夾點技術在火電機組節能中的應用

冉寧，馬永光

(華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003)

夾點技術在火電機組節能中的應用

冉寧，馬永光

(華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003)

以某250 MW燃油火電機組熱力系統為出發點，對現行的換熱網絡進行分析，利用問題表法計算出換熱系統的夾點和各換熱器中的傳熱溫差.通過改變冷熱流的質量流量達到優化換熱網絡、消除傳熱溫差散亂分布和節省公用工程的目的.計算結果表明：換熱網絡優化后，電廠效率提高，油耗明顯降低.

夾點技術；換熱網絡；問題表法；火電

節能工作的發展經歷了這樣幾個過程：第1階段重點是單個的余熱流的余熱回收；第2階段重點是單個設備的節能；第3階段重點考慮過程系統節能.20世紀80年代以來，隨著過程系統工程學的發展，人們認識到要把一個過程工業工廠設計的整體最優化，即最小能耗、最少費用、最少污染，就必須把整個系統結合起來作為一個有機整體來看待.因此對于過程系統節能時代，過程集成成為焦點.過程集成方法中目前最實用的是夾點技術[1].夾點技術已成功地在世界范圍取得了顯著的節能效果，如赫斯特、拜耳、ICI等都早已采用夾點技術，有名的大工程設計公司如凱洛格、魯姆斯、東洋等都設立了夾點技術組.現在國際上一些大公司在投標時，先進行夾點技術分析已成為必要條件[2].

在過程工業生產系統中，始終伴隨著能量的交換，例如在一個換熱器中，冷熱流之間進行熱交換：熱流需要冷卻，冷流需要加熱.冷卻不足的部分就必須消耗冷卻公用工程所提供的冷量，加熱不足的部分就必須消耗加熱公用工程提供的熱量.在燃油火電廠中，首先分析現行換熱網絡[3-4]，確定冷熱流，計算冷熱公用工程耗量，然后對換熱網絡進行優化集成，提高換熱網絡熱回收率，減少加熱公用工程量和冷卻公用工程量，從而提高熱循環效率.

應用夾點技術對某燃油火電機組換熱網絡進行了優化集成的實例研究.計算結果表明:優化后的火電廠效率提高，油耗降低.該方法原理簡單，效果明顯，但是計算量相對增加.

1 夾點技術簡介

1.1夾點的形成

過程工業生產系統中存在多股冷熱流，過程綜合就是要設計出能使冷熱流充分換熱以盡可能回收熱量，同時滿足投資費用、可操作性等方面的約束條件的過程系統.

冷熱流間的換熱量與公用工程耗量的關系可用溫-焓圖(t-H圖)表示.溫-焓圖的縱軸為溫度t，橫軸為焓.2點之間對應橫坐標的距離表示物流的熱量(即焓差ΔH)，因此物流線進行平移時，對物流的熱量和溫位沒有影響.當有多股熱、冷流進行換熱時，所有的熱、冷流復合曲線可以同時在溫-焓圖上表示，如圖1所示.

圖1 冷熱復合溫-焓曲線

2條曲線在H軸上的投影重疊部分即為冷熱流間的換熱量QR，未重疊部分即為冷、熱公用工程耗量QC,QH.當2條曲線在水平方向上平移靠近時，熱回收量增大，冷、熱公用工程耗量減小.當曲線靠近至某一點達到最小允許傳熱溫差Δtmin時，熱回收量達到最大QR,max，冷、熱公用工程耗量達到最小QC,min,QH,min，此時2曲線縱坐標最接近的位置叫做夾點.

1.2問題表法

當物流較多時，采用復合溫-焓圖很繁瑣，且不夠準確，此時常用問題表法[5]來精確計算.問題表法的步驟如下:

1)以冷熱流的平均溫度為標尺，劃分溫度區間.冷熱流的平均溫度相對熱流，下降1/2個夾點溫差Δtmin/2；相對冷物流，上升1/2個夾點溫差Δtmin/2.這樣可以保證在每個溫區內熱流比冷物流高Δtmin，滿足了傳熱的需要.

2)計算每個溫區內的熱平衡，以確定各溫區所需的加熱量和冷卻量，計算式為

ΔHi=(∑CPc-∑CPH)(ti-ti+1),

(1)

式中，ΔHi為第i區間所需外加熱量，單位為kW；∑CPC，∑CPH分別為該溫區內冷、熱流熱容流率之和，單位為kW/℃；ti，ti+1分別為該溫區的進、出口溫度，單位為℃.

3)進行熱級聯計算.第1步，計算外界無熱量輸入時各溫區之間的熱通量.第2步，為保證各溫區之間的熱通量≥0，根據第1步計算結果，取絕對值最大的為負的熱通量的絕對值為所需外界加入的最小熱量，即為最小加熱公用工程耗量，由第1個溫區輸入；然后計算外界輸入最小加熱公用工程耗量時各溫區之間的熱通量；而由最后一個溫區流出的熱量，就是最小冷卻公用工程耗量.

4)溫區之間的熱通量為零處，即為夾點.

2 夾點技術的應用

2.1系統簡介

某250 MW燃油火電機組熱力系統如圖2所示.機組部分技術數據、運行參數見表1.

圖2 250 MW機組原則性熱力系統示意

表1 機組部分技術數據、運行參數

由表1可以計算得到鍋爐熱負荷為595.489 MW.

2.2初始換熱網絡的分析

首先對機組熱力系統進行分析，確定換熱網絡的冷熱流.汽輪機各級抽汽在加熱器中用于給水的加熱，汽輪機低壓缸排汽在凝汽器中放熱，因此將汽輪機各級抽汽和低壓缸排汽作為換熱網絡的熱流；汽輪機高壓缸排汽在加熱器中重新加熱，加熱器中的給水最終被加熱為過熱蒸氣，因此將高壓缸排汽和給水作為換熱網絡的冷物流.

冷熱流的物理特性通常包含物流的供應溫度tsup和目標溫度ttar，此外還需要確定質量流量m和熱容流率CP.熱容流率由式(2)計算.

CP=m·Cp,

(2)

式中Cp為物流定壓比熱容.物流在不同液相下的定壓比熱容不同，熱容流率也不同.不同液相下物流由tsup加熱到ttar所需的熱量Q由式(3)計算.

Q=m·CP·Δt.

(3)

換熱網絡冷熱物流在不同液相下信息見表2，3[6].

表2 初始狀態不同液相下冷物流信息

表3 初始狀態不同液相下熱流信息

續表3

冷卻公用工程由冷凝器外部冷卻水提供，加熱公用工程由鍋爐燃燒提供.取冷熱流最小溫差(夾點溫差)Δtmin=3.7 ℃，此時加熱公用工程耗量為鍋爐熱負荷，即QH=595.489 MW.通過表2,3中數據，應用問題表法計算出夾點溫度和冷卻公用工程耗量，計算結果見表4.換熱系統的冷熱復合溫-焓圖見圖3.

表4 初始狀態下計算結果

圖3 初始換熱網絡冷熱復合溫-焓

根據圖3可得各加熱器冷熱流的最小傳熱溫差，見表5.表中tC,tH和Δtmin分別代表冷流溫度、熱流溫度和冷熱流溫差.

2.3換熱網絡的優化

從表5中可以看出，系統允許的最低傳熱溫差(Δtmin=3.7 ℃)位于6號低壓加熱器熱流冷凝階段.在其他加熱器熱流冷凝階段，傳熱溫差逐漸增大至15.9 ℃.消除系統傳熱溫差的散亂分布是優化換熱網絡、降低油耗的第1步[7].在冷凝階段，所有點的壓力和溫度已經固定，為了使傳熱溫差接近夾點溫差(Δtmin=3.7 ℃)，改變一定量加熱器抽汽的質量流量，可以使冷熱流的溫差達到最小.因此在2個連續的夾點之間應用式(4)，可以改變冷熱流之間的熱平衡.

(4)

式中下標i和j分別表示連續2夾點之間熱流和冷物流的數量.本文中的250 MW機組包含6股抽汽，在疏水飽和溫度和相應的壓力下有7個連續的夾點.在7個連續夾點之間應用式(4)能夠得到6個方程共包含7個未知量(6股疏水質量流量和給水流量).機組的輸出功率應等于設定功率(250 MW)，汽輪機輸出功率由流經汽輪機的蒸氣流量決定，通過汽輪機的能量平衡方程：汽輪機總輸出負載等于設定的功率，計算出給水流量.該方程作為第7個方程.所有方程均為線性方程，因此結果容易計算.表6列出了優化后的質量流量，作為對比，同時列出了初始狀態下的質量流量.

表5 各加熱器冷熱流最小傳熱溫差

表6 初始和優化后的疏水流量和給水流量

將表6中優化后的質量流量替換表2,3中相應的質量流量，應用問題表法計算出夾點溫度和冷、熱公用工程耗量，結果見表7，換熱系統的冷熱復合溫-焓圖見圖4.

表7 優化后計算結果

圖4 優化換熱網絡冷熱復合溫-焓

根據圖4可得各加熱器冷熱流最小傳熱溫差，見表8.

表8 各加熱器冷熱流最小傳熱溫差

對比表5和表8、圖3和圖4可以看出，優化后的系統傳熱溫差的散亂分布情況已經基本改善，因此熱回收量增大，冷、熱公用工程耗量減小，從而提高熱循環效率.

電廠效率η通過式(5)計算得到.換熱網絡優化前后油耗與電廠效率對比見表9.表中Wnet,Qin分別為發電量、能量消耗總量.

(5)

表9 優化前后電廠油耗速率和效率

3 結論

計算結果表明，利用夾點技術優化換熱網絡后，電廠效率提高，油耗降低.蒸汽的熱負荷降低，進入汽輪機低壓缸蒸汽流量減少，可以有效降低汽輪機葉片的腐蝕.此外油耗的降低可以使電廠采用更小的爐膛從而降低投入，減少環境污染.

[1]馮霄.化工節能原理與技術[M].北京：水利電力出版社，1995.

[2]李洪，曲云霞.窄點技術原理及其應用[J].節能，2005，11：13-16.

LI Hong，QU Yunxia.Principle and application on pinch technology [J].Energy Conservation，2005，11：13-16.

[3]LINNHOFF B.Pinch analysis：a state-of-the-art over-view[M].Newyork：Chemical Engineering Research & Design Transactions，1993.

[4]AHMAD S，LINNHOFF B，SMITH R.Cost optimum heat exchanger networks.Part 2.Targets and Design for Detailed Capital Cost Models[J].Comp & Chem Eng，1990，14(7)：751-767.

[5]宋昌奇.夾點技術在石油化工中的應用[D].西安：西北工業大學，2005.

SONG Changqi.Pinch technology application in petrochemical works[D].Xi’an：Northwestern Polytechnical University，2005.

[6]DHOLE V R， ZHENG J P.Apply combined pinch and exergy analysis to closed cycle gas turbine system design[J].Journal of Engineering for Gas Turbine and Power， 1995，117：47-52.

[7]FAZLOLLAH E，MASOUD B.Higher efficiency targeting in a steam power plant by using pinch technology[J].University Politechnical of Bucharest Scientific Bulletin，2009，71(4) ：29-42.

Applicationofpinchtechnologyinenergysavingofthermalpowerplant

RANNing,MAYongguang

(School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power

University, Baoding 071003, China)

Taking 250 MW thermal power generating unit as an example, the present heat exchanger network (HEN) was analyzed, and the pinch point of the HEN and temperature difference of each heat exchanger was figured out by means of program table algorithm. In order to optimize the HEN, the uncoordinated distribution of the temperature difference was removed and utilities was saved through changed the mass flow of cold and hot stream. The result showed that this technology made an increase of total efficiency as well as decrease of the use of fuel.

pinch technology; heat exchanger network; program table algorithm; thermal power plant

10.3969/j.issn.1000-1565.2013.04.017

2012-06-12

華北電力大學中央高校基本科研業務專項資金資助項目(12ZX18)

冉寧(1987-)，男，河北承德人，華北電力大學在讀碩士研究生，主要從事電力企業節能優化技術的研究.

E-mail:rn51482318@126.com

TK018

A

1000-1565(2013)04-0429-08

(責任編輯梁俊紅)