汽輪機高位布置超超臨界燃煤發電系統變工況?經濟性分析

李延兵，賈樹旺，張軍亮，符悅，劉明，嚴俊杰*

（1.國能錦界能源有限責任公司，陜西省 榆林市 719319；2.動力工程多相流國家重點實驗室(西安交通大學)，陜西省 西安市 710049）

0 引言

燃煤發電是電力供應的主要形式，國際能源署( International Energy Agency，IEA)在《2021年煤炭報告》中稱，2021年電力需求增長超過了低碳能源供給能力，導致燃煤發電廠的發電量猛增9%[1]。在經歷2021年的能源短缺危機后，煤炭等傳統能源在現階段的能源系統中仍占據主導地位。然而，煤炭作為全球電力發展的基石，發展節能減排技術至關重要[2-3]。

節能減排作為我國火力發電行業的研究熱點，目前研究主要集中在降低熱端不可逆損失、減少系統內部不可逆損失及降低冷端不可逆損失3個方面[4]。在降低熱端不可逆損失的研究中，以提高主蒸汽和再熱蒸汽參數作為優化的主要手段，高參數超超臨界燃煤發電技術能夠有效提升機組效率，并且減少溫室氣體的排放[5-8]。但是，由于耐高溫材料阻礙高參數超超臨界燃煤發電技術的發展[9]，目前的主蒸汽溫度最高為605 ℃，再熱蒸汽溫度最高達到620 ℃[10]。機組的冷端受限于地理條件，這部分不可逆損失的研究主要集中于冷端構型設計[11]。

除了通過提高熱端參數和降低冷端參數來提升機組效率，還可以通過調整機組的三維結構[12]來提升機組的經濟性。采用汽輪機高位布置技術能大幅減少耐高溫管道的使用，從而提升機組的經濟性[13-15]。雖然目前汽輪機高位布置技術已經成熟[16-17]，但是現有研究大多從熱力學第一定律的角度進行分析[18-20]，鮮少對采用汽輪機高位布置技術的機組不可逆性進行分析。

通過?分析可以評估系統的不可逆性分布，為系統優化提供參考[21]。采用汽輪機高位布置的燃煤機組熱力性能變化規律與常規布置機組相似[22]，但是就投資成本而言，采用汽輪機高位布置的燃煤機組土建結構投資成本比常規布置機組成本高。因此，有必要對采用汽輪機高位布置的燃煤機組的?經濟性變化規律進行研究。

為此，本文建立采用汽輪機高位布置技術的燃煤機組的?模型和?經濟性模型，分析機組變工況下的流股、設備?效率變化以及成本變化，為后續機組的優化研究提供參考。

1 汽輪機高位布置技術的?和?經濟性分析模型

汽輪機系統由回熱加熱器、凝汽器、汽輪機本體等設備構成，基于熱力學第二定律建立機組的?模型，統籌汽輪機高位布置技術的實際運行情況，建立?經濟性分析模型。

1.1 ?分析模型

物質的?表示該物質所具有的最大能量，?分析從能量的數量和質量2個方面揭示出裝置或設備在能量中?的傳遞、轉換、利用和損失情況，從而分析系統損失的原因、部位，進而提出改進方向。

假定?分析的環境參數如下：壓力p0=0.1 MPa，溫度T0=298.15 K。燃煤發電機組以水為介質，單位質量水的?計算公式[23-24]如下：

式中：h為單位質量水的焓值，kJ/kg；h0為環境條件下單位質量水的焓值，kJ/kg；s為單位質量水的熵值，kJ/(kg?K)；s0為環境條件下單位質量水的熵值，kJ/(kg?K)。

燃煤發電機組以煤為載體，單位質量煤的?計算公式如下：

式中：qnet為煤的低位發熱量，kJ/kg；wH、wC、wO、wN分別為煤中H、C、O、N的質量分數，%。

對于整個熱力系統，定義系統的燃料?、成本?、?損失和?耗散，具體?方程如下：

式中：EF,tot為系統的燃料?，kJ/kg；EP,tot為系統的產品?，kJ/kg；ED,tot為系統的?耗散，kJ/kg；EL,tot為系統的?損失，kJ/kg；ED,k、EL,k分別為系統中部件k的?耗散、?損失，kJ/kg；εtot為系統的?效率；yD,tot為系統的?耗散系數；yL,tot為系統的?損失系數。

對于汽輪機高位布置技術的燃煤發電機組，部件k的?方程表示如下：

式中：EF,k為部件k的燃料?，kJ/kg；EP,k為部件k的產品?，kJ/kg；εk為部件k的?效率；yD,k為部件k的?耗散系數。

1.2 經濟性分析模型

典型的超超臨界一次再熱的發電機組成本約為5億美元[25]，采用汽輪機高位布置技術的發電機組增加了發電機組的購置成本，主要體現在剪力墻的費用上，該費用屬于機組的固定成本，假定電廠運行年限為30年，與機組經濟分析有關的參數如表1所示。采用總收入(total revenue requirement，TRR)方法[26]計算得到采購設備成本CPE和固定資本成本CFC(CFC=CPEFBM，其中FBM為模塊因子)，成本按照化工工廠成本指數(chemical engineering plant cost index，CEPCI)上升到參考年。

表1 與經濟分析有關的參數Tab.1 Parameters related to economic analysis

根據火電工程限額設計參考造價指標中的數據[27]，建立采用汽輪機高位布置技術的機組各部件購置成本(CPE,k)的模型[28]。

鍋爐的成本一般占燃煤機組購置成本的50%[29]，其計算公式如下：

式中：ab為與鍋爐面積有關的成本系數；為機組的主蒸汽質量流量，kg/s；ηb為鍋爐效率；ηbr為鍋爐的最大效率，取值為0.98；psh為主蒸汽壓力，MPa；pshr為主蒸汽的最大壓力，取值為50 MPa；tsh為主蒸汽溫度，℃；tshr為主蒸汽的最大溫度，取值為850 ℃；tfw為鍋爐給水溫度，℃；為再熱蒸汽的質量流量，kg/s；trho為再熱蒸汽的出口溫度，℃；trhi為再熱蒸汽的入口溫度，℃。

汽輪機成本計算公式如下：

式中：ast為與汽輪機輸出功率有關的成本系數；tsti為汽輪機入口溫度，℃；tstir為汽輪機入口的最大溫度，取值為850 ℃；ηs為汽輪機等熵效率；ηsr為汽輪機的最大等熵效率，取值為0.95；為汽輪機輸出功率，kW。

回熱加熱器的成本一般與換熱器的端差有關，其計算公式如下：

式中：afdh為與回熱加熱器換熱量有關的成本系數；Qfdh為回熱加熱器的換熱量，kW；Δtut為回熱加熱器的上端差，℃。

除氧的成本計算公式如下：

式中：ade為與除氧器中質量流量有關的成本系數；為除氧器的質量流量，kg/s。

凝汽器成本與凝汽器的面積有關，其計算公式如下：

式中：acd為與面積有關的成本系數；Acond為凝汽器的面積。

泵的成本一般與泵的功率有關，其計算公式如下：

式中：apump為與回熱加熱器換熱量有關的成本系數；為泵的輸入功率，kW；ηps為泵的等熵效率；ηpsr為泵的最大等熵效率，取值為0.95。

電機的成本計算公式如下：

式中：aeg為與電機輸入功率有關的成本系數；為電機的輸入功率，kW。

機組的平均年燃料費用計算公式如下：

式中：為煤耗量，kg/h；ccoal為基于煤的低位發電量的煤價，元/kJ；CELF,coal為平均煤價變化系數，元/kJ。

平均變化系數的計算公式如下：

式中：電廠運行年限n一般為25~30 a；rn為電廠投資成本平均變化系數(計算煤的成本CFL時取值為3.5%，計算電廠維修成本COML時取值為3%)；CRF為資本回收系數，計算式為

依據文獻[30]，平均工程費用CEL和平均維修費用COML依據電廠的總投資成本CTI計算可得，其中：

式中：CPE,k為系統中設備k的投資成本，元；CELF,OML為電廠維修成本COML的平均變化系數；γ通常取4.75，φ通常取0.06[30]。

1.3 ?經濟性分析模型

為了進一步研究系統的?流情況和設備運行情況，文獻[25]提出了通用的?經濟性分析(specific exergy costing，SPECO)方法，通過計算物質、設備的?以及成本的關系，可以得到每股?的成本，其中流股i的總?成本計算公式如下：

式中：ci為流股i單位能量的?成本，元/kJ；Ei為流股i的?，kW；為流股i的質量流量，kg/s；ei為流股i的單位?，kJ/kg。

系統中做功量和熱量的成本計算公式分別如下：

式中：Cw為做功量的?成本，元/s；cw為做功量的單位?成本，元/kJ；W為做功量的?，kW；Cq為熱量的?成本，元/s；cq為熱量的單位?成本，元/kJ；Eq為熱量的?，kW。

出入口設備的?經濟性平衡公式如下：

式中：cout為設備出口的單位?成本，元/kJ；Eout為設備出口的?，kW；cin為設備入口的單位?成本，元/kJ；Ein為設備入口的?，kW；cw,k為設備做功量的單位?成本，元/kJ；Wk為設備的做功量，kW；cq,k為設備熱量的單位?成本，元/kJ；Eq,k為設備的收益?，kW；w為機組的年平均負荷率；Zk為設備k的成本，元/s。

2 汽輪機高位布置技術的機組模型

2.1 機組介紹

采用汽輪機高位布置技術的機組與常規機組的主要區別在于汽輪機運轉層和排汽管道層的標高，采用汽輪機高位布置技術的汽輪機運轉層的標高為65 m，排汽管道層的標高為43 m。采用汽輪機高位布置技術的發電機組系統圖如圖1所示，鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力、變壓運行的π型直流鍋爐；汽輪機為一次中間再熱空冷式機組，主蒸汽壓力及溫度分別為25.8 MPa、600 ℃，一次再熱蒸汽壓力及溫度分別為5.4 MPa、620 ℃，排汽壓力為10.5 kPa。

圖1 采用汽輪機高位布置技術的機組系統圖Fig.1 System diagram of the unit with high-level layout technology of turbine

2.2 汽輪機高位布置技術的模型驗證

為了驗證采用汽輪機高位布置技術的發電機組變工況計算模型的可靠性，在汽輪機熱耗率驗收(turbine heat acceptance，THA)、75%THA、50%THA、30%THA以及汽輪機額定功率(turbine rated power，TRL)工況下，對汽輪機變工況計算結果與原則性熱力系統圖進行對比，機組的主要參數如表2所示，回熱系統相關參數如表3所示。

表2 機組的主要參數Tab.2 Main parameters of the unit

表3 機組100%THA工況下回熱系統參數Tab.3 Parameters of regenerative system under 100%THA condition of the unit

汽輪機抽汽壓力模擬數據和實際數據對比如表4所示。各級抽汽壓力絕對誤差均在0.1 MPa之內，模型計算精度滿足要求。

表4 汽輪機抽汽壓力模擬數據和實際數據對比Tab.4 Comparison of simulated and actual turbine pumping pressure data

3 結果與討論

3.1 ?分析

通過模擬得到了100%THA工況下采用汽輪機高位布置技術的燃煤機組的鍋爐和汽輪機各設備的?效率變化情況(在該工況下運行時，去掉了最后一級高壓加熱器)。鍋爐中各設備的溫度和?效率變化如圖2所示，可以看出，鍋爐中爐膛的煙氣和水換熱的?效率最低，這是因為該過程中水由液態水轉化為氣態水，熱量主要用于增加水的顯熱。回熱加熱器的溫度和?效率變化如圖3所示，可以看出，回熱加熱器中高壓加熱器的?效率明顯低于低壓加熱器，存在較大的不可逆性，可通過優化高壓加熱器部分，減小系統的不可逆性，從而提高機組的效率。

圖2 鍋爐中各設備的溫度和?效率變化Fig.2 Change of temperature and exergy efficiency of each equipment in the boiler

圖3 回熱器加熱器的溫度和?效率變化Fig.3 Change of temperature and exergy efficiency of regenerator heater

3.2 ?經濟性分析

選取的煤種為神華煤種，其特性參數如表5所示。根據2019—2021年的平均煤價[31]，選取的煤價為0.03元/MJ。根據國華錦界電廠的數據建立成本模型，鍋爐中各設備尺寸及材料參數[32]如表6所示。不同類型組件的質量因子FBM[32]如表7所示。受限于地理環境因素，機組采用空冷凝汽器，具體的布置方案為8×8，每臺機組共有640片換熱管束，其中順流管束480片，逆流管束160片。

表5 煤種特性參數Tab.5 Characteristic parameters of coal types

表6 鍋爐中各設備尺寸及材料參數Tab.6 Dimensions and material parameters of each equipment in the boiler

表7 機組中各設備的質量因子Tab.7 Quality factors of each equipment in the unit

整個燃煤機組的成本接近3 400元/kW，低于常規660 MW機組的成本。根據各組分CPE,k的占比，得到平均工程費用CEL、平均維修費用COML和平均年燃料費用CFL占12億元平均年支出的27%、7%和66%，最終的度電成本為0.332 4元/(kW?h)，這與電站公布的上網電價0.33元/(kW?h)[4]相吻合。

各流股的?和?經濟性數據如表8所示，各設備的?和?經濟性分析如表9所示。在燃煤系統中，化學反應和傳熱過程一直是機組中熵產的最大來源。通過分析各流股的成本變化，得到優化程度最大的部件為低壓加熱器。

表8 機組的?和?經濟性數據Tab.8 Exergy and exergy economic data of the unit

表9 各設備的?和?經濟性分析Tab.9 Exergy and exergy economic analysis of each equipment

3.3 變工況?經濟性分析

采用汽輪機高位布置技術的燃煤機組變工況時，鍋爐的?效率降低，但是回熱加熱器的?效率不變，如圖4所示。當機組負荷為100%THA時，鍋爐的?效率為48.3%；當機組負荷為40%THA時，鍋爐的?效率為44.7%。

圖4 變負荷工況下的?效率Fig.4 Exergy efficiency under variable load conditions

在變工況運行時，發電的平均?價格變化如圖5所示。當機組負荷為100%THA時，發電?價格為0.030 2元/kJ；當機組負荷為40%THA時，發電?價格為0.075 8元/kJ。因此，當機組滿負荷運行時，機組的經濟性更優。

圖5 變負荷工況下的發電?價格Fig.5 Exergy cost of electricity under variable load conditions

4 結論

建立了采用汽輪機高位布置技術的燃煤機組的?模型和?經濟性模型，得到了機組不可逆性分布，分析了燃煤機組變工況下的流股、設備?效率變化以及成本變化，得到如下結論：

1）通過對鍋爐各部件的?效率進行分析發現，爐膛的?效率最低，這主要是由化學反應以及輻射傳熱的損失過大導致的。

2）從機組的不可逆性分布可知，回熱加熱器中高壓加熱器的?效率存在較大的不可逆性，可通過優化該部分來減小系統的不可逆性，從而提高機組的效率。

3）通過對流股和設備的?成本進行分析，得到采用汽輪機高位布置技術的燃煤機組度電成本為0.332 4元/(kW?h)。

4）發電的?價格隨著負荷的下降而升高，下一步可通過減小低負荷運行時機組的不可逆性來降低低負荷的發電?價格。