1 000 MW机组低温余热利用系统两种节能效益计算方法比较分析

丁岩峰

(国中康健集团有限公司， 北京 100070)

目前，电厂安装低温余热利用系统成为趋势，根据电厂热力系统实际情况，低温省煤器(简称低省)可布置在除尘器进口或出口[1]，利用锅炉排烟加热汽轮机部分回热系统中本应由汽轮机抽汽加热的凝结水，降低排烟温度，回收烟气余热，降低机组煤耗[2-3]。机组的低温余热利用系统节能效益的计算通常采用等效焓降计算法，即根据汽轮机热平衡图，从汽轮机冷凝器开始计算各级加热器抽汽的等效焓降、抽汽效率等参数，最后得出节煤量，整个计算过程复杂[4-5]。

笔者以某1 000 MW机组的低温余热利用系统为研究对象，分别采用简化的等效焓降计算法和Thermoflex软件计算法对其节能效益进行分析计算，阐述了两种计算方法的计算过程，比较分析了两种计算方法的计算误差、优缺点及适用条件。

1 低温余热利用系统

该机组的锅炉为超超临界参数、变压直流炉、对冲燃烧方式、固态排渣、单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、全悬吊П形结构，锅炉最大连续蒸发质量流量为3 100 t/h，汽轮机型号N1000-26.25/600/600，反动式，四缸四排汽、单背压、凝汽式汽轮机，回热系统有3台高压加热器、4台低压加热器(简称低加)、1台除氧器。

1台锅炉的6个烟道各设计布置1台低省(共6台)，汽轮机额定负荷(TRL)工况下设计将烟气温度由140 ℃降至100 ℃，热耗率验收(THA)工况下设计将烟气温度由130 ℃降至100 ℃。从6号低加进口与出口取部分凝结水混合，混合温度为80 ℃(可调)，经过低省加热后回到6号低加出口。通过调节凝结水旁路调节阀开度，控制低省的取水量，低温余热利用系统见图1，设计结构参数见表1。

图1 该1 000 MW机组低温余热利用系统

表1 低温余热利用系统设计结构参数

2 两种计算方法

2.1 等效焓降计算法

2.1.1 等效焓降计算法分析原理

等效焓降计算法是根据热力学第一定律，利用热量平衡和质量平衡，分析蒸汽动力装置和热力系统的经济性。从不同位置引出凝结水对汽轮机回热系统的影响是不同的。对于回热系统，加热凝结水后，有一定的外界热量进入低加，排挤一部分的汽轮机抽汽，被排挤的抽汽增加了汽轮机的做功能力，这是烟气热量回收装置的优点。从不同位置上引出凝结水进行加热，被排挤的抽汽的级数也不同，机组经济性也不同。采用简化的等效焓降计算法对低省加热主机凝结水的经济性进行分析，即从低省加热后的凝结水接入到的该级低加开始，逐级计算到汽轮机冷凝器。

2.1.2 等效焓降计算法过程

低省的冷却水取自主机凝结水系统，取水点有2个，THA工况下从6号低加进口和出口取质量流量分别为311.65 kg/s、20.94 kg/s的凝结水，取水温度分别为78.7 ℃、99.3 ℃，两者混合温度为80 ℃，经低省加热到108.5 ℃，接入5号低加进口，与6号低加出口温度为99.3 ℃的主凝结水汇合。利用简化的等效焓降计算法对参数进行计算，低温余热利用方案的节约发电煤耗率计算如下。

(1) 5号低加排挤的抽汽质量流量qm,p5。

qm,p5=qm,gs(hds-hgs5)/(hcq5-hss5)

(1)

式中：qm,gs为从低加系统总取水质量流量，kg/s；hgs5为5号低加进口凝结水比焓，kJ/kg；hds为进入5号低加的低省凝结水比焓,kJ/kg；hcq5为5号低加抽汽比焓，kJ/kg；hss5为5号低加疏水比焓，kJ/kg。

(2)6号低加排挤的抽汽质量流量qm,p6。

qm,p6=[qm,gs6(hgs5-hgs6)-qm,p5(hss5-hss6)]/

(hcq6-hss6)

(2)

式中：qm,gs6为从6号低加出口取水质量流量，kg/s；hgs6为6号低加进口凝结水比焓，kJ/kg；hcq6为6号低加抽汽比焓，kJ/kg；hss6为6号低加疏水比焓，kJ/kg。

(3) 7号低加排挤的抽汽质量流量qm,p7。

qm,p7=qm,p6(hss6-hss7)/(hcq7-hss7)

(3)

式中：hcq7为7号低加抽汽比焓，kJ/kg；hss7为7号低加疏水比焓，kJ/kg。

(4) 8号低加排挤的抽汽质量流量qm,p8。

qm,p8=qm,p7(hss7-hss8)/(hcq8-hss8)

(4)

式中：hcq8为8号低加抽汽比焓，kJ/kg；hss8为8号低加疏水比焓，kJ/kg

(5) 节约蒸汽做功ΔW。

ΔW=(qm,p5hcq5+qm,p6hcq6+qm,p7hcq7+qm,p8hcq8)-

(qm,p5+qm,p6+qm,p7+qm,p8)hfq

(5)

式中：hfq为乏汽比焓，kJ/kg，冷源损失由此产生。

(6) 节约发电标准煤耗率ΔB。

ΔB=1 000ΔW·qr/(W·Qar,net)

(6)

式中：W为发电功率，kW；qr为汽轮机热耗率，kJ/(kW·h)；Qar,net为标准煤收到基低位发热量，kJ/kg。

2.1.3 加装低省后发电标准煤耗率

工质比焓均在汽轮机厂家提供的热平衡图中查得，加装低省后THA工况下相关参数的取值见表2，计算结果见表3。

表2 等效焓降计算法的取值

表3 等效焓降计算法的计算结果

2.2 Thermoflex软件计算法

2.2.1 Thermoflex软件计算法分析原理

Thermoflex软件利用模块化建模思想，基于“循环函数法”，对热力系统典型加热单元和辅助汽水循环形式更为全面地进行划分，建立了一套较为完整的热力系统实时热经济性指标的数学模型，能够指导机组经济运行，且具有界面友好、使用方便、组态灵活、可扩展性强的特点[6]。

2.2.2 未加装低省的发电标准煤耗率

(1) 年运行时间及运行负荷的时间分配。

首先，根据该机组2019年10月至12月的实际运行统计情况，年运行时间取4 200 h，推算出THA、TRL、75%THA、50%THA工况的运行时间占比分别为25%(1 050 h)、28%(1 176 h)、30%(1 260 h)、17%(714 h)。利用Thermoflex软件分别计算出上述4个典型工况下未加装低省及加装低省后的发电标准煤耗率，计算前后发电标准煤耗率差值并按各工况下运行时间加权平均得出最终发电标准煤耗率。

(2)表4为机组THA工况下未加装低省的参数计算值，其他工况略。

表4 THA工况未加装低省的参数计算值

(3) 未加装低省的机组发电标准煤耗率计算结果见表5。

表5 未加装低省的发电标准煤耗率计算结果

2.2.3 加装低省后发电标准煤耗率

(1) 利用Thermoflex软件并结合汽轮机厂热平衡图建模进行分析，得出机组在THA、75%THA、50%THA、TRL工况下加装低省后的热平衡计算结果，表6为机组THA工况下加装低省后的计算值，其他工况略。

表6 THA工况下加装低省后的计算值

表6(续)

(2)加装低省后的机组在4个工况条件下发电标准煤耗率、热耗率，以及加装低省前后发电标准煤耗率差值计算结果见表7。

表7 加装低省前后机组指标计算对比结果

(3)利用Thermoflex软件对机组节能效益进行分析，该机组采用加装低省方案后1台锅炉年节约标准煤质量见表8，可得该机组年节约标准煤质量为4 892.6 t。

表8 1台锅炉年节约标准煤质量

3 两种计算方法比较分析

3.1 计算工作量对比

采用等效焓降计算法，由于计算量较大，选取具有代表性的THA工况进行计算，仅需要厂家提供热平衡图及具体热力系统设计方案就可直接得出结果，方法较为简单清晰。采用Thermoflex软件计算法，前期需要建立热力系统模型并输入各个工况计算参数，前期及综合工作量较大。

3.2 计算结果分析

采用等效焓降计算法和Thermoflex软件计算法计算得到发电标准煤耗率分别为1.45 g/(kW·h)、1.44 g/(kW·h)，前者计算节煤量大于后者，主要是由于前者未综合考虑机组不同负荷下的实际运行状况，而后者计算结果更接近机组实际运行状况，两者的相对误差为0.69%。

3.3 计算方法适用条件

在项目初期可研、投标方投标方案设计阶段，采用等效焓降计算法计算结果虽有误差，但是在设计阶段是适用的。项目后期评价及实际运行阶段，采用Thermoflex软件计算法建立系统模型，计算结果更精确，尤其是研究热力系统变工况特性，具有其他计算方式不可比拟的优势，通过选取低温余热利用系统最佳可变取水温度、取水量、回水温度等参数，在保证热力系统安全运行的基础上实现实际运行中节能效益最大化。

4 结 语

(1) 采用等效焓降计算法，已知THA工况热平衡图及具体热力系统设计方案，利用简单计算就可得出结果，适用于项目初期可研阶段、投标方投标方案设计阶段。

(2)Thermoflex软件是实用性极强的热力系统设计及模拟软件，具有内容丰富的设备部件资料库，重点应用于联合循环及常规蒸汽发电机组的设计与模拟，适用于项目后期评价及实际运行阶段。