基于先進分析法的供熱機組優化

王文煥， 李秋白， 王炯銘， 譚 銳， 黃啟龍， 戴曉業， 史 琳

(1. 清華大學 能源與動力工程系，北京 100086； 2. 國能南京電力試驗研究有限公司，南京 210046； 3. 國能(泉州)熱電有限公司，福建泉州 362804))

在中國，火力發電一直占據主導地位，其裝機容量超過63%[1]。然而，燃煤電廠普遍存在低效、高能耗和高污染物排放的問題。電力行業的碳排放量約占中國能源系統碳排放量的40%，是最大的碳排放源。在“碳達峰”、“碳中和”的關鍵時期，電力行業節能減排的任務艱巨，燃煤機組是電力行業低碳轉型的主要戰場[2]。

供熱改造是燃煤機組提高效率、實現節能減排的重要途徑[3]。常規燃煤機組進行供熱改造后，傳統的熱經濟性指標不再適用，并且整個系統中各節點的熱力學參數可能也會發生變化。現有研究通常使用總參數+分項指標的方式來評價供熱機組的熱力學性能，但是該方式描述復雜，并且具有一定的片面性[4]。因此，有必要從熱力學第二定律的角度出發，結合分析的相關概念，對供熱機組進行綜合評價，同時分析其各部件的損失分布，為機組選型提供優化參考。

1 熱力學模型

選取CN300-1.67/538/538型機組進行研究，該機組為一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽的抽汽凝汽式汽輪機，回熱系統采用傳統的3個高壓加熱器、4個低壓加熱器、1個除氧器的形式，給水泵汽輪機用汽取自第四級回熱抽汽，并且假設凝汽器熱井處補水參數與環境參數一致。供熱改造采用雙汽源抽汽改造，分別將第一級回熱抽汽和熱再熱蒸汽抽汽供給高、中壓熱用戶。機組的熱力參數和供熱參數分別見表1和表2。

表1 機組的熱力參數

表2 機組的供熱參數

2.1 傳統分析模型

e=(h-T0s)-(h0-T0s0)

(1)

式中：h和h0分別為當前狀態點和環境參考態下工質的比焓；s和s0分別為當前狀態點和環境參考態下工質的比熵；T0為環境參考態溫度。

(2)

部件k效率的計算公式為：

(3)

式中：εk為部件k的效率。

(4)

將該300 MW供熱機組的整個熱力系統分解為汽輪機級組、回熱加熱器、凝汽器、給水泵及供熱部件，其中供熱部件表示供熱改造所使用的汽汽換熱器等設備。供熱機組及各部件的損見表3，其中：為系統或部件的損；為質量流量；Pe為機組發電功率；下標tot、tur、reh、con、pump和heating分別表示供熱機組、汽輪機、回熱加熱器、凝汽器、給水泵和供熱部件；下標i、j分別為汽輪機級組、回熱加熱器級數；下標f、s、w、ma和c分別表示燃料、蒸汽、給水、化學補充水和凝結水；下標in、out分別表示該部件的進、出口位置；下標hh、hi和re分別表示高、中壓熱用戶和熱再熱蒸汽；上標d表示疏水；和分別為給水泵汽輪機用汽的質量流量和比。

表3 供熱機組及各部件的傳統損計算模型

表3 供熱機組及各部件的傳統損計算模型

部件傳統損計算模型供熱機ED,totmfefmmaema-(Pemhhehhmhiehi)汽輪機級ED,turmtur,i(ei,in-ei,out)-Pe,j回熱加熱ED,rehmsjesjmwj(ewj,in-ewj,out)mdwj,inedwj,inmdwj,outedwj,out凝汽ED,conmtur,outetur,outm′tur,oute′tur,outmdwedwmmaemamc,outec,out給水ED,pumpm′tur(e′tur,in-e′tur,out)mpump(epump,in-epump,out)供熱部ED,heatingmhh(el-ehh)mhi(ere-ehi)

該機組為燃煤機組，在已知煤的高位熱值的條件下，可根據GB/T 14909—2021 《能量系統分析技術導則》中規定的公式[13]計算煤的，具體為：

(5)

工質在循環各節點處的熱力參數(壓力、溫度、比焓)通過汽輪機原則性熱力計算方法求解[14]，計算滿足以下假設：(1)采用IFC67蒸汽表；(2)忽略加熱器散熱損失；(3)汽輪機的機械效率ηm、電機效率ηg分別為0.990、0.985；(4)鍋爐效率ηb為0.930。

2.2 先進分析模型

表4 各部件的實際、極限和理想工況參數

(6)

對于表3中的各部件，可逐一構建混合過程(即部件k在實際工況下運行，其余部件在理想工況下運行)，計算部件k的損分布。

在評估系統部件的節能潛力時，因為無法達到理想工況，所以無法將內源損和外源損作為準確的評價標準。因此，可進一步將部件k的損分解為可避免損和不可避免損。部件k的損為：

(7)

(8)

通過構建混合過程，計算部件k的不可避免內源損，其余參數的計算公式為：

(9)

(10)

(11)

為直觀地評估部件的優化潛力，定義了部件k的可避免內源損率，其計算公式為：

(12)

式中：φk為部件k的可避免內源損率。

3 結果與分析

3.1 傳統分析

選取GB/T 14909—2021中規定的環境參考態(100 kPa、298.15 K)，計算物流的熱物性參數，得到各部件的傳統分析結果(見表5)。

表5 各部件的傳統分析結果

表5 各部件的傳統分析結果

部件損/MW效率/%損率/%鍋爐333.8352.9586.85汽輪機HP18.4897.892.21汽輪機HP22.0299.150.53汽輪機IP15.4197.321.41汽輪機IP21.1199.270.29汽輪機LP12.4897.660.65汽輪機LP21.5897.850.41汽輪機LP31.0497.920.27汽輪機LP41.9494.500.50汽輪機LP53.0584.180.79換熱器H10.8995.010.23換熱器H21.6392.820.42換熱器H31.8486.290.48除氧器DH1.6893.530.44換熱器H52.0874.000.45換熱器H60.8082.910.13換熱器H70.6372.330.21換熱器H80.2984.370.05給水泵2.3592.500.64凝汽器5.842.991.52供熱部件5.8893.521.53

3.2 先進分析

表6 各部件的先進分析結果

表6 各部件的先進分析結果

部ED,k/MWEEND,k/MWEEXD,k/MWEUND,k/MWEUN, END,k/MWEUN, EXD,k/MWEAVD,k/MWEAV, END,k/MWEAV,EXD,k/MWφk/%鍋爐333.83305.1928.64302.06291.5610.5031.7713.6318.144.08汽輪機HP18.487.910.574.234.100.124.253.800.4544.83汽輪機HP22.021.900.131.221.160.060.810.740.0736.43汽輪機IP15.413.751.652.832.790.052.580.971.6117.90汽輪機IP21.110.990.130.800.760.040.310.230.0920.25汽輪機LP12.482.220.261.391.350.041.090.870.2235.11汽輪機LP21.581.390.201.181.120.060.400.190.2211.83汽輪機LP31.040.900.150.740.710.030.300.190.1217.80汽輪機LP41.941.700.240.950.910.040.990.780.2140.42汽輪機LP53.052.630.421.540.890.651.511.74-0.2357.10換熱器H10.890.680.210.770.670.110.120.010.111.03換熱器H21.631.270.361.401.250.150.230.020.211.16換熱器H31.841.560.281.601.560.040.2400.240.16除氧器DH1.680.551.131.400.550.850.2800.280.01換熱器H51.711.130.581.471.130.340.250.010.240.35換熱器H60.490.260.230.390.260.130.1000.100.06換熱器H70.800.460.340.650.450.200.140.010.140.74換熱器H80.200.150.050.180.140.040.010.010.014.28給水泵2.442.290.151.211.43-0.231.240.860.3835.08凝汽器5.844.781.065.254.770.470.600.010.590.20供熱部件5.884.231.654.774.230.531.1101.110

由表6可得：

圖1 各部件損的分布情況

4 結語

(3) 進行系統整體優化時，部分部件效率的升高可能造成其余部件效率的下降，因此在系統優化時應當綜合考慮各部件的影響，實現系統的最優化運行。