分析方法在发电厂热经济性计算中的应用研究

摘要：文章根据某火电机组采用的热经济性评价方法，通过已知数据对火电机组热力系统中的设备进行分析，可有效地评价系统中能量利用的合理程度，得出发电厂电能生产过程热力系统的用能薄弱环节，分析产生这些损失的原因并评价其设备是否具有节能的潜力，提出改进措施。

关键词：热力系统；分析方法；发电厂；火电机组；热经济性计算；热损失 文献标识码：A

中图分类号：TM621 文章编号：1009-2374（2015）11-0056-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.11.028

1 概述

能源是国民经济发展的重要物质基础。能源工业是国民经济的基础产业，是实现现代化的物质基础，世界各国都把建立可靠、安全、稳定的能源供应保障体系作为国民经济的战略问题之一。我国是一个一次能源丰富的国家，但人均资源相对匮乏。我国是世界上少有的几个以煤电为主的一次能源国家，根据2013年中国能源统计年鉴发布的数据表明。2012年全国的总发电量为49877亿kW·h，而火电为38928.1亿kW·h，占总发电量78.05%。在未来较长时期内，火力发电在中国电源结构中仍将占据较高比重。这不仅是电源本身发展的需要，也是综合发挥中国能源资源效率、提高经济与总体环保效益的最好选择。随着人们对环境要求的提高，节能减排的任务将更加艰巨。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》提出：到2015年，中国非化石能源占一次能源消费比重达到11.4%，单位国内生产总值能源消耗比2010年降低16%，单位国内生产总值二氧化碳排放比2010年降低17%。

从总体上看，我国的电力行业无论在技术装备方面还是运行水平方面与世界先进国家之间存在着一定差距。虽然供电标准煤耗由2000年的每千瓦时363克下降到2012年的305克，而在发达国家2012年这一数据为295克，我国与之相比依然偏高。火电作为我国主要的电力保障行业，对节能减排目标的实现具有重要的作用。对现有的火电机组进行技术改造和优化以减少能耗的方法，具有巨大的节能潜力。按照2012年全国发电量49877亿千瓦时计算，供电标准煤耗每下降1g，全年可节省标准煤将近500万吨。

2 热经济性评价的两种方法

评价能量利用的程度有两种观点：一种是能量数量的利用，另一种是能量质量的利用。因此从热力学的观点来分析有两种方法：第一种方法是以热力学第一定律为基础的热量法（效率法、热平衡法、等效焓降法），通过计算热力循环装置或设备有效利用的热量占所有耗热量的百分数，研究损失产生的部位、大小、原因及其相互关系，常用于定量分析；第二种方法是以热力学第二定律为基础的熵分析法或将热力学第一、第二定律结合的分析法，一般用于定性分析。

3 广泛采用的热经济性评价方法

通过对省内某火电机组进行调研，获取了该电厂原则性热力系统图组成、给定的电厂负荷工况、锅炉和汽轮机的技术特性。汽轮机型号为N600-16.7/537/537，锅炉型号为HG-2008/18.24-M。机组有8段抽汽，回热系统为三高四低一除氧，一、二、三段抽汽分别向高压加热器供汽，四级抽汽除供除氧器外，还向2台给水泵及辅汽系统供汽；五至八级抽汽分别向4台低压加热器供汽。该机组热力系统计算采用常规计算方法，即列出各加热器的物质平衡式、热平衡方程及汽轮机功率方程式，联立求解多元方程组，得出热力系统各部分汽水流量及其参数和热经济指标。该方法直观、简捷、计算方便，计算结果锅炉效率ηb=0.92，管道效率ηp=0.986，汽轮机绝对内效率ηi=0.4902，汽轮机机械效率ηm=0.995，发电机效率ηg=0.988，全厂热效率ηcp=ηbηpηiηmηe=0.4371。

4 分析方法的应用研究

分析法是一种依据热力学第二定律发展起来的能量分析方法，它深刻揭示了能量在传递和转换过程中能量品质（能质）必然蜕变的规律，热力学称之为能质蜕变原理。分析法与第一热力学分析法（焓分析法）的根本区别就在于它确认了不同能量之间所具有的质的差别，并在分析中同时体现能的数量和品质的作用，为分析结果的科学与准确性提供了保证。通过分析可以明确热力系统中各个设备的有效能量的利用情况，可对挖掘系统的节能潜力提供重要依据。分析法是通过平衡方程确定过程的损失和效率，其主要内容包括：确定流入流出系统的各种物流量、热流量和功流量（能流量）、流量以及各种物流的状态参数；由平衡方程确定过程的损失；确定过程的热力学第二定律效率。

利用分析方法对各种能量系统进行分析，可以明确系统各部位的损失，求取各项性能指标，对所研究的系统进行客观评价。

按照能量转换的顺序，对热力系统中的各设备进行损失和效率的分析。计算条件：以1kg工质作为计算基准，忽略工质在给水泵的焓升。根据已有的汽水参数和各设备的效率，由各热力设备中的平衡式，求得热力系统中各有关热力设备的值。

实际凝汽式发电厂能量转换的全过程是由若干不可逆过程组合而成，每一个不可逆过程均存在损失，总的损失包括锅炉的△Eb、管道的△Ep、汽轮机的△Et、凝汽器的△Ec、机械的Em与发电机的△Eg。

锅炉中的损失为△Eb=48.51%，由三部分组成：锅炉的散热损失，化学能转换为热能引起的损失，工质温差传热引起的损失。其中过热器和再热器的效率分别为51.61%和51.8%，过热器的损失系数最大，主要是由于燃烧和传热的不可逆程度大造成的。

主蒸汽管道中由散热和节流引起的损失为△Ep=0.21%。

汽轮机内部的损失是由不可逆膨胀引起的，△Et=4.2%。其中汽轮机级组中调节级机组节流损失较大，低压缸末级级组处于湿蒸汽状态工作，效率分别为82.99%和85.91%，其余级组效率均在95%以上，相对于锅炉来说较小。回热系统中，加热器内换热温差越大效率越低，故高压加热器效率均高于低压加热器。其中3号回热加热器抽汽引自中压缸，温度和焓值大幅提高，损失最大。

凝汽设备中的损失是由温差传热引起的△Ec=2.2%。汽轮机机械摩擦阻力引起的损失△Em=0.73%。发电机输出电能总是小于汽轮机轴端的有效功率，两者之差为发电机的损失△Eg=0.46%。

从数据结果看锅炉侧过热器和在热气的损失系数最大，这主要是因为燃烧与传热的不可逆造成的。全厂的效率为43.69%。

5 结语

某电厂的热经济性评价采用常规计算方法即效率分析法，总效率为43.71%，由于凝汽器乏汽冷凝冷源损失最大，故能量损失最大部位为汽轮机，其次为锅炉损失。采用分析方法进行热经济性评价，由于锅炉内换热温差和燃烧的不可逆损失，能量损失最大部位为锅炉，总效率为43.69%。两种评价方法输入的燃料化学能相等，输出的有效电能相同，评价结果一致。各电厂广泛采用第一种方法进行热经济性评价，主要因为该方法计算简单，便于定量分析。但不同能量有质的区别，即在凝汽器中的能量损失数量虽然很大，但品位很低，没有利用价值，这部分热量自从锅炉中来就因燃烧、传热的不可逆性已丧失做功能力。所以，要从根本上提高发电厂的热经济性，应减小换热设备中的不可逆传热温差、汽水流动过程中的摩擦阻力、节流和散热损失。

参考文献

[1] 王加璇，张数芳.分析在电厂中的运用[M].北京：水利电力出版社，1993.

[2] 徐剑锋，彭琦.火电厂热力系统分析[J].能源工程，2001，（5）.

[3] 李勤道，刘志真.热力发电厂热经济性计算分析

[M].北京：中国电力出版社，2008.

[4] 程祖田，杨玲.超超临界1000MW机组的热经济性分析和分析[J].汽轮机技术，2012，54（5）.

[5] 王继选，韩中合，等.基于热经济学的火电机组热力系统分析[J].华北电力大学学报，2013，40（6）.

[6] Ahmadi P.，I.Dincer，M.A.Rosen.Exergy，exergy-oeconomic and environmental analyses and evolutionary algorithm based multi-objective optimization of combined cycle power plants[J].Energy，2011，36（10）.

[7] G.P.verkhivker.Exergy analysis Power Plant[J].energy conversion and management，2001，（31）.

基金项目：宁夏职业技术学院，宁夏广播电视大学科研发展基金资助（2014）。

作者简介：樊嘉欣（1986-），女，内蒙古乌海人，宁夏职业技术学院讲师，研究方向：热力设备与系统。

（责任编辑：秦逊玉）