管道熱效率在機組調峰運行能效評價中的作用

孫浩祖，石奇光，徐銀文

(上海電力學院 能源與機械工程學院 上海 200090)

管道熱效率在機組調峰運行能效評價中的作用

孫浩祖，石奇光，徐銀文

(上海電力學院 能源與機械工程學院 上海 200090)

為了評價火電機組深度調峰的能效，以某300MW機組的變工況運行為例，定量分析了該機組調峰運行時的能效。在4種運行工況下(100%、80%、60%、50%負荷)，評價了該機組運行的熱經濟性。在變工況運行時，管道效率對機組熱經濟性的影響不可忽略。

機組； 調峰； 管道； 熱效率； 能效； 運行； 評價； 分析

0 概 述

隨著電網容量的不斷擴大，電網負荷峰谷之差也日趨增大。我國將優先發展可再生能源，不斷改變能源結構，這些措施，將迫使300 MW等大容量火電機組擔負更多的調峰任務，以適應用電負荷的變化和滿足電網穩定的需求。

我國火電機組的運行水平和調峰的管理機制，仍需要進一步優化。據發改委統計數據，國內600 MW機組的平均供電煤耗為320 g/kW·h，國外先進機組的平均供電煤耗為314 g/kW·h，差距達6 g/kW·h。對于調峰機組，需偏離設計工況下運行，因此，機組的供電煤耗將會更高。

在“十三五”節能減排規劃中，我國節能減排的力度會更大。有關條例中已明確規定，全國新建燃煤發電機組的平均供電煤耗，需低于300 g/kW·h。至2020年，對現役燃煤機組改造后的平均供電煤耗，需低于310 g/kW·h[1]，所以，燃煤機組節能減排的任務很艱巨。

提升現役火電機組的調峰能力，是一項緊迫和具有現實意義的課題。同時，合理評價火電機組低負荷運行時的能效，無論在學術上和工程應用上，都有著實際意義。

近年來，隨著節能理論的發展，對于機組的管道效率，也得到了重視和研究。石奇光等已全面闡述了熱力系統中管道效率的內涵和范圍，并建立了發電廠管道熱效率的反平衡計算[2]。李巖峰等對管道熱效率在線診斷進行了分析[3]。實踐證明，管道效率是火電廠熱經濟性評價中不可缺少的一環。

現以300 MW機組調峰運行為依據，分析了管道熱效率對變負荷運行機組熱經濟性的影響，并以發電權交易為例，定量評價了管道熱效率對交易收益的影響，為合理分析火電機組調峰運行的經濟性，提供參考。

1 熱力系統及能效評價

1.1 熱力系統

火電機組生產電能是一個能量轉換的過程，以熱效率或者熱損失率的大小，可以衡量電廠或者熱力設備的熱經濟性。熱效率η的通用表達式為：[4]

(1)

該機組熱力系統的布置，如圖1所示。

圖1 機組的熱力系統

1.2 機組的能效評價

評價機組的能效，可用熱經濟性指標進行衡量。主要的熱經濟性指標，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—汽輪發電機組效率。

在火電機組的能效評價中，管道效率也是熱力系統總效率重要的組成部分。然而，在計算火電機組熱經濟性時，均將管道效率設為定值，常取值為99%。實際的管道效率是隨機組負荷的變化而存在一定幅度的變化，因此，對機組進行熱平衡計算時，將管道效率設定為固定值并不科學。

供電煤耗率是評價火電廠熱經濟的重要指標之一，其計算公式為：

(3)

當機組變負荷運行時，管道效率對火電廠供電煤耗有很大影響。計算表明，若1 000MW機組每年運行4 000h，當管道效率每變化1%，則該機組全年燃燒標準煤的變化量為12 000t，折合人民幣432萬元(煤價為360元/噸)。因此，對于變負荷運行機組的熱經濟性評價，管道熱效率的變化將對評價產生很大的影響。

2 鍋爐變工況熱負荷的特性

機組在調峰過程中，鍋爐變工況熱負荷的變化特性對鍋爐效率影響甚大。機組在變工況運行時，隨著機組負荷的降低，鍋爐熱負荷也逐漸降低。某1 000MW電站鍋爐變工況運行時，通過測算排煙熱損失q2、煙氣中可燃氣體熱損失q3、飛灰及底渣中含碳量造成的化學能損失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荷的變化情況。鍋爐的各項損失與負荷的關系，如表1所示。鍋爐的各項損失與效率的關系，如圖2所示。

表1 鍋爐各項損失與負荷的關系

鍋爐負荷/%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 鍋爐各項損失和鍋爐效率與負荷的關系

根據運行時的數據顯示，鍋爐熱負荷是按機組負荷的變化而變化。機組負荷越小，鍋爐熱負荷越低。在各項能量損失中，飛灰及底渣中含碳量造成的化學能損失q4及鍋爐本體散熱損失q5較大，鍋爐效率也是隨機組負荷的變化而變化。機組負荷越小，鍋爐的熱效率越低。

3 汽機變工況熱耗量的特性

汽輪機組的絕對內效率，取決于汽輪機的實際內功率與汽輪機熱耗，即單位時間所做的實際內功與耗用的熱量之比，其表達式為：

(4)

當機組低負荷運行時，汽輪機的熱耗量呈下降趨勢，此時，因機組的運行偏離了設計工況，機組的熱效率相對于額定工況，也呈下降趨勢。某300 MW機組變負荷后熱耗量的變化，如表2所示。該機組變負荷運行后，Q0及ηi的變化關系，圖3所示。

表2 300 MW機組變負荷后熱耗量的變化

機組負荷/MW300240180120機組熱效率/%46.4745.6744.8744.03汽輪機熱耗Q0/MJ×1032.60692.07461.55161.0476

圖3 300 MW機組變負荷后Q0及ηi的變化關系

4 管道效率對機組調峰能效的影響

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

通過對不同負荷下燃煤電廠管道效率變化特性的研究發現[6]，隨著負荷的降低，汽輪機熱耗量Q0和鍋爐熱負荷Qb都是下降的。在不同負荷的運行條件下，負荷下降越大，造成鍋爐熱能損失中的飛灰及底渣的化學能損失q4、鍋爐本體散熱損失q5越大。根據管道效率的定義，管道效率為：

(5)

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

表3 300 MW機組變負荷后管道效率的變化

機組負荷/MW300240180120鍋爐熱負荷Qb/MJ×1032.65572.13711.63261.1515汽輪機熱耗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隨機組負荷的變化關系

圖5ΔQ和管道效率與機組負荷的關系

對某300MW火電機組的管道熱效率進行測試，分別選取100%、80%、70%額定工況，測出各項管道損失量，從而得出機組的管道效率。計算發現，機組在3種工況下，管道效率分別為98.61%、98.63%、98.31%，如將管道效率設為定值(99%)，再計算該機組的熱經濟性，按實際管道熱效率計算得出的供電煤耗率，高于管道效率為定值的供電煤耗率，這就會過高地評估該機組的熱經濟性，這也是造成發電公司正、反平衡煤耗差的原因之一[7]。

5 計算舉例及分析

5.1 計算管道熱效率的對象及條件

以某300MW機組為對象，研究了該機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%)，機組變工況運行的主要參數，如表4所示。

表4 300 MW火電機組變工況主要參數

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

機組運行時，管網內不可避免地存在散熱損失和工質泄漏損失。為了便于計算管道總熱損失量，設定汽輪機側工質溫度與鍋爐側存在1K溫差[8]，選用除氧器作為廠用蒸汽汽源，抽汽的質量流量為10 t/h,返回水份額為零。損失的工質在凝汽器處得到補充，主蒸汽管道的蒸汽泄漏質量流量為5 t/h，主給水管道的給水泄漏質量流量為15 t/h。補水進入凝汽器，補水焓為85.3 kJ/kg。采用反平衡計算法，計算管道的熱效率。

5.2 計算結果及分析

管道熱效率對變工況機組熱經濟性的定量影響，如表5所示。

表5 管道效率對機組變工況運行熱經濟性的影響

工況項目管道效率/%絕對電效率/%全廠效率/%標煤耗率/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實際計算管道效率96.4045.2339.25313.3980%工況無管道熱損失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，機械效率為0.985，發電機效率為0.9882。

當機組負荷分別為100%、80%、60%、50%工況時，考慮了管道總的熱損失量，機組的管道熱效率，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。隨著機組負荷的降低，機組的管道效率呈下降趨勢，標準煤耗率在增加。不同負荷時，管道效率與標煤耗率的相關曲線，如圖6所示。

圖6 不同負荷時管道效率與標煤耗率的相關曲線

隨著機組負荷的下降，管道熱效率對機組熱經濟性的影響更大。此時，若管道熱效率仍取定值99%，則標準煤耗率分別為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，對評價方案進行比較時，取管道熱效率為99%或忽略，均會導致過高評估機組的熱經濟性。考慮管道熱效率后，對各工況下機組熱經濟性的影響，如圖7所示。

5.3 發電權交易及統計

在發電權交易時，需統計機組的燃煤費。以A電廠300 MW機組(100%THA、60%THA)工況下和B電廠300 MW機組(40 %THA)工況下的運行數據進行計算，經發電權交易的節煤量計算表明，當A電廠取得180 MW的發電量，并與B電廠進行發電權交易取得120 MW的發電量，交易時間為1 000 h，若不計管道效率時，節煤量為8 597.4 t；管道效率為實際值時，節煤量為9 257.4 t，兩者差別660 t。當管道效率設為99%時，節煤量為8 685 t，與實際計算管道效率相比，兩者相差572.4 t。

圖7 管道熱效率對各工況機組熱經濟性的影響

由此計算可知，在發電權交易時，管道效率對機組燃煤費的統計有很大的影響。

6 結 論

在火電機組變工況運行的效益評價中，應定量考慮管道熱效率的影響。研究和計算表明，評價調峰機組能效時，若管道效率取99%，所得的機組供電煤耗值偏低，將導致過高地評估該機組的熱經濟性。事實上，隨著機組負荷的下降，處于深度調峰狀態時，機組的管道熱效率會更低。因此，將管道效率設為定值，再評價調峰機組的能效是不準確的。

以300 MW機組的運行為例，若管道熱效率取定值99%，在機組負荷為 100%、80%、60%、50%工況下，與考慮實際管道效率的機組標準煤耗率比較，實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機組為例，若A電廠和B電廠進行發電權交易，如果考慮管道熱效率相比，兩者的節煤量相差660 t。因此，管道熱效率對發電權交易收益部分的準確評價，也有著重要的影響。

[1] 國家發展改革委員會. 煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)[EB/OL]. http://bgt.ndrc.gov.cn/zcfb/201409/t20140919_626242.html, 2016-9-28.

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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，從事研究火力發電機組的節能改造及能源審計工作。

TK212+.4

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