（热能工程专业论文）新型超超临界机组循环方式分析.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文在能源利用的单耗分析理论基础上，并将其应用于锅炉和发电机组，推导出能 源利用第二定律效率的表达式。进一步分析了超超临界机组锅炉省煤器的作用及机炉参 数匹配问题，指出省煤器中的工质吸热过程是发电厂热力循环的低温部分，它的存在已 成为机炉参数优化匹配、提高锅炉和发电机组第二定律效率的制约因素。因此，本文提 出了超超临界机组循环方式设计研究的新思路，并以某百万千万超超临界机组原始参数 为基础，重新对回热系统进行设计、计算和分析，得到一个更节能的超超临界机组的理 论模型。 关键词：单耗分析，超超临界，省煤器，回热系统，端差 a b s t r a c t i nt h ep a p e r t h et h e o r yo ff u e ls p e c i f i cc o n s u m p t i o na n a l y s i so fe n e r g yu t i l i z a t i o n si s f i r s ti n t r o d u c e da n d a p p l i e dt ot h eb o i l e ra n dp o w e rp l a n t ，s ot h e i rs e c o n dl a we f f i c i e n c i e sa r e d e d u c e d t h ee f f e c to ft h ee c o n o m i z e ra n dt h et h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e rm a t c h i n gb e t w e e n t h eb o i l e ra n dt u r b i n ea l ea n a l y z e df u r t h e r t h er e s u l t ss h o wt h a th e a te x c h a n g ei nt h e e c o n o m i z e ri st h el o wt e m p e r a t u r es e c t i o no ft h e r m o d y n a m i cc y c l ei np o w e rp l a n t ，t h e e c o n o m i z e rb e c o m e saf a c t o rt h a tr e s t r i c t so p t i m a lm a t c h i n gb e t w e e nt h eb o i l e ra n dt u r b i n e t h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r sa n di m p r o v e m e n to ft h es e c o n dl a we f f i c i e n c yo ft h eb o i l e ra n d p o w e rp l a n t t h e r e f o r e ，t h ep a p e rg i v e san e wd e s i g ni d e ao ft h ec i r c u l a t i n gm o d eo ft h eu s c ， i nw h i c h ，t h ed e s i g n ，c a l c u l a t i o na n da n a l y s i sa r ec a r r i e do u tf o rt h er e g e n e r a t i v es y s t e mo fa g i v e n1 0 0 0 m wu s c ，a n d a t h e o r ym o d e lo f am o r ce n e r g y - s a v i n gn e wu s ci sg a i n e d s h a n gl i a n g ( t h e r m a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h o us h a o x i a n g k e yw o r d s ：f u e ls p e c i f i cc o n s u m p t i o na n a l y s i s ，u s c ，e c o n o m i z e r , r e g e n e r a t i v e s y s t e m ，t e r m i n a lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 选题背景和意义1 1 2 国内外超超临界机组的发展现状及趋势3 1 2 1 超超临界机组发展及特点n 1 3 1 2 2 国内超超临界机组的发展4 1 2 3 国外超超临界机组现状及发展4 1 2 4 超超临界机组发展趋势盯1 5 1 3 本课题研究内容6 第二章能量系统的单耗分析理论及其在超超临界机组中的应用8 2 1 单耗分析理论简介8 2 1 1 单耗分析理论的提出及一般表达式8 2 1 2 单耗分析理论的主要特点9 2 1 3 基于单耗分析理论的燃料比炯9 2 1 4 “电和“热的比煳及其理论最低燃料单耗1 0 2 1 5 能量利用的第二定律效率及其与第一定律效率的关系1 0 2 2 单耗分析理论在超超临界机组中的应用1 1 2 2 1 超超临界机组锅炉第二定律效率及发电循环炯效率l l 2 2 2 基于单耗分析的机炉参数匹配1 2 2 3 本章小结1 3 第三章回热加热器端差分析及取值建议1 5 3 1 端差的定义及对机组效率的影响1 5 3 1 1 回热加热器结构及端差的定义1 5 3 1 2 加热器端差对机组效率的影响1 6 3 2 端差经验取值及计算1 7 3 2 1 不同参数机组的端差耿值17 3 2 2 上端差取值计算实例1 9 3 3 本章小结2 1 第四章1 0 0 0 m w 超超临界机组原则性热力系统设计计算2 2 4 1 机组简介及已知原始参数2 2 4 1 1 机组简介2 2 华北电力大学硕士学位论文 4 1 2 简化条件2 4 4 2 机组汽水平衡及回热抽气系统计算2 4 4 2 1 汽轮机进气参数计算及绘制蒸汽膨胀过程线2 4 4 2 2 各级加热器回热抽气量计算妇仉2 2 5 4 2 3 汽轮机凝气量q 的计算和校核2 8 4 3 汽轮机内功计算2 8 4 3 1 凝气流做功计算2 8 4 3 2 各级回热加热器抽气流做功计算2 9 4 3 3 汽轮机热经济性指标计算2 9 4 4 全厂热经济性指标计算3 0 4 5 机组反平衡校核3 0 4 6 不同给水温度下机组热力系统计算结果及比较3 2 4 6 1 机组改动情况介绍3 2 4 6 2 热系统计算示例一常规法3 2 4 6 3 不同给水温度条件下机组热经济性指标比较3 4 第五章结论与展望3 7 参考文献3 9 致谢4 1 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景和意义 第一章绪论 随着国民经济的发展，能源问题已成为世界瞩目的重要课题，各国都在努力寻 求有效的途径以求更合理地开发利用能源。火电厂作为能源消耗的大户，对如何提 高能源利用率等节能问题的研究更具深刻的价值和意义。截至2 0 0 6 年年底，我国 发电装机容量达到6 2 2 0 0 万千瓦。其中，火电总装机容量达4 8 4 0 5 万千瓦，约占总 容量的7 7 8 2 。与国际水平相比，我国每千瓦时平均供电煤耗比发达国家约高出 8 0 克千瓦时，在浪费了大量不可再生能源的同时对生态环境造成了巨大破坏，主 要表现在酸雨现象及温室效应的加剧。我国火电装机结构不合理，其中3 0 0 兆瓦及 以上机组占4 2 ，3 0 0 兆瓦以下机组占5 8 ，中小机组装机容量占有绝对比重。其 中1 0 0 兆瓦及以下的小火电机组总装机容量大约为1 1 5 亿千瓦，约占2 0 0 6 年火电 机组的2 3 8 ，其供电标准煤耗约3 8 0 5 0 0 克千瓦时，6 0 0 m w 及以上超临界机组 供电煤耗水平为2 7 0 3 3 0 克千瓦时。 根据我国的能源资源状况和电力技术发展水平l l l ，积极发展作为洁净煤发电技 术之一的高效、节能、环保的超超临界火电机组是迫切的和必要的。与亚临界机组 相比，超超临界机组可降低热耗4 3 0 k j k w h 。关停小火电机组，提高大容量机组的 建设可以大大提高能源利用效率、降低国内煤炭用量的增长速度，减缓c o ，、n o 等x 污染物排放量的增长。截至今年6 月3 0 日，全国已累计关停小火电机组7 4 6 7 台， 总容量达到5 4 0 7 万千瓦。通过关停小火电，单机1 0 万千瓦及以下小火电机组比重 降至1 4 ，较“十一五”初期降低了1 6 个百分点，火电效率大幅提高。到今年6 月 底，火电机组平均供电标准煤耗已下降到3 4 0 克千瓦时，比“十一五”初期降低了3 0 克，累计节约原煤1 6 亿吨。 百万千瓦级超超临界火电机组是当今世界顶级的火力发电机组【2 1 ，目前国外超 超临界一次再热机组热效率一般可达4 3 以上，二次再热机组的热效率达到4 5 以 上。随着超超临界火电机组技术及设备的不断国产化，今后在我国新增加的火电机 组结构中，必将大力发展超临界和超超临界机组。预计到2 0 2 0 年，超超临界机组 在燃煤发电机组总装机量中所占份额将达到2 5 以上。 对于燃煤电站锅炉，随着机组参数的提高，锅炉所生产的热产品品位逐步提高， 所需的理论最低燃料单耗也随之增大。超临界及以上机组锅炉的热效率已达到9 0 以上。锅炉炯效率的提高，其主要贡献来自机组参数的提高。循环吸热平均温度的 提高、热产品品位的显著提高，是高参数大容量机组能够提高发电效率的关键。 众所周知，省煤器是火力发电厂中必不可少的设备之一，其主要作用就是吸收 华北电力大学硕士学位论文 尾部烟气的热量，降低排烟温度，减少排烟热损失，从而达到节省燃料的目的。此 外，省煤器的存在还可以改善汽包的工作条件。但这仅仅是基于热力学第一定律的 说法。实际上，基于热力学第二定律，省煤器中工质吸收的热量来自于机组发电循 环吸热过程的低温部分，其温度范围直接影响着循环的吸热平均温度。根据单耗分 析理论，它的存在直接影响着锅炉的炯效率。 随着机组参数达到超临界及以上压力，锅炉采用直流型式，设计工况下循环吸 热过程不再出现亚临界及以下参数的汽包锅炉中水的蒸发过程，如果仍设置省煤 器，给水经省煤器达到很高的位置然后向下到达锅炉底部的水冷壁进口集箱，还额 外增大流动阻力( 即厂用电) 。因此，继续设置省煤器的合理性没有了，它的存在甚 至成为限制机炉参数选择与匹配的制约因素。 根据单耗分析理论，锅炉的第二定律效率不仅取决于其热效率，更重要的是取 决于其生产的热产品的品位： 下 叩三一，7 6 ( 1 一毛9 【】 ( 1 1 ) 一f 式中，仇是锅炉热效率，【】；瓦为循环吸热的热力学平均温度，【】。 按照这种思路，当机组去掉省煤器，然后通过回热循环提高锅炉给水温度达到 合理温度，相当于增加一级高压回热加热器替代省煤器，同时使高压缸排汽压力下 调，再热蒸汽温度提高，从而显著提高锅炉炯效率和发电机组效率，进而达到节能 降耗、减少污染物排放的作用。 目前，有关火电厂超超临界机组的设计思路和技术几乎全都来自于欧美等发达 国家，并且大多数关于发电厂热力系统分析与优化的相关文献，其中所涉及到的如 发电厂热力系统的热经济学分析、最佳给水温度及最佳回热分配等问题，都只是针 对机组循环系统而言，并没有将锅炉、汽机及发电厂热力系统作为一个整体进行分 析讨论。在这些文献中，锅炉热效率往往被看成是一成不变的，似乎机组热力系统 参数的变化对锅炉效率不产生任何影响，并且分析的对象仅针对亚临界压力及以下 的发电机组。我国在相关领域的研究才刚刚起步，西安热工研究院的朱宝田和朱洪 波等人开展了超超临界机组主蒸汽压力、再热次数、主蒸汽温度与再热蒸汽温度、 机炉之间的温差和压差以及相关的设计规范及标准方面的研究1 3 j ，也未涉及超超临 界机组设计和机炉之间的参数匹配性等问题。 本文将首先从热力学第二定律角度出发，分析省煤器对超超临界机组锅炉第二 定律效率的影响，然后基于单耗分析理论，系统分析研究超超临界机组机炉匹配性 及提高机组效率的设计新思路，重点研究探讨提高超超临界机组发电效率、降低发 电标准煤耗的途径，进一步提高火电机组经济性、减少温室气体排放，为实现国家 关于节能降耗新要求提供可行性技术基础。 2 华北电力火学硕十学位论文 1 2 国内外超超临界机组的发展现状及趋势 1 2 1 超超临界机组发展及特点1 4 1 在发电机组的工质循环中，常规亚临界循环的典型参数为1 6 7 m p a 5 3 8 5 3 8 ， 超临界循环典型参数为2 4 2 m p a 5 3 8 5 6 6 和2 4 2 m p a 5 6 6 5 6 6 。超超临界参数实 际上是超临界参数向更高压力和更高温度提高的过程。通常认为超超临界参数是指 压力达到2 4 2 3 5 1 m p a ，温度达到5 7 0 6 4 9 或者更高。 超超临界机组技术始于上世纪5 0 年代，以美国和德国为主的发达国家首先开 始了对此技术的研究。美国俄亥俄州p h i l o 电厂的6 号机组在1 9 5 7 年投产运行，是 世界上首台超超临界机组。该机组由b & w 和g e 公司设计制造，主要参数为 1 2 5 m w 3 4 4 m p a 6 2 1 5 6 6 5 3 8 。为了提高机组可用率，美国以后发展的超超临界 机组大多采用主蒸汽压力2 4 1 m p a ，主蒸汽温度5 3 8 ，一次再热汽温多为5 3 8 ， 二次再热时采用5 5 2 5 6 6 ，这种蒸汽参数保持了2 0 余年。 经过5 0 多年的发展，超超临界机组在技术方面不断成熟，并且随着金属材料 逐渐能够满足高温高压的运行要求，目前国际上超超临界机组的参数能够达到主蒸 汽压力2 5 3 1m p a ，主蒸汽温度5 6 6 6 1 0 ，热效率能够达到4 2 。4 7 甚至更高。 我国8 6 3 课题“超超临界燃煤发电技术 将超超临界机组的参数定义在蒸汽压力大 。 于2 5m p a ，蒸汽温度高于5 8 0 的范围。 通过超超临界机组的发展历程，我们可以看到以下一些特点： ( 1 ) 随着机组蒸汽参数的不断提高，大多数厂家最初都采用了较高的主汽压力 并采用两次中间再热循环。随着材料技术的不断完善，后出现的机组纷纷提高主蒸 汽温度、降低主蒸汽压力并采用一次再热循环。 ( 2 ) 对于1 0 0 万千瓦等级的超超临界机组汽轮机，绝大多数都采用双轴布置。 但随着近年来机组蒸汽参数的不断提高、更长叶片的开发以及叶片和转子材料的改 进，单轴布置的汽轮机组越来越成为新的发展趋势。日本东芝公司在2 0 0 1 年和2 0 0 2 年分别投运了两台1 0 0 万千瓦单轴机组，标志着大功率1 0 0 万千瓦汽轮机正式由双 轴向单轴的跨越。 ( 3 ) 机组稳定性逐步提高。德国在1 9 7 5 1 9 7 8 年之间的机组可用率在8 5 以上， 原苏联的3 0 0 m w 超临界机组平均可用率也在8 7 8 以上，美国1 3 0 0 m w 超临界机 组整机平均可用率达到9 2 3 。我国已投产的某两台超超临界机组可用系数达到了 9 0 8 和9 3 9 7 。发电能耗及环保效益方面，以华能浙江玉环电厂两台百万千瓦超 超机组为例，在额定负荷下，蒸汽参数为2 6 2 5 m p a 6 0 0 6 0 0 ，机组效率高达 4 5 4 ，供电煤耗仅为2 8 3 2 克千瓦时。玉环电厂4 台机组全部投产后，按年设备 利用小时5 5 0 0 小时测算，每年比发相同电量的亚临界机组少用8 0 万吨标准煤，比 3 华北电力大学硕十学位论文 超临界机组少用4 0 万吨标准煤。玉环电厂4 台机组全部投产后，发电量等同的情 况下与超临界机组相比，每年可少排放二氧化碳5 0 多万吨、二氧化硫6 0 0 0 多吨， 氮氧化物约4 0 0 0 吨。 ( 4 ) 具有良好的负荷调节能力。超超临界机组运行时所允许的最低负荷和负荷 变化率与亚临界机组相仿。超超临界机组在低负荷工况下运行时所表现出的良好的 运行性能主要基于其低负荷下的滑压运行，即主蒸汽汽压力随着机组负荷的降低而 降低。复合滑压的切换点通常发生在机组4 0 额定负荷情况下，而纯滑压从滑压运 行到定压运行的切换点则在3 0 额定负荷左右。 1 2 2 国内超超临界机组的发展 随着国家8 6 3 计划、超超临界燃煤发电技术及依托工程的启动，国内各动力制 造厂相继引进了国外成熟的超超临界机组技术，目前我国的发电机组已进入大容 量、高参数的发展阶段。截至2 0 0 9 年9 月，我国已有十几台百万千万超超临界机组 投入运行，分别为华能浙江玉环电厂4 x 1 0 0 0 m w 机组，蒸汽参数2 7 5 6 m p a 6 0 5 6 0 3 ；华电国际邹县电厂2 x 1 0 0 0 m w 机组，蒸汽参数为2 6 2 5 m p a 6 0 5 6 0 3 ；国电 江苏泰州发电厂2 x 1 0 0 0 m w 机组，蒸汽参数为2 6 1 5 m p a 6 0 5 6 0 3 ；上海外高桥 电厂2 x 1 0 0 0 m w 机组，蒸汽参数为2 8 m p a 6 0 5 6 0 3 ；北仑电厂2 x 1 0 0 0 m w 机组， 蒸汽参数为2 7 5 6 m p a 6 0 5 6 0 3 ；海门电厂2 x 1 0 3 6 m w 机组，蒸汽参数为 2 6 2 5 m p a 6 0 5 6 0 3 ；宁海电厂2 x 1 0 0 0 m w 机组，蒸汽参数为2 9 3 m p a 6 0 5 6 0 3 以及国投津能北疆发电厂百万千万机组，蒸汽参数为2 8 m p a 6 0 5 6 0 3 。此外， 我国还有正在建设施工以及正在进行可行性研究阶段的几十台超超临界机组。据预 测，至u 2 0 2 0 年【5 1 ，我国发电装机总容量将达到9 5 0 g w ，其中火电机组占6 0 以上。 随着国家节能降耗、火电机组压小上大政策的不断实施，相信超超临界发电机组在 我国将会有更加广阔的前景。 1 2 3 国外超超临界机组现状及发展 随着2 0 世纪9 0 年代初材料技术的突破，一批适用于6 0 0 等级的新材料步入 实用化，带动超超临界机组的设计温度从5 4 0 5 6 6 向超超临界的5 8 0 6 1 0 跃升。 目前超超临界技术发展最好的主要是德国、丹麦和同本。 德国是发展超超临界技术最早的国家之一，在发展初期一直追求机组高参数， 但后来蒸汽参数降低并长期稳定在2 5m p a 5 4 5 1 2 5 4 5 的水平上。其后蒸汽参数逐 步提高，下表所示为德国部分超超临界机组参数及欧洲超超临界机组发展规划。 日本因能源短缺，燃料主要依赖进口，因此大多采用超超临界发电机组【6 1 ( 占总 装机容量的6 0 以上) 。1 9 8 9 年和1 9 9 0 年，日本的川越( k a w a g o e ) 电厂先后投运两 4 华北电力大学硕七学位论文 台二次再热超超临界机组，机组容量为7 0 0 m w ，参数为3 1 m p a 5 6 6 5 6 6 5 6 6 超超临界发电机组，这是日本发展超超临界发电技术的标志性机组。近年来，一批 百万千瓦级超超临界发电机组相继在日本投入运行除达到很高可靠性外，其循环效 率可达到4 5 左右。丹麦亦十分重视高参数大容量超超临界机组的发展，在提高机 组蒸汽参数的同时利用低温海水冷却从而大幅提高机组效率。1 9 9 8 年投运的 o r c i j y l l a n d 电厂使用二次再热，其机组容量为4 0 0 m w ，蒸汽参数2 8 5 m p a 5 8 0 5 8 0 5 8 0 ，机组效率高达4 7 。2 0 0 1 年投运的a v v 2 电厂一台超超临界机组，其机 组效率高达4 9 ，这是目前世界上超超临界机组中运行效率最高的机组。 表1 - 1 德国部分超超临界机组参数及欧洲超超临界机组发展规划 s c h w l i n p p e b o in i e d e r 电厂 n v v 3a y v 2f u t u r e lf u t u r e 2 a r z en d o r f b e r g e a u s e m 机组容量8 5 5 59 3 39 1 01 0 1 24 0 04 0 0 主蒸汽压力2 6 82 6 9 52 6 62 7 52 93 0 53 3 54 0 0 主蒸汽温度5 4 75 5 45 4 55 8 05 8 25 8 26 1 07 0 0 再热蒸汽压力5 55 3 85 85 9 4 58 07 49 31 1 2 再热蒸汽温度 5 6 65 8 35 8 06 0 05 8 06 0 06 3 07 2 0 此外，美国，俄罗斯等国在超i 隘界及以上机组方面也具有雄厚的技术实力。美 国在1 9 6 7 年至1 9 7 6 年的1 0 年期间，共安装了1 1 8 台超临界机组，单机最大容量为 1 3 0 0 m w 。到8 0 年代初，超临界机组增至1 7 0 余台，占燃煤机组的7 0 以上，占总 装机容量的2 5 2 2 ，其中单机容量介于5 0 0 8 0 0 m w 者占6 0 7 0 ，至1 9 9 4 年共 安装和投运了9 台1 3 0 0 m w 的超临界机组。原苏联也是世界上拥有超临界以上机组 最多的国家，共有2 2 4 台，总容量达7 9 3 0 0 m w 。凝汽式汽轮机中，超临界机组的 容量占4 8 。 1 2 4 超超临界机组发展趋势【7 l ( 1 ) 欧洲“t h e r m i e ”计划 欧盟为了发展超超临界发电技术先后制定了若干研究计划，目前j 下在执行的 t h e r m i e 计划( 先进的7 0 0 燃煤电厂) 从1 9 9 8 年开始，预期在2 0 1 4 年完成目标，计 划建造参数为3 7 5 m p a 7 0 0 7 2 0 7 2 0 的超超临界机组。欧洲各国约有4 0 个单 位参加了这个项目的工作。 计划的重点内容是镍基合金材料的研究，7 0 0 时蠕变强度大于1 0 0 m p a ； 7 0 0 7 5 0 的条件下进行新材料试验，包括强度、蠕变特性、脆性、抗氧化性能等； 5 华北电力人学硕士学位论文 锅炉和汽轮机的设计，循环优化；经济分析和评价进行4 0 万千瓦和1 0 0 万千瓦两 种机型的设计，蒸汽参数为7 0 0 7 2 0 7 2 0 。主要目标是：使燃烧粉煤( p f ) 电厂的净 效率由4 7 提高到5 5 ( 对于低的海水冷却水温度) 或5 2 左右( 对于内陆地区和冷却 塔1 ；降低燃煤电站的造价。 ( 2 ) 美国“7 6 0 ”计划 该项目由美国电力科学研究院牵头，计划在现有材料的基础之上，通过技术改 造将机组蒸汽参数提高到3 8 5 m p a 7 6 0 。c 的水平，从而大幅提高超超临界机组的效 率，使电厂效率达到5 2 5 5 。 该计划的重点内容是确定材料对燃煤机组的运行温度和效率的影响；定义并实 现能够让机组在7 6 0 。c 条件下运行的合金材料的生产、加工和镀层工艺；参与a s m e 的认证过程并为a s m e 有关批准合金材料的规程积累数据；确定超超临界机组在 8 7 1 下运行时的影响因素等。 ( 3 ) 日本超超临界机组研发计划 日本在通商产业省的支持下进行了超超临界机组研发计划。第一阶段的第一步 计划发展机组参数为3 1 4 m p a 5 9 3 5 9 3 5 9 3 的机型，使其发电效率达到4 4 2 。 第二步应用奥氏体钢发展3 4 3 m p a 6 4 9 5 9 3 5 9 3 机组，发电效率达4 4 9 。第 二阶段则应用新型铁素体钢发展参数为3 0 m p a 6 3 0 6 3 0 的一次再热机组，发电 效率可达4 4 1 6 。目前，正在进行满足6 5 0 。c 级所需的铁素体耐热钢的技术研究。 1 3 本课题研究内容 为提高燃煤效率，燃煤发电机组采用大容量、高参数的超超临界发电机组是我 国电力发展的趋势。本文主要从提高超超临界机组效率、对机组循环系统进行优化 分析以达到机炉匹配这一角度出发，基于单耗分析理论，重点对能够影响机组效率、 具有节能潜力的省煤器改造及机组回热加热系统进行细致分析、研究。本课题主要 研究内容如下： 1 、对单耗分析理论做了进一步的归纳和总结，并在此基础上提出了将单耗分 析理论应用于超超临界机组回热加热系统及机组优化匹配的应用方法。 2 、从热力学第二定律角度出发，重新评估省煤器在超超临界机组中的作用， 并对省煤器改造结合回热加热系统改造以提高机组效率提出可行性方案。 3 、以国内已投产运行的某百力千万超超临界燃煤机组为对象，对机组进行原 则性热力系统计算，重点得到机组汽耗率、热耗率以及发电效率和标准煤耗率等一 系列热经济性指标。 4 、结合不同参数工况的机组，整理、分析其回热系统加热器端差，并在其中 几个机组原有汽水参数的基础上重新校核计算高压加热器上端差，与设计值进行比 6 华北电力火学硕十学位论文 较得出一上端差设计经验值。 5 、应用热力学第二定律和单耗分析理论，从机炉匹配和省煤器改造角度，对 机组回热加热系统进行优化设计，并针对不同给水温度工况下，采用增加一级高压 回热加热器的设计思路，分别进行机组热经济性指标计算，并对结果进行对比分析， 得出初步结论。 ( 1 ) 在给水温度从2 9 9 5 c 提高到3 2 2 。c 范围内，增加一级高压加热器后，结合 机炉参数匹配，选取六个工况点分别进行机组热经济性计算，并分析机组改进后节 能效果。 ( 2 ) 计算了回热系统在变工况条件下机组各热力学参数的变化。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章能量系统的单耗分析理论及其在超超临界机组中的应用 2 1 单耗分析理论简介 2 1 1 单耗分析理论的提出及一般表达式 所谓单耗【8 】就是生产单位产品所消耗的能源和原材料，它比热效率指标更加直 接也更加明确，因而在产业部门得到了广泛的使用。为了降低产品单耗，不仅需要 了解单耗的最后综合结果，而且需要了解单耗的结构，单耗在生产的各环节各设备 中的分布情况，以及它们在不同时刻的动态变化。也就是说要了解单耗的时、空构 成及其变化。此外，为了节能降耗不仅应从技术的角度还要从经济的角度来科学地 决策一个设备是否应该检修、更换，或者做必要的技术改进。单耗分析就是为这许 多目的服务的。单耗分析还将有助于从现行的系统出发按科学的路线进行调整，改 善系统结构使之逼近最优设计。 炯的概念体现着用能和节能的实质。利用炯的概念，可以把不同的能量或物质 生产过程的单耗分析统一起来。众所周知，炯分析虽然克服了能量分析的不足，然 而实践证明它依然未在工程界得到广泛的应用。这反映了它依然存在着不足，阻碍 着其作用的发挥。单耗分析是在炯分析和炯经济学的基础上做了一些重要的改进形 成的。 华北电力大学的宋之平教授首创并提出了单耗分析理论。单耗分析理论是目前 能源利用分析与评价的最先进的理论方法。根据热力学第二定律，对于任一能源利 用过程，其煳平衡关系可以一般性地描述为燃料炯= 产品炯+ 炯耗损1 9 1 ， 即： 丑e i = p 。e p + 羼e ，【l 【j 】 ( 2 1 ) 式中，e ，p p 分别为燃料和产品的比炯；p 为产品产量；b 5 为标准煤耗量；b 为系统各环节炯耗损导致的附加燃料消耗之和。 显然，上式可以写成1 1 0 】： 6 ：一b s p + 溲p ：6 廊+ 包 ( 2 2 ) ei 厶 、 式中，6 血= e p e ，为生产该产品的理论最低燃料单耗，即在无任何炯耗损时的 产品燃料单耗；罗以为系统各环节炯耗损引起的附加燃料单耗之和，取决于生产方 式和工艺流程。由式( 2 2 ) ，我们不难理解产品的理论最低燃料单耗以及生产过程的 附加燃料单耗的分析具有非常重要的理论和工程实际意义，有助于我们了解该产品 8 华北电力火学硕士学位论文 生产的节能潜力及最需要改进的环节。 2 1 2 单耗分析理论的主要特点 单耗分析的第一步是对“耗能产品”进行热力学第二定律界定，分析产品的理论 最低燃料单耗。对比实际燃料单耗，可以直接反映出产品生产过程的理论节能潜力， 因而这是一项非常重要而有意义的工作。 基于单耗分析，我们很容易得到耗能产品生产的第二定律效率，理论上可以用 来进行一切能源利用的横向比较和评价。换句话说，单耗分析既可以进行同一能源 行业或领域内各种不同生产方式之间的横向比较和评价，还可以进行不同能源行业 或领域之间的横向比较和评价，这是其他分析方法所无法做到的。 不仅如此，单耗分析研究和计算的是从能源利用的生产供应、网络输配到终端 用户使用这一全过程的绩效性指标，而不是某一个环节，通过这种研究角度，可以 让我们掌握到整个流程的能源利用情况，这也是其优势之一。 事实上，只有掌握了终端产品的燃料单耗，才能真正回答能源利用系统是否节 能的问题，基于单耗分析的能源利用效率才是真正意义上的第二定律效率，任何其 它的分析都是不完整的。 单耗分析理论及方法是能源利用与评价的最先进和最有效的理论武器，可以帮蠢 助绝大多数具有一定专业水平的工程技术人员应用热力学第二定律的理论成果。 2 1 3 基于单耗分析理论的燃料比炯 自然界中的燃料以气体、液体及固体等不同状态存在，燃料的比炯取决于所研 究的燃料的状态和特性。炯概念的提出者一斯洛文尼亚学者z o r a nr a n t 建议，燃料 的比炯可以根据其高位和低位热值的比值( 品，硅，) 进行估算： 气体燃料的比炯： e ；一0 9 5 0 h 品， 液体燃料的比炯： e ；0 9 7 5 h 品， ( 2 - 3 ) 含水分x 的固体燃料的比炯： p ；一畦，+ j i l x 式中，h 为水的蒸发潜热；x 为应用基全水分的质量成分。 对于标准煤，其燃料的比炯取值等于其低位发热量，即： e ，- h o , i = 7 0 0 0 k c a l k g = 7 0 0 0 4 18 6 8 = 2 9 3 0 8 k j k g ( 2 - 4 ) 如果以标准煤的比炯1 0 0 j 地转变为功量( 电量) 计算，则电量化的燃料比炯为： q 华北电力大学硕士学位论文 e f ：7 0 0 _ 0 x 磊4 _ 18 6 8 ：8 1 4 k w h k g i t 】 ( 2 5 ) = 一= 1i 二j ， 3 6 0 0 。、 2 1 4 “电”和“热 的比炯及其理论最低燃料单耗 产品的产量和品质是影响一个企业发展的关键因素，单纯追求产量而不注重品 质是绝对不行的。从热力学的角度来看，不同耗能产品的品质也是各不相同的。如 电( 功) 与热、不同参数的热量等。因此，基于热力学第二定律对产品的品质进行界 定非常重要。 事实上，产品比炯是反映产品品质的重要指标。“电”和“热”是国民经济中的两 种重要产品，同时也是能源利用的两种主要形式，几乎所有的耗能产品都直接或间 接地消耗电和热。分析讨论电和热的比炯对于理解能源利用具有重要意义，其他产 品的比炯可以基于热力学分析确定。 “电在热力学分析【1 1 】中被视为1 0 0 1 拘炯，即电的比炯为e 。= 1 k w h k w h 。因此， 电力生产的理论最低燃料单耗为： 6 严= e pe ，= 1 8 1 4 = 0 1 2 3 【k g k w h 】 ( 2 - 6 ) 对于一定的热量，如果其热力学平均温度为瓦，则根据热力学第二定律，其比 炯为： e ，一( 1 - t o t h ) 【k w h k w h h 。t 】( 2 7 ) 或者，e 。= 2 7 8 ( 1 一瓦瓦)【k w h g j 】( 2 8 ) 式中，瓦为环境温度。 因此，生产该热产品( 供暖) 的理论最低燃料单耗为： b t = e pe ，一3 4 i ( i 一挚) k g g j ( 2 - 9 ) 显然，不同的用热需求，即热产品不同，其供热过程的理论最低燃料单耗也不 相同。对于供暖，如果将室内温度瓦= 2 9 3 1 5 k ，环境温度r o = 2 7 3 1 5 k 的条件下定义 为标准供暖工况，则根据公式( 2 9 ) ，其供热的理论最低燃料单耗仅为： 矿= 3 4 1 ( 1 2 7 3 1 5 2 9 3 1 5 ) = 2 3 3 k g g j 】。 2 1 5 能量利用的第二定律效率及其与第一定律效率的关系 一般来讲，按照传统方法对能源利用系统进行第二定律效率分析是比较复杂 的，但根据公式( 2 1 ) ，可以很容易得到关于任一产品生产过程的第二定律效率( 炯效 率) 为【1 2 j ： ”兰= 铭一字 p 埘 华北电力大学硕十学位论文 因此，只要已知产品的实际燃料单耗，通过公式2 1 0 ，就能很方便的计算出该 产品在生产过程中的第二定律效率( 炯效率) ，而无需对整个生产过程进行第二定律 分析。基于单耗分析的第二定律效率的计算方法可适用于一切能源利用过程的评 价，从而为第二定律分析方法应用于能源利用的统计分析与评价成为了可能【1 3 】。 对于发电机组的电能生产过程，其第二定律效率，7 。与第一定律效率叩删是一样 的。若电能生产的燃料单耗为吃，则有： 吒，譬。_ 0 1 2 3 【】( 2 - 1 1 ) d tu e 对于热产品的生产过程，如果其实际燃料单耗为玩，则由公式( 2 9 ) 可得热产品 生产过程的第二定律效率为： 小等一半”瓦t o ) = 仉( 1 一挚) 【】 ( 2 1 2 ) 式中， 仉- 3 4 1 b h【】( 2 1 3 ) 其中，公式( 2 - x 3 ) 表征热产品生产过程( 锅炉) 的热效率，3 4 1 k g j 为机组热效 率达到1 0 0 时的燃料单耗。 显然，热能生产过程的第二定律效率不仅仅取决于其热效率，还取决于生产的 热能产品的品位的高低。 2 2 单耗分析理论在超超临界机组中的应用 2 2 1 超超临界机组锅炉第二定律效率及发电循环炯效率 由发电厂热力系统与其能量平衡、物质平衡的关系，我们可以看出，进入锅炉 的给水的热力学平均温度和再热蒸汽的热力学平均温度与给水在炉膛中的吸热量 以及再热蒸汽的吸热量存在必然联系。因此，我们可以通过科学合理的配置机组的 各个参数，使其达到机炉匹配，从而能够有效的提高工质的吸热平均温度，进而提 高锅炉的第二定律效率。基于能源利用的单耗分析理论为科学分析、研究提高锅炉 第二定律的措施提供了良好的途径。 上节已经推导出热产品生产过程中的第二定律效率的计算方法，可由公式( 2 1 2 ) 计算而得。但此公式仅适用于工业锅炉以及非再热锅炉机组。 对于具有再热循环的锅炉机组( 绝大多数超超临界机组都使用再热循环甚至采 用二次再热技术) ，其热产品分为锅炉给水吸热量和再热蒸汽吸热量两部分。因此， 其综合吸热平均温度可用以下式计算： 】1 华北电力大学硕士学位论文 瓦：罂。譬掣竺矬【】(2-14)、ii一-,j-,n r 1 6 , “2 石了瓦。百i 万瓦丽m j 其中， a s 加，a s 旃一为给水和再热蒸汽吸热的熵增； q 加，q 抽一为锅炉的给水吸热量和再热蒸汽吸热量； h 6 ，h 所一为锅炉出1 3 蒸汽焓和给水焓； j l 二，| l 二一为再热前后再热蒸汽的焓值； s b ，s 加一为锅炉出口蒸汽熵和给水熵值； s 二，s 二一为再热前后再热蒸汽熵值； 口 一指再热蒸汽份额。 在超超临界机组生产运行过程中，锅炉的热产品即产生的蒸汽量是进入汽轮机 的输入能量，因此机组发电循环的炯效率可以用以下公式表示： 小一鬻鼍吨吃【】 ( 2 - 1 5 ) 式中，g 为热蒸汽的流量；e 曲为蒸汽的比炯； ，7 兰，7 7 二分别为锅炉和汽轮机的焖效率。 2 2 2 基于单耗分析的机炉参数匹配 由于不同机组锅炉的类型和参数配置差异很大，所生产的热产品( 蒸汽) 品位高 低各不相同，因此基于热力学第一定律计算的锅炉热效率也各不相同。随着电厂机 组技术水平的不断完善和提升以及先进燃烧方式的不断采用，现代超超临界机组锅 炉的热效率得到了很大提高。但是，基于单耗分析理论，锅炉的第二定律效率不仅 取决于其热效率，更主要的是取决于其热产品品位的高低。下表2 1 为不同机组在 生产不同品位热产品条件下的理论最低燃料单耗和锅炉炯效率，充分展示了机组锅 炉参数对其影响。 对于供暖锅炉机组，假设其标准供暖工况为室内温度五= 2 9 3 1 5 k ，环境温度 t o = 2 7 3 1 5 k ，则可根据公式( 2 9 ) ，计算出机组供暖理论最低燃料单耗仅为 矿= 3 4 1 ( 1 - 2 7 3 1 5 2 9 3 1 5 ) = 2 3 3 k g g j l 。 目前，国内供暖锅炉多为热效率较低的热水锅炉，其机组热效率平均只有6 5 左右。因此根据公式( 2 1 2 ) ，该供暖方案的第二定律效率只有4 4 4 。这主要是因为 采用低品位能源就可以满足供热需求，当通过燃烧高品质的化石能源直接供应供暖 需求时，就违反了按质用能、根据产品品位合理利用能源的原则。而对于为集中供 暖提高供回水温度至9 0 7 0 c 的热水锅炉本身，其第二定律效率为1 0 1 2 ，也就是 说由热水锅炉到热用户取暖之间还存在很大的不可逆损失，即这种供暖方案的能质 华北电力大学硕士学位论文 匹配不合理。 表2 1机炉参数匹配的单耗分析和第二定律效率分析。 采暖热水 中压 高压超高压亚临界超临界 指标名称量纲 锅炉锅炉机组机组机组机组机组 压力 m p a3 4 38 8 31 3 2 4 2 5 5 61 6 1 8 3 6 4 “ 2 4 2 4 8 5 6 温度范围2 0 0 。9 0 7 0 04 3 5 10 4 45 3 5 2 2 0 05 5 0 5 5 0 2 4 0 。5 3 7 5 3 7 2 7 4 。5 3 8 5 6 6 2 8 5 。 吸热平均温度 k2 9 3 1 5 3 5 3 1 5 5 0 9 6 5 9 1 86 3 0 8 6 4 6 86 7 0 3 理论最低单耗 k g g j 2 3 35 3 l1 4 1 51 6 9 21 7 9 81 8 3 81 8 9 3 锅炉热效率 6 5 6 5 8 89 09 1 9 2 9 3 锅炉炯效率 4 4 4 t1 0 1 2 3 6 5 24 4 6 6 4 7 9 94 9 5 95 1 6 0 汽轮机炯效率 7 0 1 87 6 5 17 9 1 98 0 0 28 4 3 4 发电炯效率 2 5 6 33 4 1 73 8 o3 9 6 84 3 5 2 产品燃料单耗k g g j 5 2 55 2 53 8 7 53 7 8 93 7 4 73 7 0 63 6 6 9 发电燃料单耗 g k w h 4 7 9 9 13 5 9 9 73 2 3 6 83 0 9 9 82 8 2 6 3 注：a 环境温度2 9 8 1 5 k ：b 初压再热压力；c 室温和室外温；d 出u ae l 温度( 给水温度) ； e 主蒸汽再热蒸汽温度给水温度；f 锅炉采暖的炯效率。 随着机组容量及蒸汽参数的不断提高，对于大型电站机组，其锅炉所生产的热 产品的品位也在逐步提高，因此所需的理论最低燃料单耗也随之增大。由于大型机 组锅炉的热效率能达到9 0 以上，但是从表2 - 1 中不难看出，锅炉炯效率的提高， 其主要贡献来自于机组参数的不断提高，循环吸热平均温度的提高以及热产品品位 的显著提高，这就是高参数大容量机组能够提高发电效率的关键。 2 3 本章小结 本章主要介绍了单耗分析理论的提出背景、一般表达式及其特点，进而推导出 基于单耗分析理论的燃料比炯的计算表达式。在此基