大型燃煤机组节能途径分析

大型燃煤机组节能途径分析大型燃煤机组为我国经济社会发展提供了源源不断的能源供应，其节能降耗技术是一个经久不衰的话题。为了分析大型燃煤机组在电力生产过程中的节能潜力，基于热力学第一定律和热力学第二定律，分别利用热量法和方法对机组各个环节进行能耗比较，进而展示热力发电过程节能的潜力分布。基于这一分析结果，讨论了现阶段多种节能技术能够节能降耗的原因。结果表明：机组发电过程中工质的损是造成凝汽器热量流失的原因，而凝汽器冷端巨大的热量散失是发电机组发电过程不可逆损失导致工质能力下降的表现，其中锅炉受热面具有最大的节能潜力。同时，热电联产等节能技术有利于燃料能量的分级利用，这将大幅提高大型燃煤发电机组的综合能量利用效果。引言我国一次能源结构中煤炭占据着主要地位，份额超过60%，燃煤机组发电量占比达到了70%。可见，研究大型燃煤机组的节能途径具有重要意义。大型燃煤机组的基本原理都遵守朗肯循环，大量的国内外学者根据朗肯循环的特性对大型电站机组进行了节能途径研究。利用热力学第一定律的热平衡方法，先进燃煤锅炉热效率高达95%以上，燃煤发电机组的热量损失大多集中在低压缸出口乏汽的冷凝过程。因此为减少这部分损失，李佩峰等分析并研究了某300MW热电联产供热系统，并计算其能耗。王学栋等研究了老式凝汽器的节能改造途径分析，对老式凝汽器机组的节能改造具有指导意义。董丽娟等研究了汽轮机背压变化对机组出力的影响，当汽轮机背压改变1kPa时，机组热耗率将改变0.7%。基于热力学第二定律平衡方法，大型发电机组主要能量损失存在于锅炉炉膛巨大传热温差的不可逆损失当中。王卫良等利用热平衡和平衡对比分析，研究热损失和损失在火电机组发电过程中的内在关系，进而获得火电机组节能潜力分布情况。以某燃煤机组为例，利用热平衡和平衡的方法，对大型燃煤电站能效进行对比。以分析火力发电机组节能潜力分布，对部分节能技术进行讨论以分析火力发电机组的节能技术发展方向。1大型燃煤发电机组系统及能效评价方法1.1燃煤发电机组介绍热力学研究为火力发电机组节能提供了理论基础，火力发电厂运行的基本原理遵从朗肯循环。朗肯循环提供了一个理想的基于水为工质的火力发电循环模型，其原理图和基本设备图如图1、图2所示。朗肯循环是由定容加压过程，定压吸热过程，绝热膨胀过程，定温放热过程四大基本过程组成。朗肯循环的基本设备有四大部分：锅炉、汽机、凝汽器、主给水水泵。锅炉是高温热源，汽机是绝热膨胀装置，凝汽器是低温热源（因汽测发生相变换热，故接近定温放热过程），主给水泵是定容升压装置。1.2电厂节能潜力评价方法1.2.1热量法热量法将热效率或热损失率作为评价指标。利用热力学第一定律，计算出全厂供电热效率和全厂供电热损失率，就能够评价热力发电厂的经济性。1.2.2方法方法是指燃煤机组发电过程中各个环节由于不可逆因素造成的可用能损失，计算出损失系数。2基于朗肯循环的燃煤电站节能方法2.1提高主蒸汽参数提高主蒸汽参数指提高主蒸汽温度和压力，当主蒸汽温度从T0变为T0'时，平均吸热温度提高，机组理论循环热效率提高，若式（5）中管道效率等其他项保持不变，则全场理论热效率更高，最终可以达到降低电厂煤耗率的作用。同时，若保证汽轮机背压保持不变，提高主蒸汽压力，这将使汽轮机乏汽湿度增加，使低压缸最后几级叶片处于危险状态，因此提高主蒸汽压力应当伴随着主蒸汽压力一同提升。2.2降低汽轮机排汽参数燃煤发电厂以水及水蒸气作为工质，以凝汽器作为热力循环过程中的冷源，使水蒸气发生相变换热，变为液态水，以保证可以让凝结水泵，主给水泵加压至额定压力。因为凝汽器中发生相变换热，故而凝汽器中蒸汽的压力和温度是一一对应的关系。而凝汽器的工作温度受限于环境温度，受限于电厂所在地区的气候。因此想提高凝汽器的真空以降低电厂热力循环中的平均放热温度，只能通过改变凝汽器的结构和运行方式，以提高换热效果，凝汽器中冷凝水温度接近环境温度。这一举措具有很大的局限性，首先凝汽器工作压力受到环境温度制约，无法深度降温降压；其次过多的降低凝汽器的温度，需要增加更大的换热面积，这样会增大机组建设成本。2.3二次再热循环当采用二次再热循环，蒸汽高温吸热段延长，这将提高蒸汽平均吸热温度。蒸汽平均吸热温度增加，将提高理论循环热效率。同时，采用二次再热循环将增大汽轮机排汽干度。因此二次再热循环有利于大型发电机组在不大幅提高主蒸汽温度的情况下，大幅提高主蒸汽压力。例如：目前某台在建超超临界二次再热循环机组的主蒸汽压力高达32.46MPa，其主蒸汽温度相较于一次再热超超临界机组增长不大，主蒸汽温度为605℃。2.4热电联产在电厂热力循环中低压缸排气的汽化潜热巨大，这一部分将散失在环境当中。因此很多电厂进行了热电联产改造，一部分机组利用抽汽热量直接加热热网热水源，为工业和商业用户提供适宜的热产品；还有部分机组基于吸收式热泵，在大幅降低机组背压的同时，为用户提供热产品。这一措施都将利用汽轮机排汽部分汽化潜热。3燃煤能量损失分布及节能潜力分析3.1燃煤电站能量损失情况利用热量法和方法两种角度，分别对某300MW亚临界机组、某600MW超临界机组进行能量传递过程分析。基于热力学第一定律，得到2台机组的能量损失分布，根据热力学第二定律，对两台机组的能量传递过程进行分析。利用热量法和方法计算得出的供电效率略有不同，二者相差在0.45%以内。这是因为在计算燃料时忽略了燃烧产物的燃料，使得计算效率时，结果略大，但是总体吻合。同时，以600MW超临界机组为例，在热量法计算当中，两台机组热量损失集中在凝汽器冷端和排烟损失部分，锅炉受热面及空预器散热损失仅1.49%，其中凝汽器冷端散热损失高达50%左右，这是燃煤机组主要的热量损失；与之相反，在方法中，通过凝汽器冷端温差等不可逆因素造成的损占比仅为1.39%，而因为巨大的冷热温差而传递热量的锅炉受热面及空预器损巨大，高达48.68%。基于能量分级利用思想，发电机组的发电过程中，充分利用高温高压水蒸气中高品位能量用于发电，低温低压的低品位蒸汽用于生产热产品，这样将充分机组冷端乏汽相变潜热，将能量综合利用。分析典型燃煤机组的热损失和损失计算结果，可以看出，在火力发电过程中，在锅炉受热面上由于冷热温差的传热过程中，热量传递损失很小，但是烟气的做功能力损失很大，最终以凝汽器冷端相变换热的形式造成热量损失。其中，发电过程中各种工质的损是造成最终凝汽器热量流失的原因，而凝汽器散热是发电机组各种不可逆损失导致工质能力下降。因此减少锅炉受热面的损是提高发电效率的根本方向，燃煤机组能量分级利用是当前节能降耗的重要方法。3.2燃煤电厂节能途径分析根据分析，燃煤发电机组节能潜力主要集中在锅炉受热面和机组冷端。那么减少锅炉受热面换热温差以及减少机组冷端散热量就成了发电机组节能主要目标。纵观我国的大型燃煤机组的发展历史，参考卡诺循环和朗肯循环，在电力技术革新中降低受热面温差一直是重点话题，通常采用的方法是增大主蒸汽参数，建造超超临界发电机组并使用二次再热技术，目前我国已经发展和建造了大量的超临界、超超临界发电机组，这些机组的主蒸汽参数都在提高，部分机组再热蒸汽温度高达623℃。当锅炉主蒸汽温差不断上升时，水蒸气平均吸热温度升高；当运用二次再热循环技术，炉膛烟气与水蒸气的换热温差降低，减少了换热过程中的损，最终提高机组发电效率。但是传统火电机组大多为煤粉炉，为了稳定燃烧效果，炉膛温度偏高，降低受热面温差只能采用不断提高水侧平均吸热温度的方法。这一举措必然提高锅炉炉膛受热面的金属温度。因此无论是提高主蒸汽参数还是采用二次再热循环，其本质都是减少锅炉受热面的损失，从根本上来提高机组的供电效率。同时，降低汽轮机排汽参数和热电联产本质上都是根据热量法分析结果来利用发电机组冷端庞大的热量损失。根据方法和能量分级利用思想分析可得，燃煤发电机组冷端损失仅仅伴随着极少的损。因此若能够在损失极少的情况下，充分利用冷端热量损失，将大幅提高燃料的能量利用率。能量分级利用可以充分利用燃料能量，诸如热电联产、低温闪蒸海水淡化的技术都是燃煤机组能量分级利用的表现，这具有广泛的节能潜力。4结语利用方法和热量法对大型燃煤机组的能量转换过程进行分析，得出发电过程中工质的损是造成凝汽器热量流失的根本原因，而凝汽器散热是发电机组各种不可逆损失导致工质做功能力下降的表现。根据发电机组损计算结果，可以分析出发电的各个环节中节能潜力分布，这为开发节能技术提供了参考。分析某300MW亚临界机组和某600MW超临界机组发现，其损主要