1 000 MW燃煤机组能耗及其分布

杨志平，杨勇平

(华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，北京 102206)

0 引言

近年来，我国1 000 MW超超临界燃煤火力发电机组容量、台数不断增加，从2006年华能玉环电厂第一台机组投产到2010年底，已投产1 000 MW火电机组台数达到31台[1]。随着火电结构的不断优化，“上大压小”政策的继续实施，1 000 MW超超临界机组的发展速度将进一步增大，因此，对1 000 MW超超临界燃煤机组进行热经济性能分析、评价，进一步提高其运行的热经济性，具有重要的意义。

目前火力发电机组热经济性的评价方法仍然基于热力学第一定律和热力学第二定律[2]，但仍以热力学第一定律为主，以设备的热效率和总体能耗率进行评价，更多的关注主要设备和整个系统，而忽视过程能耗，热力学第二定律长期以来一直处于学术研究层面，尚未普遍使用，主要原因还是效率和损失比较抽象。

任何能量系统都会消耗一定数量的能源和原材料 (统称为“燃料”)，输出一定数量的产品，都离不开能量传递与转换环节，火力发电生产过程通过消耗化石燃料，生产电能产品，无论用能耗还是效率评价机组的热经济性能都很直观，所以一般都采用机组热效率或煤耗率进行评价，而具体每一环节和过程的能量消耗关注很少，虽然能通过能流图反映出各环节的能量损失，但会给人以误导，通过方法绘制流图虽然能够科学反映各环节能量损失的大小部位，但长期以来一直以产品能耗评价能量系统的性能，如火力发电厂用煤耗评价，由于损失理解抽象，尚未在生产实际中使用。

华北电力大学宋之平教授将热力学第一定律与第二定律有机结合，提出单耗分析方法[3]，以产品能耗为评价指标，将能量总体能耗与过程能耗进行了统一，既与现行能量生产过程性能评价目标相一致，还能够科学评价产品能耗在整个系统各环节及过程的能耗分布。

1 火电机组的能耗及其空间分布评价模型

1.1 基于热量法的火电机组能耗评价

火电机组消耗化石燃料，生产电能，通常采用发电煤耗率和供电煤耗率对整个机组的热经济性能进行评价，热量法评价主要采用热平衡思想，如下式所示:

式中:Bs，bs为发电标准煤耗量，发电标准煤耗率，kg/h，g/kW·h;Ne为发电机功率，kW;ΔQb，ΔQp，ΔQc，ΔQm，ΔQg为锅炉、管道、冷源、机械、发电机热损失，kJ/h; ηb，ηp，ηi，ηm，ηg，ηcp为锅炉、管道、汽轮机、机械、发电机、机组的热效率;29 271.2为标准煤的低位发热量，kJ/kg。

由上式可见，机组的发电煤耗率与锅炉热效率、管道效率、汽轮机效率、机械效率和发电机效率有关，所以通常先确定设备热效率，进而求得机组的煤耗率。(4)式表明，如果火力发电机组各环节没有能量损失，最低发电煤耗只有123 g/kW·h。

1.2 基于单耗分析的火电机组能耗评价

式中:F，P，ΔEj为燃料，产品，损;B，Pe为燃料量;ef，ep为燃料比，产品比;bmin，bj为理论单耗，设备附加能耗。

由上式可见，任何能量系统，其产品的能耗都包括两部分:一是理论最低能耗;一是为生产此产品而需付出的设备的附加能耗[6]。

由 (7)式可见，通过热力学第二定律分析可知，火电机组的发电煤耗主要由理论最低煤耗和各环节的附加煤耗构成，在没有任何损失的情况下，理论最低能耗是123 g/kW·h，这与热力学第一定律分析相一致，各环节的附加煤耗主要通过其损的大小来计算。

2 1 000 MW超超临界的能耗及其分布

2.1 1 000 MW超超临界机组的设计参数

本文选取东方电气集团设计的1 000 MW超超临界机组为研究对象，汽轮机回热级数8级，给水泵采用小汽轮机拖动，给水泵效率83%，给水泵汽轮机效率81%，再热系统压降10%，一、二、三段抽汽压损3%，其它各段抽汽压损5%，循环水入口水温22℃，汽轮机背压5.75 kPa，主要设计参数如表1所示，加热器端差如表2所示。

表1 1 000 MW机组设计数据Tab．1 Design data of 1 000 MW power generating unit

表2 1 000 MW机组加热器设计端差Tab.2 Heater's design TTD of 1 000 MW unit

2.2 1 000 MW超超临界机组发电煤耗及其分布

火力发电过程的能量转换环节一般分为锅炉内的换热过程、管道中的流动过程、汽轮机系统中的能量转换过程、机械传输过程及发电机能量转化过程5个环节，根据上述公式，求得1 000 MW超超临界机组在不同工况下各环节的发电煤耗及其分布如表3、表4所示。

表3 1 000 MW机组基于热量法的发电煤耗及其分布Tab.3 Coal consumption and distribution based on the first law of thermodynamics of 1 000 MW unit

表4 1 000 MW机组基于单耗分析法的发电煤耗及其分布Tab.4 Coal consumption and distribution based on the Specific Consumption Theory of 1 000 MW unit

2.3 两种评价结果的比较分析

对于凝汽式燃煤机组，产品只有电能，输入燃料是煤炭，发电煤耗就是输入燃料与输出产品的比值，从表3、表4的计算结果来看，如果整个过程没有能量损失，火力发电机组的煤耗率只有123 g/kW·h，这也是火力发电追求的理想目标，但是实际能量传递与转换过程都有损失，因而会产生附加能耗，能量损失越多，附加能耗越大，总体能耗也越大，因此对于任何能量系统，最终目的就是减少各个环节、各个设备的能量损失。表3中的锅炉附加煤耗主要反映了锅炉热损失引起的煤耗增加量，如果用表4中的锅炉附加煤耗与表3中的锅炉附加煤耗相减，就得到锅炉燃烧过程与传热过程的附加煤耗，如表5所示。可见从设计层面一方面继续提高锅炉热效率，另一方面通过减少燃烧过程和传热过程的不可逆损失，进一步降低锅炉附加煤耗，表6所示为1 000 MW机组锅炉热效率提高1%，锅炉附加煤耗或机组发电煤耗的下降值。

表5 1 000 MW机组锅炉燃烧过程与传热过程的附加煤耗Tab.5 The additional coal consumption in combustion and heat transfer process of 1 000 MW unit

表6 1 000 MW机组锅炉热效率增加1%，锅炉附加煤耗下降值Tab.6 1%increase in boiler thermal efficiency，boiler additional coal consumption decreased value of 1 000 MW unit

表7 1 000 MW机组的能耗分布比例Tab.7 The proportion of coal consumption distribution of 1 000 MW unit

图1 能耗随负荷变化的热量法评价Fig.1 the energy consumption changes with load based on the first law of thermodynamics

图2 能耗随负荷变化的单耗分析法评价Fig.2 the energy consumption changes with load based on the Specific Consumption Theory

3 结论

本文以1 000 MW燃煤机组为研究对象，用热量法和单耗分析法对机组主要生产环节进行能耗分析，对于发电煤耗指标二者计算一致，但是锅炉、汽轮机系统的附加能耗结论几乎相反。但没有对错之分，只是研究角度不同，热量法从能量数量角度研究反映的只是现象，而单耗分析法基于热力学第二定律，从作功能力角度分析的传递与转换过程，对于设备及过程附加能耗的评价更科学，使我们更清楚1 000 MW火电机组产生1 kW·h电能在各个环节的能量消耗。

[1]刘振亚．中国电力行业年度发展报告[R]．北京:中国电力企业联合会，2011．

[2]郑体宽．热力发电[M]．北京:中国电力出版社，2007．

[3]宋之平．节能的理论与技术[M].北京:中国电力出版社，2007．