1 000 MW機組低溫余熱利用系統兩種節能效益計算方法比較分析

丁巖峰

(國中康健集團有限公司， 北京 100070)

目前，電廠安裝低溫余熱利用系統成為趨勢，根據電廠熱力系統實際情況，低溫省煤器(簡稱低省)可布置在除塵器進口或出口[1]，利用鍋爐排煙加熱汽輪機部分回熱系統中本應由汽輪機抽汽加熱的凝結水，降低排煙溫度，回收煙氣余熱，降低機組煤耗[2-3]。機組的低溫余熱利用系統節能效益的計算通常采用等效焓降計算法，即根據汽輪機熱平衡圖，從汽輪機冷凝器開始計算各級加熱器抽汽的等效焓降、抽汽效率等參數，最后得出節煤量，整個計算過程復雜[4-5]。

筆者以某1 000 MW機組的低溫余熱利用系統為研究對象，分別采用簡化的等效焓降計算法和Thermoflex軟件計算法對其節能效益進行分析計算，闡述了兩種計算方法的計算過程，比較分析了兩種計算方法的計算誤差、優缺點及適用條件。

1 低溫余熱利用系統

該機組的鍋爐為超超臨界參數、變壓直流爐、對沖燃燒方式、固態排渣、單爐膛、一次再熱、平衡通風、露天布置、全懸吊П形結構，鍋爐最大連續蒸發質量流量為3 100 t/h，汽輪機型號N1000-26.25/600/600，反動式，四缸四排汽、單背壓、凝汽式汽輪機，回熱系統有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個煙道各設計布置1臺低省(共6臺)，汽輪機額定負荷(TRL)工況下設計將煙氣溫度由140 ℃降至100 ℃，熱耗率驗收(THA)工況下設計將煙氣溫度由130 ℃降至100 ℃。從6號低加進口與出口取部分凝結水混合，混合溫度為80 ℃(可調)，經過低省加熱后回到6號低加出口。通過調節凝結水旁路調節閥開度，控制低省的取水量，低溫余熱利用系統見圖1，設計結構參數見表1。

圖1 該1 000 MW機組低溫余熱利用系統

表1 低溫余熱利用系統設計結構參數

2 兩種計算方法

2.1 等效焓降計算法

2.1.1 等效焓降計算法分析原理

等效焓降計算法是根據熱力學第一定律，利用熱量平衡和質量平衡，分析蒸汽動力裝置和熱力系統的經濟性。從不同位置引出凝結水對汽輪機回熱系統的影響是不同的。對于回熱系統，加熱凝結水后，有一定的外界熱量進入低加，排擠一部分的汽輪機抽汽，被排擠的抽汽增加了汽輪機的做功能力，這是煙氣熱量回收裝置的優點。從不同位置上引出凝結水進行加熱，被排擠的抽汽的級數也不同，機組經濟性也不同。采用簡化的等效焓降計算法對低省加熱主機凝結水的經濟性進行分析，即從低省加熱后的凝結水接入到的該級低加開始，逐級計算到汽輪機冷凝器。

2.1.2 等效焓降計算法過程

低省的冷卻水取自主機凝結水系統，取水點有2個，THA工況下從6號低加進口和出口取質量流量分別為311.65 kg/s、20.94 kg/s的凝結水，取水溫度分別為78.7 ℃、99.3 ℃，兩者混合溫度為80 ℃，經低省加熱到108.5 ℃，接入5號低加進口，與6號低加出口溫度為99.3 ℃的主凝結水匯合。利用簡化的等效焓降計算法對參數進行計算，低溫余熱利用方案的節約發電煤耗率計算如下。

(1) 5號低加排擠的抽汽質量流量qm,p5。

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

(1)

式中：qm,gs為從低加系統總取水質量流量，kg/s；hgs5為5號低加進口凝結水比焓，kJ/kg；hds為進入5號低加的低省凝結水比焓,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號低加出口取水質量流量，kg/s；hgs6為6號低加進口凝結水比焓，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，冷源損失由此產生。

(6) 節約發電標準煤耗率ΔB。

ΔB=1 000ΔW·qr/(W·Qar,net)

(6)

式中：W為發電功率，kW；qr為汽輪機熱耗率，kJ/(kW·h)；Qar,net為標準煤收到基低位發熱量，kJ/kg。

2.1.3 加裝低省后發電標準煤耗率

工質比焓均在汽輪機廠家提供的熱平衡圖中查得，加裝低省后THA工況下相關參數的取值見表2，計算結果見表3。

表2 等效焓降計算法的取值

表3 等效焓降計算法的計算結果

2.2 Thermoflex軟件計算法

2.2.1 Thermoflex軟件計算法分析原理

Thermoflex軟件利用模塊化建模思想，基于“循環函數法”，對熱力系統典型加熱單元和輔助汽水循環形式更為全面地進行劃分，建立了一套較為完整的熱力系統實時熱經濟性指標的數學模型，能夠指導機組經濟運行，且具有界面友好、使用方便、組態靈活、可擴展性強的特點[6]。

2.2.2 未加裝低省的發電標準煤耗率

(1) 年運行時間及運行負荷的時間分配。

首先，根據該機組2019年10月至12月的實際運行統計情況，年運行時間取4 200 h，推算出THA、TRL、75%THA、50%THA工況的運行時間占比分別為25%(1 050 h)、28%(1 176 h)、30%(1 260 h)、17%(714 h)。利用Thermoflex軟件分別計算出上述4個典型工況下未加裝低省及加裝低省后的發電標準煤耗率，計算前后發電標準煤耗率差值并按各工況下運行時間加權平均得出最終發電標準煤耗率。

(2)表4為機組THA工況下未加裝低省的參數計算值，其他工況略。

表4 THA工況未加裝低省的參數計算值

(3) 未加裝低省的機組發電標準煤耗率計算結果見表5。

表5 未加裝低省的發電標準煤耗率計算結果

2.2.3 加裝低省后發電標準煤耗率

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

表6 THA工況下加裝低省后的計算值

表6(續)

(2)加裝低省后的機組在4個工況條件下發電標準煤耗率、熱耗率，以及加裝低省前后發電標準煤耗率差值計算結果見表7。

表7 加裝低省前后機組指標計算對比結果

(3)利用Thermoflex軟件對機組節能效益進行分析，該機組采用加裝低省方案后1臺鍋爐年節約標準煤質量見表8，可得該機組年節約標準煤質量為4 892.6 t。

表8 1臺鍋爐年節約標準煤質量

3 兩種計算方法比較分析

3.1 計算工作量對比

采用等效焓降計算法，由于計算量較大，選取具有代表性的THA工況進行計算，僅需要廠家提供熱平衡圖及具體熱力系統設計方案就可直接得出結果，方法較為簡單清晰。采用Thermoflex軟件計算法，前期需要建立熱力系統模型并輸入各個工況計算參數，前期及綜合工作量較大。

3.2 計算結果分析

采用等效焓降計算法和Thermoflex軟件計算法計算得到發電標準煤耗率分別為1.45 g/(kW·h)、1.44 g/(kW·h)，前者計算節煤量大于后者，主要是由于前者未綜合考慮機組不同負荷下的實際運行狀況，而后者計算結果更接近機組實際運行狀況，兩者的相對誤差為0.69%。

3.3 計算方法適用條件

在項目初期可研、投標方投標方案設計階段，采用等效焓降計算法計算結果雖有誤差，但是在設計階段是適用的。項目后期評價及實際運行階段，采用Thermoflex軟件計算法建立系統模型，計算結果更精確，尤其是研究熱力系統變工況特性，具有其他計算方式不可比擬的優勢，通過選取低溫余熱利用系統最佳可變取水溫度、取水量、回水溫度等參數，在保證熱力系統安全運行的基礎上實現實際運行中節能效益最大化。

4 結 語

(1) 采用等效焓降計算法，已知THA工況熱平衡圖及具體熱力系統設計方案，利用簡單計算就可得出結果，適用于項目初期可研階段、投標方投標方案設計階段。

(2)Thermoflex軟件是實用性極強的熱力系統設計及模擬軟件，具有內容豐富的設備部件資料庫，重點應用于聯合循環及常規蒸汽發電機組的設計與模擬，適用于項目后期評價及實際運行階段。