jù)

系統(tǒng)循環(huán)效率η0/%實(shí)際系統(tǒng)循環(huán)效率/%熱耗率/[kJ·(kWh)-1]煤耗率降低值/[g·(kWh)-1]45.7945.357928.432.3965

對(duì)于采暖季，可認(rèn)為回收余熱直接用于供熱，節(jié)約大量原本用于供熱的燃煤，因此采暖季的節(jié)煤效益可參考余熱供熱總量和實(shí)際統(tǒng)計(jì)的電廠供熱煤耗率來(lái)計(jì)算。設(shè)采暖季運(yùn)行時(shí)間為2 880 h，以閉式循環(huán)進(jìn)行換熱，效率按0.96計(jì)，可對(duì)外供熱為1.549×105GJ。根據(jù)電廠歷史統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，4臺(tái)330 MW機(jī)組在2014年平均供熱標(biāo)煤耗率約為39 kg/GJ。采暖季余熱回收進(jìn)入熱網(wǎng)，將排擠部分供暖抽汽返回汽輪機(jī)做功，降低了機(jī)組的發(fā)電煤耗率。按照電廠全年總供熱量統(tǒng)計(jì)指標(biāo)以及全廠用電率按0.065計(jì)，煤耗率下降約0.117 g/kWh。電廠統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表3。

表3采暖季的供熱標(biāo)煤耗率

月份供熱標(biāo)煤耗率/(kg·GJ-1)1號(hào)機(jī)組2號(hào)機(jī)組3號(hào)機(jī)組4號(hào)機(jī)組142.4439.3539.9538.54241.9138.4042.0140.80341.1038.7239.8340.441136.6936.9637.9939.781239.9538.5338.0239.42

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)及熱耗率定義式[9-10]，得到試驗(yàn)熱耗率以及煤耗率數(shù)據(jù)，見表4。

表4試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)匯總

數(shù)據(jù)類型熱耗率/[kJ·(kWh)-1]投入低壓省煤器切除低壓省煤器煤耗率/[g·(kWh)-1]投入低壓省煤器切除低壓省煤器煤耗率降低值/[g·(kWh)-1]設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)79507950試驗(yàn)數(shù)據(jù)7918.567940.10315.82317.982.16修正數(shù)據(jù)7883.067904.50314.41316.462.06

額定工況下，投入低壓省煤器前后的熱耗率分別為7 940.10 kJ/kWh、7 918.56 kJ/kWh。經(jīng)過(guò)修正后，投入低壓省煤器前后的熱耗率分別為7 904.50 kJ/kWh、7 883.06 kJ/kWh。在投入低壓省煤器后，熱耗率(7 883.06 kJ/kWh)與設(shè)計(jì)值(7 950 kJ/kWh)基本相符。在允許的對(duì)比范圍內(nèi)，基于多參數(shù)法計(jì)算的低壓省煤器節(jié)能量約7 928.43 kJ/kWh，與試驗(yàn)結(jié)果(7 883.06 kJ/kWh)基本吻合。該節(jié)能量檢測(cè)方法減少了試驗(yàn)測(cè)量的工序，簡(jiǎn)單方便，可操作性強(qiáng)，適合電廠煙氣余熱回收熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算。經(jīng)過(guò)修正后的試驗(yàn)結(jié)果基本與設(shè)計(jì)工況相符。

為了便于對(duì)比分析，將多參數(shù)法、直接比較法及“基準(zhǔn)能耗-影響因素”模型法得到的熱耗率和試驗(yàn)結(jié)果繪制于同一坐標(biāo)，如圖15所示。

THA—汽輪機(jī)熱耗驗(yàn)收工況，turbine heat acceptance的縮寫。圖15　部分工況下的熱耗率

不同工況下，多參數(shù)法得到的結(jié)果相比于直接比較法、“基期能耗-影響因素”模型法更加接近試驗(yàn)結(jié)果，表明多參數(shù)法節(jié)能量檢測(cè)方法是可行的，并且優(yōu)于其他兩種方法，有利于節(jié)能量檢測(cè)的進(jìn)行?！盎谀芎?影響因素”模型法得到的熱耗率相比于其他幾種方法與試驗(yàn)結(jié)果差距最大，其原因在于通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立的能耗與各影響因素之間的回歸關(guān)系存在較大誤差，并且還需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量某些參數(shù)，這些都會(huì)產(chǎn)生一定的不確定度。直接比較法與多參數(shù)法得到的結(jié)果接近，但受測(cè)量方法、儀表精度及機(jī)組運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)等客觀因素影響，每次得到的數(shù)值也會(huì)有很大差距。

4　結(jié)論

a)以某電廠N330-16.7/538/538型機(jī)組為例，建立了低壓省煤器數(shù)學(xué)模型，分析了單參數(shù)對(duì)低壓省煤器換熱量的影響，而實(shí)際中各參數(shù)間是相互影響的，因此應(yīng)對(duì)單參數(shù)變化引起的結(jié)果加以修正。

b)利用能效分布矩陣方程，基于低壓省煤器回收利用余熱系統(tǒng)，建立了多參數(shù)機(jī)組節(jié)能量模型并進(jìn)行了計(jì)算，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較結(jié)果表明，多參數(shù)法能夠滿足工程實(shí)際需要。

c)將多參數(shù)法與已有的幾種方法及試驗(yàn)法進(jìn)行比較，證明了多參數(shù)法有助于節(jié)能量的準(zhǔn)確計(jì)算和合理評(píng)價(jià)。

[1]高占民，張少平. 降低電站鍋爐排煙溫度新技術(shù)研究[J]. 節(jié)能技術(shù)，2006，24(135)：9-11，32.

GAOZhanmin，ZHANGShaoping.StudyonNewTechnologytoLowerExhaustGasTemperatureofPowerPlantBoilers[J].EnergyConservationTechnology，2006，24(135)：9-11，32.

[2]陸相東，倪迎春. 煙氣余熱回收裝置在2×350MW機(jī)組中的應(yīng)用[J]. 電力科學(xué)與工程，2011，27(10)：74-78.

LUXiangdong，NIYingchun.DiscussiononApplicationofFlueGasWasteHeatRecoveryDevicein2×350MWUnits[J].ElectricPowerScienceandEngineering，2011，27(10)：74-78.

[3]容鑾恩，袁鎮(zhèn)福，劉志敏，等. 電站鍋爐原理[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，1997.

[4]仝慶居，王學(xué)敏. 鍋爐煙氣余熱回收利用技術(shù)[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009(18)：71.

[5]謝磊. 電站鍋爐低壓省煤器系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性分析的數(shù)學(xué)模型[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

[6]GB/T28750—2012，節(jié)能量測(cè)量和驗(yàn)證技術(shù)通則[S].

[7]ASME/ANSPTC6.0—1996，汽輪機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)程[S].

[8]郭江龍. 基于能效分布矩陣方程的火電廠熱力系統(tǒng)分析方法[D]. 保定：華北電力大學(xué)，2003.

[9]劉凱. 汽輪機(jī)試驗(yàn)[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[10]齊殿全. 中寧發(fā)電有限公司330MW汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2005.

(編輯彭艷)

Detection Method for Amount of Energy-saving of Flue Gas Waste HeatRecoveryinPowerPlantBasedonMulti-parameterMethod

LI Huijun1, LIU Cong1, WANG Yanfei2, WAN Yumei1

(1.NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding,Hebei071003,China; 2.ZhangjiakouPowerPlant,DatangInternationalPowerGenerationCo.,Ltd.,Zhangjiakou,Hebei075133,China)

Inordertocorrectlydetermineenergy-savingeffectsoflowpressureeconomizerandmakebothsidesofenergymanagementbetterallocateenergy-savingeffects,itismeaningfultostudydetectionmethodforamountofenergy-savingoffluegaswasteheatrecoveryinthermalpowerplant.TakingN330-16.7/538/538typedunitinsomepowerplantforanexampleandonthebasisofmulti-parametermethod,thispaperusesenergyefficiencydistributionmatrixequationtoestablishamodelforamountofenergy-savingofwasteheatrecoverysystemoflowpressureeconomizerandmakecalculations.Thecalculationresultsandexperimentaldataarebasicallyconsistentwhichindicatesthatthismulti-parametermethodcansatisfyrequirementsforengineeringpractice.Itisprovedthemulti-parametermethodisusefultomakeaccuratecalculationandreasonableevaluationonamountofenergy-savingbycomparingwithexistingseveraldetectionmethodsandexperimentalmethodsforamountofenergy-saving.

fluegaswasteheat;detectiononamountofenergy-saving;energy-savingeffect;multi-parametermethod;experimentalcomparison

2016-03-24

2016-06-14

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.08.006

TM621.9

B

1007-290X(2016)08-0027-05

李慧君(1964)，男，吉林四平人。教授，工學(xué)博士，研究方向?yàn)閺?qiáng)化換熱及數(shù)值計(jì)算、電廠熱力系統(tǒng)的節(jié)能與監(jiān)測(cè)診斷、余熱回收利用。

劉聰(1991)，男，河北保定人。在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殡姀S節(jié)能理論。

王妍飛(1989)，男，河北張家口人。工學(xué)碩士，研究方向?yàn)槟茉唇?jīng)濟(jì)及節(jié)能理論。