丁巖峰

(國中康健集團(tuán)有限公司， 北京 100070)

目前，電廠安裝低溫余熱利用系統(tǒng)成為趨勢，根據(jù)電廠熱力系統(tǒng)實(shí)際情況，低溫省煤器(簡稱低省)可布置在除塵器進(jìn)口或出口[1]，利用鍋爐排煙加熱汽輪機(jī)部分回?zé)嵯到y(tǒng)中本應(yīng)由汽輪機(jī)抽汽加熱的凝結(jié)水，降低排煙溫度，回收煙氣余熱，降低機(jī)組煤耗[2-3]。機(jī)組的低溫余熱利用系統(tǒng)節(jié)能效益的計(jì)算通常采用等效焓降計(jì)算法，即根據(jù)汽輪機(jī)熱平衡圖，從汽輪機(jī)冷凝器開始計(jì)算各級加熱器抽汽的等效焓降、抽汽效率等參數(shù)，最后得出節(jié)煤量，整個(gè)計(jì)算過程復(fù)雜[4-5]。

筆者以某1 000 MW機(jī)組的低溫余熱利用系統(tǒng)為研究對象，分別采用簡化的等效焓降計(jì)算法和Thermoflex軟件計(jì)算法對其節(jié)能效益進(jìn)行分析計(jì)算，闡述了兩種計(jì)算方法的計(jì)算過程，比較分析了兩種計(jì)算方法的計(jì)算誤差、優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件。

1 低溫余熱利用系統(tǒng)

該機(jī)組的鍋爐為超超臨界參數(shù)、變壓直流爐、對沖燃燒方式、固態(tài)排渣、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、全懸吊П形結(jié)構(gòu)，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)質(zhì)量流量為3 100 t/h，汽輪機(jī)型號N1000-26.25/600/600，反動式，四缸四排汽、單背壓、凝汽式汽輪機(jī)，回?zé)嵯到y(tǒng)有3臺高壓加熱器、4臺低壓加熱器(簡稱低加)、1臺除氧器。

1臺鍋爐的6個(gè)煙道各設(shè)計(jì)布置1臺低省(共6臺)，汽輪機(jī)額定負(fù)荷(TRL)工況下設(shè)計(jì)將煙氣溫度由140 ℃降至100 ℃，熱耗率驗(yàn)收(THA)工況下設(shè)計(jì)將煙氣溫度由130 ℃降至100 ℃。從6號低加進(jìn)口與出口取部分凝結(jié)水混合，混合溫度為80 ℃(可調(diào))，經(jīng)過低省加熱后回到6號低加出口。通過調(diào)節(jié)凝結(jié)水旁路調(diào)節(jié)閥開度，控制低省的取水量，低溫余熱利用系統(tǒng)見圖1，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 該1 000 MW機(jī)組低溫余熱利用系統(tǒng)

表1 低溫余熱利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 兩種計(jì)算方法

2.1 等效焓降計(jì)算法

2.1.1 等效焓降計(jì)算法分析原理

等效焓降計(jì)算法是根據(jù)熱力學(xué)第一定律，利用熱量平衡和質(zhì)量平衡，分析蒸汽動力裝置和熱力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。從不同位置引出凝結(jié)水對汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的影響是不同的。對于回?zé)嵯到y(tǒng)，加熱凝結(jié)水后，有一定的外界熱量進(jìn)入低加，排擠一部分的汽輪機(jī)抽汽，被排擠的抽汽增加了汽輪機(jī)的做功能力，這是煙氣熱量回收裝置的優(yōu)點(diǎn)。從不同位置上引出凝結(jié)水進(jìn)行加熱，被排擠的抽汽的級數(shù)也不同，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性也不同。采用簡化的等效焓降計(jì)算法對低省加熱主機(jī)凝結(jié)水的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，即從低省加熱后的凝結(jié)水接入到的該級低加開始，逐級計(jì)算到汽輪機(jī)冷凝器。

2.1.2 等效焓降計(jì)算法過程

低省的冷卻水取自主機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)，取水點(diǎn)有2個(gè)，THA工況下從6號低加進(jìn)口和出口取質(zhì)量流量分別為311.65 kg/s、20.94 kg/s的凝結(jié)水，取水溫度分別為78.7 ℃、99.3 ℃，兩者混合溫度為80 ℃，經(jīng)低省加熱到108.5 ℃，接入5號低加進(jìn)口，與6號低加出口溫度為99.3 ℃的主凝結(jié)水匯合。利用簡化的等效焓降計(jì)算法對參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，低溫余熱利用方案的節(jié)約發(fā)電煤耗率計(jì)算如下。

(1) 5號低加排擠的抽汽質(zhì)量流量qm,p5。

qm,p5=qm,gs(hds-hgs5)/(hcq5-hss5)

(1)

式中：qm,gs為從低加系統(tǒng)總?cè)∷|(zhì)量流量，kg/s；hgs5為5號低加進(jìn)口凝結(jié)水比焓，kJ/kg；hds為進(jìn)入5號低加的低省凝結(jié)水比焓,kJ/kg；hcq5為5號低加抽汽比焓，kJ/kg；hss5為5號低加疏水比焓，kJ/kg。

(2)6號低加排擠的抽汽質(zhì)量流量qm,p6。

qm,p6=[qm,gs6(hgs5-hgs6)-qm,p5(hss5-hss6)]/

(hcq6-hss6)

(2)

式中：qm,gs6為從6號低加出口取水質(zhì)量流量，kg/s；hgs6為6號低加進(jìn)口凝結(jié)水比焓，kJ/kg；hcq6為6號低加抽汽比焓，kJ/kg；hss6為6號低加疏水比焓，kJ/kg。

(3) 7號低加排擠的抽汽質(zhì)量流量qm,p7。

qm,p7=qm,p6(hss6-hss7)/(hcq7-hss7)

(3)

式中：hcq7為7號低加抽汽比焓，kJ/kg；hss7為7號低加疏水比焓，kJ/kg。

(4) 8號低加排擠的抽汽質(zhì)量流量qm,p8。

qm,p8=qm,p7(hss7-hss8)/(hcq8-hss8)

(4)

式中：hcq8為8號低加抽汽比焓，kJ/kg；hss8為8號低加疏水比焓，kJ/kg

(5) 節(jié)約蒸汽做功ΔW。

ΔW=(qm,p5hcq5+qm,p6hcq6+qm,p7hcq7+qm,p8hcq8)-

(qm,p5+qm,p6+qm,p7+qm,p8)hfq

(5)

式中：hfq為乏汽比焓，kJ/kg，冷源損失由此產(chǎn)生。

(6) 節(jié)約發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率ΔB。

ΔB=1 000ΔW·qr/(W·Qar,net)

(6)

式中：W為發(fā)電功率，kW；qr為汽輪機(jī)熱耗率，kJ/(kW·h)；Qar,net為標(biāo)準(zhǔn)煤收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg。

2.1.3 加裝低省后發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率

工質(zhì)比焓均在汽輪機(jī)廠家提供的熱平衡圖中查得，加裝低省后THA工況下相關(guān)參數(shù)的取值見表2，計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 等效焓降計(jì)算法的取值

表3 等效焓降計(jì)算法的計(jì)算結(jié)果

2.2 Thermoflex軟件計(jì)算法

2.2.1 Thermoflex軟件計(jì)算法分析原理

Thermoflex軟件利用模塊化建模思想，基于“循環(huán)函數(shù)法”，對熱力系統(tǒng)典型加熱單元和輔助汽水循環(huán)形式更為全面地進(jìn)行劃分，建立了一套較為完整的熱力系統(tǒng)實(shí)時(shí)熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，能夠指導(dǎo)機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，且具有界面友好、使用方便、組態(tài)靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)[6]。

2.2.2 未加裝低省的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率

(1) 年運(yùn)行時(shí)間及運(yùn)行負(fù)荷的時(shí)間分配。

首先，根據(jù)該機(jī)組2019年10月至12月的實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)情況，年運(yùn)行時(shí)間取4 200 h，推算出THA、TRL、75%THA、50%THA工況的運(yùn)行時(shí)間占比分別為25%(1 050 h)、28%(1 176 h)、30%(1 260 h)、17%(714 h)。利用Thermoflex軟件分別計(jì)算出上述4個(gè)典型工況下未加裝低省及加裝低省后的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，計(jì)算前后發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率差值并按各工況下運(yùn)行時(shí)間加權(quán)平均得出最終發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率。

(2)表4為機(jī)組THA工況下未加裝低省的參數(shù)計(jì)算值，其他工況略。

表4 THA工況未加裝低省的參數(shù)計(jì)算值

(3) 未加裝低省的機(jī)組發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 未加裝低省的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率計(jì)算結(jié)果

2.2.3 加裝低省后發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率

(1) 利用Thermoflex軟件并結(jié)合汽輪機(jī)廠熱平衡圖建模進(jìn)行分析，得出機(jī)組在THA、75%THA、50%THA、TRL工況下加裝低省后的熱平衡計(jì)算結(jié)果，表6為機(jī)組THA工況下加裝低省后的計(jì)算值，其他工況略。

表6 THA工況下加裝低省后的計(jì)算值

表6(續(xù))

(2)加裝低省后的機(jī)組在4個(gè)工況條件下發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率、熱耗率，以及加裝低省前后發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率差值計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 加裝低省前后機(jī)組指標(biāo)計(jì)算對比結(jié)果

(3)利用Thermoflex軟件對機(jī)組節(jié)能效益進(jìn)行分析，該機(jī)組采用加裝低省方案后1臺鍋爐年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤質(zhì)量見表8，可得該機(jī)組年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤質(zhì)量為4 892.6 t。

表8 1臺鍋爐年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤質(zhì)量

3 兩種計(jì)算方法比較分析

3.1 計(jì)算工作量對比

采用等效焓降計(jì)算法，由于計(jì)算量較大，選取具有代表性的THA工況進(jìn)行計(jì)算，僅需要廠家提供熱平衡圖及具體熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案就可直接得出結(jié)果，方法較為簡單清晰。采用Thermoflex軟件計(jì)算法，前期需要建立熱力系統(tǒng)模型并輸入各個(gè)工況計(jì)算參數(shù)，前期及綜合工作量較大。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

采用等效焓降計(jì)算法和Thermoflex軟件計(jì)算法計(jì)算得到發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率分別為1.45 g/(kW·h)、1.44 g/(kW·h)，前者計(jì)算節(jié)煤量大于后者，主要是由于前者未綜合考慮機(jī)組不同負(fù)荷下的實(shí)際運(yùn)行狀況，而后者計(jì)算結(jié)果更接近機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀況，兩者的相對誤差為0.69%。

3.3 計(jì)算方法適用條件

在項(xiàng)目初期可研、投標(biāo)方投標(biāo)方案設(shè)計(jì)階段，采用等效焓降計(jì)算法計(jì)算結(jié)果雖有誤差，但是在設(shè)計(jì)階段是適用的。項(xiàng)目后期評價(jià)及實(shí)際運(yùn)行階段，采用Thermoflex軟件計(jì)算法建立系統(tǒng)模型，計(jì)算結(jié)果更精確，尤其是研究熱力系統(tǒng)變工況特性，具有其他計(jì)算方式不可比擬的優(yōu)勢，通過選取低溫余熱利用系統(tǒng)最佳可變?nèi)∷疁囟?、取水量、回水溫度等參?shù)，在保證熱力系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行中節(jié)能效益最大化。

4 結(jié) 語

(1) 采用等效焓降計(jì)算法，已知THA工況熱平衡圖及具體熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，利用簡單計(jì)算就可得出結(jié)果，適用于項(xiàng)目初期可研階段、投標(biāo)方投標(biāo)方案設(shè)計(jì)階段。

(2)Thermoflex軟件是實(shí)用性極強(qiáng)的熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模擬軟件，具有內(nèi)容豐富的設(shè)備部件資料庫，重點(diǎn)應(yīng)用于聯(lián)合循環(huán)及常規(guī)蒸汽發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)與模擬，適用于項(xiàng)目后期評價(jià)及實(shí)際運(yùn)行階段。