大型燃煤機(jī)組節(jié)能途徑分析

大型燃煤機(jī)組節(jié)能途徑分析大型燃煤機(jī)組為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了源源不斷的能源供應(yīng)，其節(jié)能降耗技術(shù)是一個(gè)經(jīng)久不衰的話題。為了分析大型燃煤機(jī)組在電力生產(chǎn)過(guò)程中的節(jié)能潛力，基于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，分別利用熱量法和方法對(duì)機(jī)組各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行能耗比較，進(jìn)而展示熱力發(fā)電過(guò)程節(jié)能的潛力分布。基于這一分析結(jié)果，討論了現(xiàn)階段多種節(jié)能技術(shù)能夠節(jié)能降耗的原因。結(jié)果表明：機(jī)組發(fā)電過(guò)程中工質(zhì)的損是造成凝汽器熱量流失的原因，而凝汽器冷端巨大的熱量散失是發(fā)電機(jī)組發(fā)電過(guò)程不可逆損失導(dǎo)致工質(zhì)能力下降的表現(xiàn)，其中鍋爐受熱面具有最大的節(jié)能潛力。同時(shí)，熱電聯(lián)產(chǎn)等節(jié)能技術(shù)有利于燃料能量的分級(jí)利用，這將大幅提高大型燃煤發(fā)電機(jī)組的綜合能量利用效果。引言我國(guó)一次能源結(jié)構(gòu)中煤炭占據(jù)著主要地位，份額超過(guò)60%，燃煤機(jī)組發(fā)電量占比達(dá)到了70%?？梢?jiàn)，研究大型燃煤機(jī)組的節(jié)能途徑具有重要意義。大型燃煤機(jī)組的基本原理都遵守朗肯循環(huán)，大量的國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)朗肯循環(huán)的特性對(duì)大型電站機(jī)組進(jìn)行了節(jié)能途徑研究。利用熱力學(xué)第一定律的熱平衡方法，先進(jìn)燃煤鍋爐熱效率高達(dá)95%以上，燃煤發(fā)電機(jī)組的熱量損失大多集中在低壓缸出口乏汽的冷凝過(guò)程。因此為減少這部分損失，李佩峰等分析并研究了某300MW熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)，并計(jì)算其能耗。王學(xué)棟等研究了老式凝汽器的節(jié)能改造途徑分析，對(duì)老式凝汽器機(jī)組的節(jié)能改造具有指導(dǎo)意義。董麗娟等研究了汽輪機(jī)背壓變化對(duì)機(jī)組出力的影響，當(dāng)汽輪機(jī)背壓改變1kPa時(shí)，機(jī)組熱耗率將改變0.7%?；跓崃W(xué)第二定律平衡方法，大型發(fā)電機(jī)組主要能量損失存在于鍋爐爐膛巨大傳熱溫差的不可逆損失當(dāng)中。王衛(wèi)良等利用熱平衡和平衡對(duì)比分析，研究熱損失和損失在火電機(jī)組發(fā)電過(guò)程中的內(nèi)在關(guān)系，進(jìn)而獲得火電機(jī)組節(jié)能潛力分布情況。以某燃煤機(jī)組為例，利用熱平衡和平衡的方法，對(duì)大型燃煤電站能效進(jìn)行對(duì)比。以分析火力發(fā)電機(jī)組節(jié)能潛力分布，對(duì)部分節(jié)能技術(shù)進(jìn)行討論以分析火力發(fā)電機(jī)組的節(jié)能技術(shù)發(fā)展方向。1大型燃煤發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)及能效評(píng)價(jià)方法1.1燃煤發(fā)電機(jī)組介紹熱力學(xué)研究為火力發(fā)電機(jī)組節(jié)能提供了理論基礎(chǔ)，火力發(fā)電廠運(yùn)行的基本原理遵從朗肯循環(huán)。朗肯循環(huán)提供了一個(gè)理想的基于水為工質(zhì)的火力發(fā)電循環(huán)模型，其原理圖和基本設(shè)備圖如圖1、圖2所示。朗肯循環(huán)是由定容加壓過(guò)程，定壓吸熱過(guò)程，絕熱膨脹過(guò)程，定溫放熱過(guò)程四大基本過(guò)程組成。朗肯循環(huán)的基本設(shè)備有四大部分：鍋爐、汽機(jī)、凝汽器、主給水水泵。鍋爐是高溫?zé)嵩矗麢C(jī)是絕熱膨脹裝置，凝汽器是低溫?zé)嵩矗ㄒ蚱麥y(cè)發(fā)生相變換熱，故接近定溫放熱過(guò)程），主給水泵是定容升壓裝置。1.2電廠節(jié)能潛力評(píng)價(jià)方法1.2.1熱量法熱量法將熱效率或熱損失率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。利用熱力學(xué)第一定律，計(jì)算出全廠供電熱效率和全廠供電熱損失率，就能夠評(píng)價(jià)熱力發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)性。1.2.2方法方法是指燃煤機(jī)組發(fā)電過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)由于不可逆因素造成的可用能損失，計(jì)算出損失系數(shù)。2基于朗肯循環(huán)的燃煤電站節(jié)能方法2.1提高主蒸汽參數(shù)提高主蒸汽參數(shù)指提高主蒸汽溫度和壓力，當(dāng)主蒸汽溫度從T0變?yōu)門(mén)0'時(shí)，平均吸熱溫度提高，機(jī)組理論循環(huán)熱效率提高，若式（5）中管道效率等其他項(xiàng)保持不變，則全場(chǎng)理論熱效率更高，最終可以達(dá)到降低電廠煤耗率的作用。同時(shí)，若保證汽輪機(jī)背壓保持不變，提高主蒸汽壓力，這將使汽輪機(jī)乏汽濕度增加，使低壓缸最后幾級(jí)葉片處于危險(xiǎn)狀態(tài)，因此提高主蒸汽壓力應(yīng)當(dāng)伴隨著主蒸汽壓力一同提升。2.2降低汽輪機(jī)排汽參數(shù)燃煤發(fā)電廠以水及水蒸氣作為工質(zhì)，以凝汽器作為熱力循環(huán)過(guò)程中的冷源，使水蒸氣發(fā)生相變換熱，變?yōu)橐簯B(tài)水，以保證可以讓凝結(jié)水泵，主給水泵加壓至額定壓力。因?yàn)槟髦邪l(fā)生相變換熱，故而凝汽器中蒸汽的壓力和溫度是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。而凝汽器的工作溫度受限于環(huán)境溫度，受限于電廠所在地區(qū)的氣候。因此想提高凝汽器的真空以降低電廠熱力循環(huán)中的平均放熱溫度，只能通過(guò)改變凝汽器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，以提高換熱效果，凝汽器中冷凝水溫度接近環(huán)境溫度。這一舉措具有很大的局限性，首先凝汽器工作壓力受到環(huán)境溫度制約，無(wú)法深度降溫降壓；其次過(guò)多的降低凝汽器的溫度，需要增加更大的換熱面積，這樣會(huì)增大機(jī)組建設(shè)成本。2.3二次再熱循環(huán)當(dāng)采用二次再熱循環(huán)，蒸汽高溫吸熱段延長(zhǎng)，這將提高蒸汽平均吸熱溫度。蒸汽平均吸熱溫度增加，將提高理論循環(huán)熱效率。同時(shí)，采用二次再熱循環(huán)將增大汽輪機(jī)排汽干度。因此二次再熱循環(huán)有利于大型發(fā)電機(jī)組在不大幅提高主蒸汽溫度的情況下，大幅提高主蒸汽壓力。例如：目前某臺(tái)在建超超臨界二次再熱循環(huán)機(jī)組的主蒸汽壓力高達(dá)32.46MPa，其主蒸汽溫度相較于一次再熱超超臨界機(jī)組增長(zhǎng)不大，主蒸汽溫度為605℃。2.4熱電聯(lián)產(chǎn)在電廠熱力循環(huán)中低壓缸排氣的汽化潛熱巨大，這一部分將散失在環(huán)境當(dāng)中。因此很多電廠進(jìn)行了熱電聯(lián)產(chǎn)改造，一部分機(jī)組利用抽汽熱量直接加熱熱網(wǎng)熱水源，為工業(yè)和商業(yè)用戶提供適宜的熱產(chǎn)品；還有部分機(jī)組基于吸收式熱泵，在大幅降低機(jī)組背壓的同時(shí)，為用戶提供熱產(chǎn)品。這一措施都將利用汽輪機(jī)排汽部分汽化潛熱。3燃煤能量損失分布及節(jié)能潛力分析3.1燃煤電站能量損失情況利用熱量法和方法兩種角度，分別對(duì)某300MW亞臨界機(jī)組、某600MW超臨界機(jī)組進(jìn)行能量傳遞過(guò)程分析?；跓崃W(xué)第一定律，得到2臺(tái)機(jī)組的能量損失分布，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，對(duì)兩臺(tái)機(jī)組的能量傳遞過(guò)程進(jìn)行分析。利用熱量法和方法計(jì)算得出的供電效率略有不同，二者相差在0.45%以內(nèi)。這是因?yàn)樵谟?jì)算燃料時(shí)忽略了燃燒產(chǎn)物的燃料，使得計(jì)算效率時(shí)，結(jié)果略大，但是總體吻合。同時(shí)，以600MW超臨界機(jī)組為例，在熱量法計(jì)算當(dāng)中，兩臺(tái)機(jī)組熱量損失集中在凝汽器冷端和排煙損失部分，鍋爐受熱面及空預(yù)器散熱損失僅1.49%，其中凝汽器冷端散熱損失高達(dá)50%左右，這是燃煤機(jī)組主要的熱量損失；與之相反，在方法中，通過(guò)凝汽器冷端溫差等不可逆因素造成的損占比僅為1.39%，而因?yàn)榫薮蟮睦錈釡夭疃鴤鬟f熱量的鍋爐受熱面及空預(yù)器損巨大，高達(dá)48.68%?；谀芰糠旨?jí)利用思想，發(fā)電機(jī)組的發(fā)電過(guò)程中，充分利用高溫高壓水蒸氣中高品位能量用于發(fā)電，低溫低壓的低品位蒸汽用于生產(chǎn)熱產(chǎn)品，這樣將充分機(jī)組冷端乏汽相變潛熱，將能量綜合利用。分析典型燃煤機(jī)組的熱損失和損失計(jì)算結(jié)果，可以看出，在火力發(fā)電過(guò)程中，在鍋爐受熱面上由于冷熱溫差的傳熱過(guò)程中，熱量傳遞損失很小，但是煙氣的做功能力損失很大，最終以凝汽器冷端相變換熱的形式造成熱量損失。其中，發(fā)電過(guò)程中各種工質(zhì)的損是造成最終凝汽器熱量流失的原因，而凝汽器散熱是發(fā)電機(jī)組各種不可逆損失導(dǎo)致工質(zhì)能力下降。因此減少鍋爐受熱面的損是提高發(fā)電效率的根本方向，燃煤機(jī)組能量分級(jí)利用是當(dāng)前節(jié)能降耗的重要方法。3.2燃煤電廠節(jié)能途徑分析根據(jù)分析，燃煤發(fā)電機(jī)組節(jié)能潛力主要集中在鍋爐受熱面和機(jī)組冷端。那么減少鍋爐受熱面換熱溫差以及減少機(jī)組冷端散熱量就成了發(fā)電機(jī)組節(jié)能主要目標(biāo)?？v觀我國(guó)的大型燃煤機(jī)組的發(fā)展歷史，參考卡諾循環(huán)和朗肯循環(huán)，在電力技術(shù)革新中降低受熱面溫差一直是重點(diǎn)話題，通常采用的方法是增大主蒸汽參數(shù)，建造超超臨界發(fā)電機(jī)組并使用二次再熱技術(shù)，目前我國(guó)已經(jīng)發(fā)展和建造了大量的超臨界、超超臨界發(fā)電機(jī)組，這些機(jī)組的主蒸汽參數(shù)都在提高，部分機(jī)組再熱蒸汽溫度高達(dá)623℃。當(dāng)鍋爐主蒸汽溫差不斷上升時(shí)，水蒸氣平均吸熱溫度升高；當(dāng)運(yùn)用二次再熱循環(huán)技術(shù)，爐膛煙氣與水蒸氣的換熱溫差降低，減少了換熱過(guò)程中的損，最終提高機(jī)組發(fā)電效率。但是傳統(tǒng)火電機(jī)組大多為煤粉爐，為了穩(wěn)定燃燒效果，爐膛溫度偏高，降低受熱面溫差只能采用不斷提高水側(cè)平均吸熱溫度的方法。這一舉措必然提高鍋爐爐膛受熱面的金屬溫度。因此無(wú)論是提高主蒸汽參數(shù)還是采用二次再熱循環(huán)，其本質(zhì)都是減少鍋爐受熱面的損失，從根本上來(lái)提高機(jī)組的供電效率。同時(shí)，降低汽輪機(jī)排汽參數(shù)和熱電聯(lián)產(chǎn)本質(zhì)上都是根據(jù)熱量法分析結(jié)果來(lái)利用發(fā)電機(jī)組冷端龐大的熱量損失。根據(jù)方法和能量分級(jí)利用思想分析可得，燃煤發(fā)電機(jī)組冷端損失僅僅伴隨著極少的損。因此若能夠在損失極少的情況下，充分利用冷端熱量損失，將大幅提高燃料的能量利用率。能量分級(jí)利用可以充分利用燃料能量，諸如熱電聯(lián)產(chǎn)、低溫閃蒸海水淡化的技術(shù)都是燃煤機(jī)組能量分級(jí)利用的表現(xiàn)，這具有廣泛的節(jié)能潛力。4結(jié)語(yǔ)利用方法和熱量法對(duì)大型燃煤機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行分析，得出發(fā)電過(guò)程中工質(zhì)的損是造成凝汽器熱量流失的根本原因，而凝汽器散熱是發(fā)電機(jī)組各種不可逆損失導(dǎo)致工質(zhì)做功能力下降的表現(xiàn)。根據(jù)發(fā)電機(jī)組損計(jì)算結(jié)果，可以分析出發(fā)電的各個(gè)環(huán)節(jié)中節(jié)能潛力分布，這為開(kāi)發(fā)節(jié)能技術(shù)提供了參考。分析某300MW亞臨界機(jī)組和某600MW超臨界機(jī)組發(fā)現(xiàn)，其損主要