孫浩祖，石奇光，徐銀文

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院 上海 200090)

管道熱效率在機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行能效評(píng)價(jià)中的作用

孫浩祖，石奇光，徐銀文

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院 上海 200090)

為了評(píng)價(jià)火電機(jī)組深度調(diào)峰的能效，以某300MW機(jī)組的變工況運(yùn)行為例，定量分析了該機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行時(shí)的能效。在4種運(yùn)行工況下(100%、80%、60%、50%負(fù)荷)，評(píng)價(jià)了該機(jī)組運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性。在變工況運(yùn)行時(shí)，管道效率對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響不可忽略。

機(jī)組； 調(diào)峰； 管道； 熱效率； 能效； 運(yùn)行； 評(píng)價(jià)； 分析

0 概 述

隨著電網(wǎng)容量的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)負(fù)荷峰谷之差也日趨增大。我國(guó)將優(yōu)先發(fā)展可再生能源，不斷改變能源結(jié)構(gòu)，這些措施，將迫使300 MW等大容量火電機(jī)組擔(dān)負(fù)更多的調(diào)峰任務(wù)，以適應(yīng)用電負(fù)荷的變化和滿(mǎn)足電網(wǎng)穩(wěn)定的需求。

我國(guó)火電機(jī)組的運(yùn)行水平和調(diào)峰的管理機(jī)制，仍需要進(jìn)一步優(yōu)化。據(jù)發(fā)改委統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)600 MW機(jī)組的平均供電煤耗為320 g/kW·h，國(guó)外先進(jìn)機(jī)組的平均供電煤耗為314 g/kW·h，差距達(dá)6 g/kW·h。對(duì)于調(diào)峰機(jī)組，需偏離設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，因此，機(jī)組的供電煤耗將會(huì)更高。

在“十三五”節(jié)能減排規(guī)劃中，我國(guó)節(jié)能減排的力度會(huì)更大。有關(guān)條例中已明確規(guī)定，全國(guó)新建燃煤發(fā)電機(jī)組的平均供電煤耗，需低于300 g/kW·h。至2020年，對(duì)現(xiàn)役燃煤機(jī)組改造后的平均供電煤耗，需低于310 g/kW·h[1]，所以，燃煤機(jī)組節(jié)能減排的任務(wù)很艱巨。

提升現(xiàn)役火電機(jī)組的調(diào)峰能力，是一項(xiàng)緊迫和具有現(xiàn)實(shí)意義的課題。同時(shí)，合理評(píng)價(jià)火電機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的能效，無(wú)論在學(xué)術(shù)上和工程應(yīng)用上，都有著實(shí)際意義。

近年來(lái)，隨著節(jié)能理論的發(fā)展，對(duì)于機(jī)組的管道效率，也得到了重視和研究。石奇光等已全面闡述了熱力系統(tǒng)中管道效率的內(nèi)涵和范圍，并建立了發(fā)電廠管道熱效率的反平衡計(jì)算[2]。李巖峰等對(duì)管道熱效率在線診斷進(jìn)行了分析[3]。實(shí)踐證明，管道效率是火電廠熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)中不可缺少的一環(huán)。

現(xiàn)以300 MW機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行為依據(jù)，分析了管道熱效率對(duì)變負(fù)荷運(yùn)行機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響，并以發(fā)電權(quán)交易為例，定量評(píng)價(jià)了管道熱效率對(duì)交易收益的影響，為合理分析火電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，提供參考。

1 熱力系統(tǒng)及能效評(píng)價(jià)

1.1 熱力系統(tǒng)

火電機(jī)組生產(chǎn)電能是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程，以熱效率或者熱損失率的大小，可以衡量電廠或者熱力設(shè)備的熱經(jīng)濟(jì)性。熱效率η的通用表達(dá)式為：[4]

(1)

該機(jī)組熱力系統(tǒng)的布置，如圖1所示。

圖1 機(jī)組的熱力系統(tǒng)

1.2 機(jī)組的能效評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)機(jī)組的能效，可用熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行衡量。主要的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，有能耗量(熱耗量、煤耗量)和能耗率(熱耗率、煤耗率)及效率。

火電機(jī)組的總效率為：

ηcp=ηbηpηe

(2)

式(2)中，ηb—鍋爐效率；ηp—管道效率；ηe—汽輪發(fā)電機(jī)組效率。

在火電機(jī)組的能效評(píng)價(jià)中，管道效率也是熱力系統(tǒng)總效率重要的組成部分。然而，在計(jì)算火電機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性時(shí)，均將管道效率設(shè)為定值，常取值為99%。實(shí)際的管道效率是隨機(jī)組負(fù)荷的變化而存在一定幅度的變化，因此，對(duì)機(jī)組進(jìn)行熱平衡計(jì)算時(shí)，將管道效率設(shè)定為固定值并不科學(xué)。

供電煤耗率是評(píng)價(jià)火電廠熱經(jīng)濟(jì)的重要指標(biāo)之一，其計(jì)算公式為：

(3)

當(dāng)機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，管道效率對(duì)火電廠供電煤耗有很大影響。計(jì)算表明，若1 000MW機(jī)組每年運(yùn)行4 000h，當(dāng)管道效率每變化1%，則該機(jī)組全年燃燒標(biāo)準(zhǔn)煤的變化量為12 000t，折合人民幣432萬(wàn)元(煤價(jià)為360元/噸)。因此，對(duì)于變負(fù)荷運(yùn)行機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，管道熱效率的變化將對(duì)評(píng)價(jià)產(chǎn)生很大的影響。

2 鍋爐變工況熱負(fù)荷的特性

機(jī)組在調(diào)峰過(guò)程中，鍋爐變工況熱負(fù)荷的變化特性對(duì)鍋爐效率影響甚大。機(jī)組在變工況運(yùn)行時(shí)，隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，鍋爐熱負(fù)荷也逐漸降低。某1 000MW電站鍋爐變工況運(yùn)行時(shí)，通過(guò)測(cè)算排煙熱損失q2、煙氣中可燃?xì)怏w熱損失q3、飛灰及底渣中含碳量造成的化學(xué)能損失q4、鍋爐本體散熱損失q5、鍋爐底渣物理熱損失的變化量q6[5]，得出變工況條件下鍋爐熱負(fù)荷的變化情況。鍋爐的各項(xiàng)損失與負(fù)荷的關(guān)系，如表1所示。鍋爐的各項(xiàng)損失與效率的關(guān)系，如圖2所示。

表1 鍋爐各項(xiàng)損失與負(fù)荷的關(guān)系

鍋爐負(fù)荷/%q2q3q4q5q6鍋爐效率/%1004.2170.03621.4430.7540.07293.47904.1240.03881.6830.8370.075993.24704.0130.04121.9231.1960.077192.75503.8870.04362.0442.3920.077691.56

圖2 鍋爐各項(xiàng)損失和鍋爐效率與負(fù)荷的關(guān)系

根據(jù)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)顯示，鍋爐熱負(fù)荷是按機(jī)組負(fù)荷的變化而變化。機(jī)組負(fù)荷越小，鍋爐熱負(fù)荷越低。在各項(xiàng)能量損失中，飛灰及底渣中含碳量造成的化學(xué)能損失q4及鍋爐本體散熱損失q5較大，鍋爐效率也是隨機(jī)組負(fù)荷的變化而變化。機(jī)組負(fù)荷越小，鍋爐的熱效率越低。

3 汽機(jī)變工況熱耗量的特性

汽輪機(jī)組的絕對(duì)內(nèi)效率，取決于汽輪機(jī)的實(shí)際內(nèi)功率與汽輪機(jī)熱耗，即單位時(shí)間所做的實(shí)際內(nèi)功與耗用的熱量之比，其表達(dá)式為：

(4)

當(dāng)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)的熱耗量呈下降趨勢(shì)，此時(shí)，因機(jī)組的運(yùn)行偏離了設(shè)計(jì)工況，機(jī)組的熱效率相對(duì)于額定工況，也呈下降趨勢(shì)。某300 MW機(jī)組變負(fù)荷后熱耗量的變化，如表2所示。該機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行后，Q0及ηi的變化關(guān)系，圖3所示。

表2 300 MW機(jī)組變負(fù)荷后熱耗量的變化

機(jī)組負(fù)荷/MW300240180120機(jī)組熱效率/%46.4745.6744.8744.03汽輪機(jī)熱耗Q0/MJ×1032.60692.07461.55161.0476

圖3 300 MW機(jī)組變負(fù)荷后Q0及ηi的變化關(guān)系

4 管道效率對(duì)機(jī)組調(diào)峰能效的影響

管道熱效率ηp也是機(jī)組總效率ηcp的組成部分，反映了管道保溫的完善程度和工質(zhì)泄漏等熱量損失的大小，管道效率用汽輪機(jī)熱耗量Q0與鍋爐熱負(fù)荷Qb之間的比值表示。

通過(guò)對(duì)不同負(fù)荷下燃煤電廠管道效率變化特性的研究發(fā)現(xiàn)[6]，隨著負(fù)荷的降低，汽輪機(jī)熱耗量Q0和鍋爐熱負(fù)荷Qb都是下降的。在不同負(fù)荷的運(yùn)行條件下，負(fù)荷下降越大，造成鍋爐熱能損失中的飛灰及底渣的化學(xué)能損失q4、鍋爐本體散熱損失q5越大。根據(jù)管道效率的定義，管道效率為：

(5)

由式(5)可知，負(fù)荷下降越多，管道效率越低。由此可得，管道效率隨機(jī)組負(fù)荷的降低而降低。某300 MW機(jī)組變負(fù)荷后的管道效率，如表3所示。Qb和Q0隨機(jī)組負(fù)荷的變化關(guān)系，如圖4所示。ΔQ和管道效率與機(jī)組負(fù)荷的關(guān)系，如圖5所示。

表3 300 MW機(jī)組變負(fù)荷后管道效率的變化

機(jī)組負(fù)荷/MW300240180120鍋爐熱負(fù)荷Qb/MJ×1032.65572.13711.63261.1515汽輪機(jī)熱耗Q0/MJ×1032.60692.07461.55161.0476兩者差值ΔQ/MJ×1030.04880.06250.0810.1039管道效率ηp/%95.995.7595.6694.71

圖4Qb和Q0隨機(jī)組負(fù)荷的變化關(guān)系

圖5ΔQ和管道效率與機(jī)組負(fù)荷的關(guān)系

對(duì)某300MW火電機(jī)組的管道熱效率進(jìn)行測(cè)試，分別選取100%、80%、70%額定工況，測(cè)出各項(xiàng)管道損失量，從而得出機(jī)組的管道效率。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，機(jī)組在3種工況下，管道效率分別為98.61%、98.63%、98.31%，如將管道效率設(shè)為定值(99%)，再計(jì)算該機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，按實(shí)際管道熱效率計(jì)算得出的供電煤耗率，高于管道效率為定值的供電煤耗率，這就會(huì)過(guò)高地評(píng)估該機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，這也是造成發(fā)電公司正、反平衡煤耗差的原因之一[7]。

5 計(jì)算舉例及分析

5.1 計(jì)算管道熱效率的對(duì)象及條件

以某300MW機(jī)組為對(duì)象，研究了該機(jī)組變工況下管道效率的變化情況。在4種工況下(100%THA及額定工況的80%、60%、50%)，機(jī)組變工況運(yùn)行的主要參數(shù)，如表4所示。

表4 300 MW火電機(jī)組變工況主要參數(shù)

額定工況/MW100%80%60%50%主蒸汽壓力/MPa16.716.716.716.7主蒸汽焓值/kJ·kg-13396.93396.93396.93396.9再熱前壓力/MPa3.82.862.151.91再熱前焓值/kJ·kg-130362982.212976.322964.85再熱后壓力/MPa3.4212.561.921.715再熱后焓值/kJ·kg-135373529.373514.653504.85排汽壓力/kPa5.45.45.45.4排汽焓值/kJ·kg-12336.12353.72370.52388.4

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，管網(wǎng)內(nèi)不可避免地存在散熱損失和工質(zhì)泄漏損失。為了便于計(jì)算管道總熱損失量，設(shè)定汽輪機(jī)側(cè)工質(zhì)溫度與鍋爐側(cè)存在1K溫差[8]，選用除氧器作為廠用蒸汽汽源，抽汽的質(zhì)量流量為10 t/h,返回水份額為零。損失的工質(zhì)在凝汽器處得到補(bǔ)充，主蒸汽管道的蒸汽泄漏質(zhì)量流量為5 t/h，主給水管道的給水泄漏質(zhì)量流量為15 t/h。補(bǔ)水進(jìn)入凝汽器，補(bǔ)水焓為85.3 kJ/kg。采用反平衡計(jì)算法，計(jì)算管道的熱效率。

5.2 計(jì)算結(jié)果及分析

管道熱效率對(duì)變工況機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的定量影響，如表5所示。

表5 管道效率對(duì)機(jī)組變工況運(yùn)行熱經(jīng)濟(jì)性的影響

工況項(xiàng)目管道效率/%絕對(duì)電效率/%全廠效率/%標(biāo)煤耗率/g·(kw·h)-1100%工況不考慮管道熱損失10045.2440.71302.12管道熱效率為定值9945.2340.31305.17實(shí)際計(jì)算管道效率96.4045.2339.25313.3980%工況無(wú)管道熱損失10044.7840.30305.21管道熱效率為定值9944.7839.90308.27考慮管道總損失96.3744.7838.84316.6860%工況無(wú)管道熱損失10043.8139.43311.95管道熱效率為定值9943.8239.04315.06考慮管道總損失96.3243.8137.98323.8550%工況無(wú)管道熱損失10042.9738.67318.08管道熱效率為定值9942.9638.28321.32考慮管道總損失96.3142.9637.24330.29

注：鍋爐效率為0.92，機(jī)械效率為0.985，發(fā)電機(jī)效率為0.9882。

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷分別為100%、80%、60%、50%工況時(shí)，考慮了管道總的熱損失量，機(jī)組的管道熱效率，分別為96.40%、96.37%、96.32%、96.28%。供電煤耗率分別為313.39 g/kw·h、316.68 g/kw·h、323.85 g/kw·h、330.29 g/kw·h。隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，機(jī)組的管道效率呈下降趨勢(shì)，標(biāo)準(zhǔn)煤耗率在增加。不同負(fù)荷時(shí)，管道效率與標(biāo)煤耗率的相關(guān)曲線，如圖6所示。

圖6 不同負(fù)荷時(shí)管道效率與標(biāo)煤耗率的相關(guān)曲線

隨著機(jī)組負(fù)荷的下降，管道熱效率對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響更大。此時(shí)，若管道熱效率仍取定值99%，則標(biāo)準(zhǔn)煤耗率分別為305.17 g/kw·h、308.27 g/kw·h、315.06 g/kw·h、321.32 g/kw·h，相比于考慮管道總熱損失時(shí)的效率，分別低8.22 g/kw·h、8.41 g/kw·h、8.79 g/kw·h、8.97 g/kw·h。因此，對(duì)評(píng)價(jià)方案進(jìn)行比較時(shí)，取管道熱效率為99%或忽略，均會(huì)導(dǎo)致過(guò)高評(píng)估機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性?？紤]管道熱效率后，對(duì)各工況下機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響，如圖7所示。

5.3 發(fā)電權(quán)交易及統(tǒng)計(jì)

在發(fā)電權(quán)交易時(shí)，需統(tǒng)計(jì)機(jī)組的燃煤費(fèi)。以A電廠300 MW機(jī)組(100%THA、60%THA)工況下和B電廠300 MW機(jī)組(40 %THA)工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)發(fā)電權(quán)交易的節(jié)煤量計(jì)算表明，當(dāng)A電廠取得180 MW的發(fā)電量，并與B電廠進(jìn)行發(fā)電權(quán)交易取得120 MW的發(fā)電量，交易時(shí)間為1 000 h，若不計(jì)管道效率時(shí)，節(jié)煤量為8 597.4 t；管道效率為實(shí)際值時(shí)，節(jié)煤量為9 257.4 t，兩者差別660 t。當(dāng)管道效率設(shè)為99%時(shí)，節(jié)煤量為8 685 t，與實(shí)際計(jì)算管道效率相比，兩者相差572.4 t。

圖7 管道熱效率對(duì)各工況機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響

由此計(jì)算可知，在發(fā)電權(quán)交易時(shí)，管道效率對(duì)機(jī)組燃煤費(fèi)的統(tǒng)計(jì)有很大的影響。

6 結(jié) 論

在火電機(jī)組變工況運(yùn)行的效益評(píng)價(jià)中，應(yīng)定量考慮管道熱效率的影響。研究和計(jì)算表明，評(píng)價(jià)調(diào)峰機(jī)組能效時(shí)，若管道效率取99%，所得的機(jī)組供電煤耗值偏低，將導(dǎo)致過(guò)高地評(píng)估該機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。事實(shí)上，隨著機(jī)組負(fù)荷的下降，處于深度調(diào)峰狀態(tài)時(shí)，機(jī)組的管道熱效率會(huì)更低。因此，將管道效率設(shè)為定值，再評(píng)價(jià)調(diào)峰機(jī)組的能效是不準(zhǔn)確的。

以300 MW機(jī)組的運(yùn)行為例，若管道熱效率取定值99%，在機(jī)組負(fù)荷為 100%、80%、60%、50%工況下，與考慮實(shí)際管道效率的機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)煤耗率比較，實(shí)際煤耗率分別升高了8.22 g/kw·h、8.41 g/kw·h、g/kw·h、8.97 g/kw·h，平均相差8.6 g/kw·h。

同樣，以A電廠和B電廠300 MW機(jī)組為例，若A電廠和B電廠進(jìn)行發(fā)電權(quán)交易，如果考慮管道熱效率相比，兩者的節(jié)煤量相差660 t。因此，管道熱效率對(duì)發(fā)電權(quán)交易收益部分的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，也有著重要的影響。

[1] 國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì). 煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)[EB/OL]. http://bgt.ndrc.gov.cn/zcfb/201409/t20140919_626242.html, 2016-9-28.

[2] 石奇光, 薛玉蘭. 關(guān)于發(fā)電廠管道熱效率的反平衡算法及其分析[J]. 華東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1997(3):99-105.

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Effect of Piping Thermal Efficiency in Efficiency Evaluation of Unit Peaking Operation

SUN Hao-zu, SHI Qi-guang, XU Yin-wen

(College of Power and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

In order to accurately evaluate the efficiency of the deep peak-shaving operation of a thermal power unit, four operating conditions (100%, 80%, 60%, 50%) of a 300 MW unit under variable operating conditions are analyzed quantitatively, where the effect of efficiency of pipeline on thermal economy of the unit is not negligible.

unit; peaking; piping; thermal efficiency; energy efficiency; operation; evaluation; analysis

1672-0210(2017)01-0030-05

2016-09-28

孫浩祖(1989-)，男，在讀碩士，從事研究火力發(fā)電機(jī)組的節(jié)能改造及能源審計(jì)工作。

TK212+.4

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