600MW火电机组单耗分布及敏度分析研究_硕士学位论文.pdf

国内图书分类号：t k l 2 3 国际图书分类号：6 2 1 1 工学硕士学位论文 学校代码：1 0 0 5 4 密级：公开 6 0 0m w 火电机组单耗分布及敏度分析研究 硕士研究生： 导师： 申请学位： 学科： 专业： 所在学院： 答辩日期： 授予学位单位： 杨辰曜 徐二树副教授 工学硕士 动力工程及工程热物理 热能工程 能源动力与机械工程学院 2 0 11 年3 月 华北电力大学 c l a s s i f i e di n d e x ：t k l2 3 u d c ：6 2 1 1 t h e s i sf o rt h em a s t e rd e g r e e r e s e a r c ho ns p e c i f i cc o n s u m p t i o nd i s t r i b u t i o na n d s e n s i t i v i t ya n a l y s i so f6 0 0m w c o a l f i r e dp o w e ru n i t c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： s c h o o l ： d a t eo fd e f e n c e ： y a n gc h e n y a o a s s o c i a t ep r o f e s s o rx ue r s h u s c h o o lo fe n e r g yp o w e ra n dm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 11 d e g r e e - c o n f e r r i n g - - i n s t i t u t i o n ： n o r t hc h i n ae l e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t y 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 6 0 0m w 火电机组单耗分布及 敏度分析研究，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：栖压耀 日期：2 州年多月，矿同 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 6 0 0m w 火电机组单耗分布及敏度分析研究系本人在华北电力大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电 力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华 北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交 论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 本学位论文属于( 请在以上相应方框内打“4 ) ： 保密口，在年解密后适用本授权书 不保密回 作者签名： 导师签名： 枷殷曜 太4 岔m 日期：2 0 1 1 年3 月i 口日 日期：夕di1 年；月口日 牛北i 乜力大学硕。f ：学f 寺论丈 摘要 我国已经确定了大力建设“节约型社会”的目标。这对火力发电企业节能降 耗的工作提出了更高的要求。而对火力发电系统进行详细的热经济性分析是节能 优化的前提条件。依托于国家“9 7 3 ”项目“大型燃煤发电机组过程节能的基础 研究”，本文以6 0 0m w 亚临界燃煤机组为研究对象，主要完成了两方面工作： 一是基于单耗分析理论获得了机组的能耗分布，即不同负荷下不同设备的单耗， 并且初步指明了节能部位和节能空间。二是沿用单耗分析理论中“单耗敏度”的 概念，研究主要热工参数与能耗之间的定量关系。和以往同类研究忽略变工况分 析的做法不同，本文尝试改变这种思路，建立了全系统变工况分析模型。以单耗 敏度为指标，利用c + + b u i l d e r 6 0 软件编程，研究主要热工参数( 主蒸汽温度、 主蒸汽压力、再热蒸汽温度、汽轮机背压、汽轮机各级组效率和加热器出口端差) 变化对机组能耗分布的影响。本文的主要贡献：以单耗为指标，从设备和负荷的 角度，直观地展示了6 0 0m w 亚临界燃煤机组能耗的构成和变化；利用变工况理 论，在充分考虑系统各设备之间耦合关系的基础上，从系统、设备和负荷等不同 角度阐明了参数变化对能耗的影响，为机组热经济性分析和节能诊断提供了更多 依据。 关键词：能耗分布；单耗分析；变工况；敏度 仁北电力人学硕 ：学位论文 a bs t r a c t t h eo b je c t i v eo fb u i l d i n gac o n s e r v a t i o no r i n t e ds o c i e t yp o s e sn e wc h a l l e n g e st o c o a l f i r e dp o w e rp l a n tf o ri t sh i g he n e r g yc o s ta n de n v i r o n m e n t a li n f l u e n c e s oi ti s i m p o r t a n tt os t u d yt h eh e a t - e c o n o m ys t r a t e g yd e t a i l e d l yf o re n e r g yc o n s e r v a t i o na n d o p e r a t i o no p t i m i z a t i o n t h i sp a p e rw a sb a s e do nt h e “n a t i o n a lb a s i cr e s e a r c hp r o g r a mo fc h i n a ”： f u n d a m e n t a lr e s e a r c ho n e n e r g yc o n s e r v a t i o n o fl a r g e s c a l ec o a l f i r e d p o w e r g e n e r a t i n gu n i t i nt h i sp a p e r ，t w om a j o rw o r k sw e r ea c c o m p l i s h e db ys t u d y i n ga s u b - c r i t i c a l6 0 0m w p o w e rg e n e r a t i n gu n i t i nt h ef i r s tp a r t ，a ne n e r g yc o n s u m p t i o nd i s t r i b u t i o nw a sg a i n e db a s e do nt h e “s p e c i f i cc o n s u m p t i o na n a l y s i s ”t h e o r y ，w h i c hi n l u d e ss p e c i f i cc o n s u m p t i o n so f d i f f e r e n td e v i c e su n d e rd i f f e r e n tl o a d s i nv i e wo ft h i sd i s t r i b u t i o n ，e n e r g ys a v i n g s p a c ea n dk e ye n e r g ys a v i n gp a r t sw e r ep o i n t e do u t i nt h es e c o n dp a r t ，f o l l o w i n gt h ec o n c e p to f “s p e c i f i cc o n s u m p t i o ns e n s i t i v i t y ”， t h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h e r m a lp a r a m e t e r s w a sa n a l y s e d a t t e m p t i n gt oc h a n g et h eg e n e r a lm e t h o dw h i c hi g n o r i n gv a r i a b l e c o n d i t i o n s a n a l y s i s ，a na l l c o n d i t i o n ss y s t e ma n a l y t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e d s p e c i f i cc o n s u m p t i o ns e n s i t i v i t yw a sc a r r i e do u tw i t hc + + b u i l d e r6 0s o f t w a r et o i n d i c a t ei n f l u e n c eo ft h e r m a lp a r a m e t e r so ne n e r g yc o n s u m p t i o nd i s t r i b u t i o n t h e p a r a m e t e r si n c l u d e dm a i ns t e a mt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，r e h e a ts t e a mt e m p e r a t u r e ， b a c kp r e s s u r e ，t u r b i n ee f f i c i e n c ya n dh e a t e rt e m i n a lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n tu p s i d e t h e r ea r et w oc o n t r i b u t i o n si nt h i sp a p e r ：f o ro n et h i n g ，s p e c i f i cc o n s u m p t i o n w a st a k e na sab e n c h m a r kt os h o wt h ec o n s t i t u t i o na n dv a r i a t i o no fe n e r g y c o n s u m p t i o nd i s t r i b u t i o ni nl a r g e c o a l f i r e du n i t s f o ra n o t h e r ，c o n s i d e r i n gt h e c o r r e l a t i o no fd i f f e r e n te q u i p m e n t su n d e rv a r i a l b eo p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，t h ee f f e c to n e n e r g yd i s t r i b u t i o no ft h e r m a lp a r a m e t e r sw a si n d i c a t e d t h ee f f e c tw a ss h o w nf r o m d i f f e r e n t v i e w p o i n t s o fs y s t e m s ，e q u i p m e n t sa n dl o a d s ，w h i c h p r o v i d e dm o r e e v i d e n c e sf o rt h e r m a le c o n o m i ca n a l y s i sa n dd i a g n o s i s k e y w o r d s ：s p e c i f i cc o n s u m p t i o na n a l y s i s ；e n e r g yc o n s u m p t i o nd i s t r i b u t i o n ：s e n s i t i v i t y a n a l y s i s ； i i 华北f 也力人学颂 学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 1 课题的研究背景和意义：l 1 2 课题的研究现状2 1 2 1 热力系统节能理论2 1 2 2 热力系统变工况研究3 1 2 3 热工参数偏离对能耗影响的研究4 1 3 课题的主要研究内容一5 第2 章单耗分析的基本理论6 2 1 单耗分析的理论基础6 2 2 单耗分析的计算模型7 2 2 1 单耗的构成7 2 2 2 附加单耗的计算方法8 2 3 实例计算与分析1 0 2 3 1 机组基本参数1 0 2 3 2 计算结果与分析1 2 2 4 本章小结一1 5 第3 章热力系统的变工况分析1 7 3 1 汽轮机通流部分的变工况分析1 7 3 1 1 调节级变工况特性1 8 3 1 2 中间级变工况特性一2 3 3 1 3 末级变工况特性一2 4 3 2 其它主要设备的变工况分析一2 5 3 2 1 凝汽器的变工况2 5 3 2 2 给水泵的变工况2 6 3 2 3 加热器参数的确定2 7 3 3 热力系统热经济性状态方程2 7 3 3 1 汽轮机功率方程2 7 3 3 2 汽水分布方程及计算误差2 8 3 4 全系统变工况算法3 0 毕北i 乜力入学坝f j 学1 妒论文 3 4 1 算法介绍3 0 3 4 2 实例计算与分析3 2 3 5 本章小结一3 4 第4 章单耗的敏度分析3 5 4 1 单耗的敏度分析3 5 4 2 程序开发3 6 4 2 1 程序设计目标3 6 4 2 2 开发软件介绍3 6 4 3 实例计算与分析3 7 4 3 1 主蒸汽温度变化时的单耗敏度分析一3 7 4 3 2 主蒸汽压力变化时的单耗敏度分析一4 0 4 3 3 再热蒸汽温度变化时的单耗敏度分析一4 3 4 3 4 汽轮机背压变化时的单耗敏度分析4 6 4 3 5 级组效率变化时的单耗敏度分析4 9 4 3 6 加热器的出口端差变化时的单耗敏度分析5 1 4 4 本章小结5 4 第5 章总结与展望一5 5 参考文献一5 6 攻读硕士学位期间发表的论文及其成果5 9 致 射6 0 牛北l 乜力大学顾十学何论丈 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 2 0 0 9 年我国电力总装机容量达8 7 4 亿千瓦，其中火力发电机组占总装机 容量的7 4 6 t 1 1 。按照我国电力工业发展的总目标：预计到2 0 5 0 年，我国电力 总装机容量将达到1 6 亿千瓦，其中火力发电机组仍将占总装机容量的6 0 以 上【2 】。由此可见，能源结构的调整一直受到我国“以煤为主”的能源资源自然 禀赋的限制。尽管核能、太阳能、风能的利用技术f 在不断研究开发，并且它 们在能源结构中所占的比重也逐年提高，但是我国依靠煤电的能源消费格局在 比较长的一段时期内不会得到根本改观。 虽然我国发电总装机容量和总发电量目前均为世界第二位，但其能耗水平 却不容乐观。根据国家发改委公布的数据显示，2 0 0 9 年全国6 0 0 0k w 及以上电 厂供电标准煤耗为3 4 2g k w h ，这与世界先进水平3 1 0g k w h 还有一定差距。 由于火力发电占电力工业的比重很大，即使煤耗只降低几克，对于能源节约也 会产生重要的作用。以2 0 0 9 年为例，如果全年平均供电煤耗下降1 0g k w h ， 则全年可节约标准煤约2 9 8 l 万吨，减少二氧化硫排放2 5 万吨，减少二氧化碳 排放7 7 5 0 万吨。显而易见，火力发电仍然具有巨大的节能减排潜力，针对火电 机组的节能工作产生的经济效益和环保效益是不可替代的。 八十年代初期，美国电力科学研究院对全国范围内所有的燃煤电厂进行了 全面的调查与研究。结果表明，机组运行的实际热耗率比机组可能达到的最佳 热耗率高出近1 0 0 0u k w h ，其中约5 0 0k j k w h 的热耗是可以通过各种途径加 以控制的。最终它们制定了降低机组热耗率的导则，作为火电厂经济运行的科 学依据【3 】。这一经验启示我们：进行全面的经济性分析是节能潜力诊断的基础。 它可以帮助我们找到影响机组经济性的主要原因，例如运行方面、管理方面以 及设备缺陷等方面。据此，我们才能制定适合我国国情的降低机组煤耗率的科 学导则。 随着我国电力工业的不断发展，电厂的热经济学研究中有些工作仍有待解 决。首先，伴随着小火电机组关停工作的顺利进行，目前在我国的各大电网中， 3 0 0m w 的机组已占据主力位置，6 0 0m w 的机组乃至1 0 0 0m w 的大型机组相 继投产发电。过去的研究更多针对2 0 0m w 以下的小机组，其研究成果很难类 推到现在更大容量更高参数的火电机组上。所以，目前火电厂热经济性的研究 应该着眼于现役的主力机型。其次，随着国民经济的发展和人民生活水平的提 中北 u 力大学坝1 。学位论文 高，电力结构也发生变化。轻工业、市政和居民生活用电量不断的上升，重工 业的夜间用电量逐步减少。为解决这一矛盾，迫使各大电网中单机容量3 0 0m w 的机组甚至更大容量的机组都参与到调峰工作中，以满足用户负荷变化的需要。 由此造成机组大部分时间偏离了设计工况运行，使得供电煤耗高于设计数值。 这个问题属于热力系统研究中的变工况范畴。由于运行中的机组和热力系统很 难完全处于设计的状态，从这个意义上说，变工况是运行的主要工况。所以， 分析研究热力系统在变工况下的运行特点以其经济性，就成为非常必要的课题。 造成火力发电机组变工况运行的因素很多。机组负荷、运行参数、设计水平、 环境温度和煤质等变化都会引起机组变工况运行，导致机组能耗损失。文献 3 】 将能损分为三部分。第一部分称作运行可控损失，这部分损失是由于参数偏离设 计值引起的，可以通过运行调整得到控制。第二部分称作维修可控损失，这部分 损失是由于设备运行缺陷造成的，必须通过维修才能加以控制。第三部分称作不 可控损失，这部分损失是外界负荷变化、煤质变化、环境温度变化等客观因素造 成，因而是人力所无法控制的。其中，机组的主汽压力、主汽温度、再热蒸汽温 度、背压在实际运行中变化是最为频繁的。它们变化对能损的影响归为第一部分 损失。汽轮机各级组效率和加热器出口端差的变化对能损的影响归为第二部分损 失。 本论文依托于国家“9 7 3 ”项目“大型燃煤发电机组过程节能的基础研究“ 。 结合我国燃煤发电技术面临的频繁变负荷运行的实际情况，旨在研究燃煤发电 机组的整体性能与设备状态、过程参数之间的依变关系，为进一步提高机组的 能源利用效率提供理论依据。 1 2 课题的研究现状 1 2 1 热力系统节能理论 传统的热力系统节能理论主要依据热力学第一定律，并沿用至今。其分析 方法主要有常规热平衡法【4 1 、等效热降法【5 6 】和循环函数法【7 】等。热力学第一定 律从能量守恒的角度说明了能量在传递和转化时的数量关系，但在完整描述一 个热力过程时，它不能表明能量传递和转化时的方向、条件和限度瞄j 。因此， 它在表征储能设备效率时往往不确切，有时甚至出现假象一j 。 热力学第二定律解决了这个问题。南斯拉夫学者r a n t 以此为基础在1 9 5 6 年首先提出火用的概念。它从能量的可转化性出发，指出能是由火用和火寂两部 分构成。其中，火用是在给定的环境下具有无限可转化性的能量，火寂则是不具 有任何可转化性的能量。在一切实际的不可逆过程中，不可避免的发生能量的 产北i 乜力大学硕十学位论文 贬值和变质，火用的总量将减少。这种退化是无法逆转的，称之为火用损失p j 。 火用分析方法的实质是利用火用平衡求解火用损失或火用效率。与传统的热量法相 比，它综合考虑了能量在数量和质量两个方面所利用的程度【1 0 】。文献 1 1 ，1 2 】认 为火用分析无疑已经成为更好的认识热力过程、明确能量损失、衡量能量利用 率的一种关键方法。它的优势还在于能独立地分析系统不同设备，然后根据火 用损失的大小确定不同设备对系统的影响程度3 ，1 4 】，即通过火用损失将不同设 备联系起来。 但是文献 1 5 】也指出火用分析也有不足之处，首先是因为规定环境基准引起 的火用值的不统一性。其次是火用效率指标存在多义性，不同效率的数值差异甚 至可达9 0 以上，同一效率在不同理解时其数值也有差异。另外，由于传统的 设计方法及可利用的数据资料均以热力学第一定律给出，目前用热力学第二定 律分析方法进行在线监测还有一定困难。尽管如此，对于电厂系统和设备的设 计与运行而言，火用分析方法和热量法具有同样重要的地位【l6 1 。 早在上世纪9 0 年代，华北电力大学宋之平教授提出一种建立在火用分析方 法的基础上的新的分析理论单耗分析理论。它用产品的单耗来表明某个生 产过程能耗的高低。任何过程都要消耗“燃料”生产“产品”，所谓“单耗”是 指产品单耗，由理论最低单耗与设备附加单耗构成。对于凝汽式燃煤机组而言， 它直接与煤耗相对应。该理论揭示了单耗高低的本质所在设备在运行过程 中由于不可逆性造成的火用耗损。根据单耗分析理论，我们知道节能就是要降 低附加单耗。另一方面，附加单耗不仅因时间而异，对于不同设备也会变化， 这就是附加单耗的时空分布问题，它反映了设备纵向或横向间附加单耗的比较。 单耗分析法不仅保留了火用分析的优点，也削弱了其不确定性，它以科学 而直观的方式展示了燃料单耗构成、分布和变化的图景以及相关的影响因素。 对于改善设计、优化运行、促进管理科学化、实现节约资源、降低成本的目标 提出指导性的依据【l 7 1 。 1 2 2 热力系统变工况研究 热力系统的变工况是指系统的工况发生变动，偏离设计工况或者偏离某一 基准工况。热力系统变工况的原因是多方面的，本文研究的主要热工参数发生 变化的情况是其中的一部分。但是，无论它们产生的原因如何，其表现出的特 点均是汽轮机的进汽流量或各级组通过的蒸汽流量发生变动。其产生的直接结 果是机组的各抽汽参数和热力系统的有关参数发生变化，并表现为汽轮机膨胀 过程线的变化。热力系统的变工况研究主要指汽轮机及其热力系统变工况研究。 对于汽轮机而言，变工况下的热力计算是一个由来已久的问题。当汽轮机 华北 l ! 力大学硕f ? 学付论丈 在变工况条件下工作时，沿通流部分各级的蒸汽流量、喷嘴和动叶前后的汽温、 汽压及湿度都将偏离设计值，相对应的抽汽、轴封漏汽和末级排汽参数也随之 发生变化，进而影响到整个热力系统的参数分布。文献 18 - 2 0 1 提供了若干种汽 轮机变工况计算方法。这类热力计算按照精确程度分为详细计算和近似计算两 大类。详细计算是以单级工作原理为基础的逐级计算方法，其可靠性和精确性 较高。国外研究人员普遍采用粘性可压缩流体在弯曲管道内三元不稳定实际流 动模型进行逐级变工况计算，如法国a l s t o m ，美国西屋等电气公司。国内大 多数研究人员将实际流动简化为一元的稳定的等比熵流动模型，根据能量平衡 原理计算各参数的变化情况。但只要是详细计算，计算迭代过程必然繁杂费时， 所需汽轮机的结构资料和设计参数必然繁多。所以，在实际研究中，经常会遇 到由于原始资料不足而无法进行计算的情况。近似计算则是一种以级组( 若干 单级组成一个级组) 为单位的简化计算方法。虽然计算结果相对不精确，但方 法本身快速简捷。另外，对于热力系统的大多变工况问题，通常只需要了解汽 轮机的大致情况，没有必要具体了解每一级的变工况数据，所以近似计算的精 度完全满足工程要求。 对除汽轮机以外的热力系统而言，在精度要求不高的情况下，可以不考虑 系统中部分设备的变工况计算，只考虑系统本身及主要设备的变工况计算，这 将使计算和所需原始资料大大简化。 1 2 3 热工参数偏离对能耗影响的研究 现有的分析热工参数变化对机组能耗影响的方法有特性试验法、热力学方 法、偏导数算法和特性曲线法。对于这四种不同的算法，文献 2 1 ，2 2 进行了比 较研究。 就特性试验法而言，实际过程中很难做到只有一个参数在控制下变化，而 其他参数维持稳定不变，所以，特性试验法已很少采用。 偏导数算法则是直接从汽轮机的功率方程或者热耗率表达式出发，对相应 变量求全微分，以研究变量造成的影响。但实际计算时，诸如水蒸汽参数等部 参数的变化必须经过相应的变工况计算获得，否则就要忽略热力过程线的变化， 从而造成较大误差【2 3 1 。加之运行条件的多变性，偏导数算法很可能导致“维数 灾难”1 2 4 。 热力学方法是将主蒸汽参数对机组热经济性的影响归结为循环平均吸热温 度、平均放热温度和汽轮机相对效率的变化上。很多学者指出其方法本身存在 理论的不严格性。要保证精度的话，就有赖于其他详细计算。 特性曲线法是指通过汽轮机厂家提供的特性曲线来查取经济指标的相对变 毕北i 乜力大学硕十掌f 移论文 化量。此方法相对准确，并且简便易行。但是，实际情况中厂家提供的特性曲 线往往只是额定负荷下的一组，对于其他负荷无法研究。所以，这种方法不能 满足实际需要。 由此可见，目前有关分析参数变化对能耗影响的分析方法还存在一些问题， 各种分析方法都存在着一定的局限性。 i 3 课题的主要研究内容 针对机组运行参数偏离影响能耗的问题，以及现行研究方法不够精确的状 况，本文以6 0 0m w 亚临界燃煤机组为研究对象，结合单耗分析理论和热力系 统变工况分析原理，在获得机组空问和时间的能耗分布的基础上研究单耗的敏 度问题。为分析主要热工参数和机组能耗之间的定量关系提出一种途径。论文 主要包含以下几方面内容： ( 1 ) 首先依据单耗分析基本理论，采用矩阵模型，求解设计工况下机组的 能耗分布。通过分析，试图表明不同工况下，不同设备附加单耗的变化特点。 为进一步研究单耗的敏度问题提供帮助。 ( 2 ) 针对机组的变工况问题进行研究。依据热力特性说明书中的基本参数， 设计了全系统变工况算法，即功率一定，迭代流量的算法。此算法完成两个目 标：一是以t h a 工况设计参数为己知参数，确定滑压运行到其他负荷时的系 统参数。二是以某负荷系统参数为已知参数，当温度压力等热工参数变化时， 确定变工况后的系统参数。 ( 3 ) 沿用了单耗敏度的概念。依据全系统变工况算法确定了单耗敏度。逐 一计算了不同负荷下主要热工参数( 主汽温度、主汽压力、再热蒸汽温度、汽 轮机背压、汽轮机各级组效率、加热器出口端差) 变化后的单耗敏度。从系统、 设备和负荷多角度分析了这些参数变化对机组单耗分布的影响。在一定程度上 为节能降耗和指导运行提供理论依据。 ( 4 ) 利用c + + b u i l d e r6 0 进行面向对象的模块化程序设计，开发出简便的 单耗分布及敏度计算软件。 f 仁北电力大学硕 学化论文 第2 章单耗分析的基本理论 2 1 单耗分析的理论基础 单耗分析是在分析和火用经济学的基础上做了一些重要改进，从而形成的 能量系统分析的理论和方法。 由于火用概念的抽象性强，使它只在学术界和少数工程技术人员中应用， 而单耗的概念在生产实践中已被广泛采用。单耗分析中的单耗概念不是在传统 的高度上使用，而是提供一种把火用分析、熵分析以及能量分析结合起来的形 式。例如，对于凝汽式燃煤机组，单耗就直观地与煤耗相对应。另外，火用分 析方法中经常使用的火用效率指标的人为规定性成分太多，使它有多义性和多 值性。按种类上区分就有普遍火用效率、传递火用效率和目的火用效率等。即使 对于最常见的目的火用效率而言，收益和代价的定义不同也将造成指标的变化。 相比较而言，单耗分析更关心的是：在给定的能量转化任务下，每个设备在产 品单耗中的地位和贡献，从而使设备性能得到了客观描述。 对火用分析方法加以改进的同时，单耗分析又很好地继承了火用分析方法的 优点。在以往进行热力系统的经济性分析中，系统的局部与总体之间是通过热 效率相联系的。由于热效率的定义和计算都基于热力学第一定律，所以热效率 的高低时常不能真实反映设备的热力学完善性。单耗分析则以热力学第二定律 为基础，抓住了设备运行过程中由于不可逆性造成的火用耗损这个本质。一方 面，它能清楚地反映系统单耗在各设备间的分配以及设备单耗在系统单耗中的 地位。另一方面，当设备进行了改造或运行条件变化时，通过单耗分析，我们 能清楚地看到这种变化对系统总单耗的影响，从而对系统有全面细致的认识。 这些无疑都为节能分析提供了很好的指导。 综上所述，单耗分析虽然来源于火用分析和火用经济学，但它比后者更实用、 更直观，因而更便于应用在实际工程中。 需要指出的是，在单耗分析理论中，所谓单耗，其全面的意义来自两部分： 一是指燃料的单耗( f u e ls p e c i f i cc o n s u m p t i o n ) ，即生产单位产品所消耗的燃 料；一是指金钱的单耗( m o n e t a r ys p e c i f i cc o n s u m p t i o n ) ，即通常所说的“成 本”。因此，单耗可以区分为燃料单耗和成本两类，单耗分析理论则由燃料单 耗分析理论与成本分析理论两部分组成【2 5 1 。本文中讨论的单耗均是指燃料单 耗，不涉及成本问题。 牛北电力大学顾十学位论文 2 2 单耗分析的计算模型 2 2 1 单耗的构成 2 6 , 2 7 产品的单耗由两部分组成：理论最低单耗和附加单耗。理论最低单耗是指 在可逆情况下，在没有附加单耗的理想系统中，单位产品在理论上所必须消耗 的最低燃料量。其本质是单位产品所蕴涵的火用值与单位燃料所蕴涵火用值的比 值。 对于给定的物质，只有在它的状态与环境不平衡时才有火用，其总值等于 该物质从其所处的状态出发，通过与环境的互相作用可逆地达到与环境平衡时 所作的功。如果未与环境达到完全的平衡，只是达到与环境的温度和压力平衡， 其所作的功就等于该物质的物理火用，记作e 。总火用和物理火用的差值是化学 火用。对于热力系统分析而言，考虑的火用值只是物理火用。物理火用由以下公式 求得： e = ( h 一日o ) - t o ( s - s o ) ( 2 1 ) 式中日物质的初始焓( k j k g ) ； 日o 与环境达到温度和压力平衡时的焓( k j k g ) ； s 物质的初始熵( k j ( k g ) ) ； s o 与环境达到温度和压力平衡时的熵( k j ( k g ) ) ； 露环境温度( ) 。 设f 为投入系统的燃料总火用值，尸为产品的总火用值，在没有任何附加损 失的理想系统中p = f ，理论最低单耗6 m ；。可表示为： k i 。= c f e 厂) i c p e e ) = e e l e f ( 2 2 ) 式中p 。单位产品所含火用值( k j k g ) ； e ，单位燃料所含火用值( k j k g ) 。 对于火电厂而言，主要燃料为煤。单位标准煤的燃料火用一般可近似假设 等于其低位发热量，即e e = 2 9 2 7 1 2k j k g ，单位电能的火用值为e e = 3 6 0 0k j k w h 。 对于燃煤机组，理论最低单耗就是：3 6 0 0 “ 1 0 0 0 2 9 2 7 1 2 = 1 2 3g k w h 。 附加单耗产生的原因是设备运行过程中的火用耗损。在能量系统中，作为 各个设备的过程“推动力“ 和代价被消耗和散失的火用称为火用耗损。它可以通 华北f 乜力大学硕 学位论文 过设备的火用平衡式求得。对于设备，其进出口火用分别以矽及霹w 表示，则 此设备的火用平衡式可表示为： l l n = 霹眦+ ( ，+ 尺) ，+ ( a c ) ， 式中 ( ，+ 尺) ，设备i 的火用耗损( k j k g ) ； ( 彳c ) ，存储于设备，中的火用值( k j k g ) 。 因此，设备的附加单耗可表示为： 岛= ( 印勺) p ( 曰一毋阱) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 产品的单耗( 玩，) 为产品理论最低单耗( 6 m ；。) 与系统总的附加单耗之和 ( ) ，而系统总的附加单耗又是各设备的附加单耗之和，即： 2 2 2 附加单耗的计算方法 吃，= 6 m i 。+ b m d - - z b l ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 设备附加单耗本质上就是设备的火用损失。火用损失的计算也就是对设备进 行火用分析。文献【2 8 】按照不同设备的模型，分别对其进行火用平衡分析并定义 火用效率。在此基础上，文献 2 9 】提出了设备的火用平衡通用模型，如下形式： e h 图2 1 火用平衡通用模型 e 哦 e l 州 l 仁北电力人学硕l 学化论丈 图中 乓。供给火用( k j k g ) ，外界火用源供给系统的火用； 代入火m ( k j k g ) ，是由外界进入系统的物流带入的火用； e ，。有效输出火用( k j k g ) ，向外输出的火用产品； e 岔无效输出火用( k j k g ) ，以物流、能流的形式向环境排放的火用； 毛。有效耗火m ( k j k g ) ，为了完成生产过程所必须耗费的火用； 瓦眦内耗散火用( k j k g ) ，是由系统内不可逆过程引起的火用耗。 由此可得火用平衡模型如下： e 呻七e b n 2 e 眯+ e 哆+ e + e l o 啦 q _ 、 利用以上模型结合设备的具体情况就可计算出设备的火用损失。 另外，对于如图2 2 的复杂系统，也可以采取矩阵方法一次性求解各设备 的附加火用损【3 0 1 。所谓矩阵法只是一个泛称，并不特指某种具体的分析方法。 它本身属于传统分析方法。早在2 0 世纪9 0 年代，郭丙然和陈国年最早提出了 电厂热力系统的矩阵分析方法。它的特点是一次能计算出几个或者几十个未知 参数。这罩把它应用与单耗分析中未尝不可。 把系统中的所有设备和火用流分别编号，如图2 2 所示。然后，构造设备与 火用流的“关联矩阵”a ，该矩阵以设备序号，为行，以火用流的序号，为列。 矩阵元素口，为0 ，表示该行的设备与该列的火用流没有直接联系；元素为+ l 和 一1 分别表示该列的火用流流入和火用流出该行设备。 设每个火用流组成一个m 维向量e ，每个设备d 火用损量组成一个n 维火用 损向量： e = 巨，扇，一已) 7 d = d l ，d 2 ，哦) 7 各个设备的火用损可以通过以下矩阵式求取： a e = d ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 华北电力人学硕i + 学位论文 设全系统各设备的附加单耗组成一个n 维向量b ： b = 岛，6 2 包) r ( 2 - 1 1 ) b 和e 不仅因系统不同而异，而且是时间的函数，记为b ( r ) 和e ( r ) 。各个 设备的附加单耗可通过以下的矩阵式求取： 2 3 实例计算与分析 2 3 1 机组基本参数 b ( r ) = 心e ) p a r ( r ) ( 2 - 1 2 ) 研究对象是6 0 0m w 亚临界机组。汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产的亚临界、 中间再热、单轴三缸四排汽、冲动凝汽式汽轮机。机组设计额定功率为6 0 0m w ， 最大连续出力为6 4 1 6m w ，高中压缸采用合缸结构，低压缸为双流反向布置。 机组型号为：n 6 0 0 1 6 6 7 5 3 8 5 3 8 。 机组共有8 段非调整抽汽，分别供给三台高压加热器，一台除氧器和四台 低压加热器，各级加热器疏水逐级自流。 给水系统配置有2 台5 0 容量的汽动变速给水泵，一台3 0 容量的电动变 速给水泵作为备用。小汽机设计有高低压两路汽源，自动内切换，其中低压汽 源为四抽蒸汽和低压辅汽，高压汽源取自汽机主蒸汽。小汽机排汽至主机凝汽 器。 凝结水系统设两台1 0 0 容量立式定速凝结水泵。除氧器为内置式除氧器， 水箱有效容积为2 3 5m 3 ，相当于约6 分钟的锅炉最大给水量。凝汽器为单流程 双背压表面式、双壳体、横向布置。循环水系统为闭式循环。 该机组的热力系统如图2 2 所示。因为单耗分析可以采用矩阵法，所以现 将整个热力系统划分为2 3 个单元( a w ) ，它们之间通过4 7 股火用流相互连接 起来。 单耗分析时所需的设计数据从热力特性说明书中的热平衡图获得。t h a 工 况设计参数列于表2 1 。 华北电力人学硕 ：学何论文 图2 - 26 0 0 m w 弧临界机组热力系统图 华北电力人学硕 j 学化论文 表2 16 0 0m w 弧临界机组t h a1 ：况设计参数 2 3 2 计算结果与分析 根据图2 2 所示热力系统，我们可以获得设备与火用流的联系矩阵a ( 2 3 行， 4 7n ) o n 下： a = 根据公式( 2 1 3 ) n - i “ 以方便地求解出6 0 0m w 亚临界机组设计工况下的设备 附加单耗的时空分布，计算结果如表2 2 所示。其中，环境的基准态温度和压 力分别为2 0 ，0 1 0 3m p a ，基准物为基准温度下的饱和水。 1 2 ” _ l q 1_：j o o o o o o o o 0 0 o o 0 o o 0 o 0 0 o o 0 o 一 ” o o o d o o 一 一 0 0 一 o o 0 o o o 0 i _ i o o o 0 o 0 ， = o o o 0 o o 1 产北电力大学硕f j 学f 囊论文 从表2 2 中可以看出，在热力系统各个设备中，锅炉、低压缸、凝汽器的 附加单耗比较大，而其他设备和抽汽管道的附加单耗较小。各设备的标号与图 2 2 中对应。其中，附加单耗份额是指不同设备的附加单耗占附加单耗总量的 百分数。 锅炉热效率是9 3 ，尽管很高，但其附加单耗最大。即使1 0 0 负荷时， 锅炉附加单耗也达到1 4 1g k w h 以上，占附加单耗总量的8 5 ，说明锅炉的不 可逆损失最大。但在不改变循环方式的前提下，进一步减少锅炉火用损失的潜 力并不很大。 尽管凝汽器的热损失很大，但由于汽轮机低压缸的排汽品位最低，所以其 附加单耗比锅炉小。1 0 0 负荷时达到了8 1 6g k w h 以上，占附加单耗总量的 4 9 。 对汽轮机而言，低压缸的不可逆损失最大，这是由于低压缸的湿汽损失和 余速损失较大造成的，1 0 0 负荷时其附加单耗是4 6 3 k w h ，占附加单耗总量 的2 8 。 在各级加热器中，3 号高压加热器的附加单耗最大，除氧器的附加单耗和2 号高压加热器的附加单耗次之。1 0 0 负荷时，它们的附加单耗分别是1 4 8 g k w h 、o 6 4g k w h 和o 4 8g k w h 。分析原因：3 号高压加热器的抽汽是再热后 第一段抽