小龍潭電廠300 MW機組熱力系統 分析

呂國強, 王 華, 馬文會, 陳 勇, 余春偉

(1.昆明理工大學 冶金節能減排教育部工程研究中心,昆明650093;2.昆明理工大學 冶金與能源工程學院,昆明650093)

符號說明:

h—比焓,kJ/kg

s—比熵,kJ/(kg·K)

ηth—熱效率,%

ηex—效率,%

下腳標

o—出口

i—進口

0—寂態條件

ar—收到基

GW—高位發熱量

DW—低位發熱量

熱力學第一定律說明了能量在轉化和傳遞時的數量關系,熱力學第二定律進一步解決了與熱現象有關過程進行的方向、條件和限度問題,由此提出的分析方法為工業生產合理用能和有效用能提供了理論依據.對電廠熱力系統的能量與進行分析具有重要意義,利用分析方法評估和定量計算其中的能量有效利用及損失等情況,弄清造成損失的部位和原因,以便提出改進措施,并預測改進后的效果[1].因此,分析已成為研究火電廠熱力系統能量轉化性能、量化能源有效利用率以及區分能源品質的重要方法[2-4].對熱力系統中各單元的能量與進行分析,可進一步研究提高系統能量利用水平的技術措施以及優化整個電廠的熱力系統[5].

1 電廠運行參數

小龍潭火電廠為一坑口電廠,位于云南省開遠市境內小龍潭地區,褐煤資源儲量豐富.現裝機容量為2×300MW,電廠使用的燃料來自小龍潭煤礦,燃煤的基本屬性及汽輪機額定負荷(TRL)工況下的運行參數見表1和表2.鍋爐為亞臨界中間再熱、單鍋筒自然循環、循環流化床鍋爐,汽輪機為亞臨界一次中間再熱凝汽式汽輪機組,機組共設8級回熱抽汽,分別供3臺高壓加熱器、1臺除氧器和4臺低壓加熱器,見圖1.

2 分析方法

熱力學中將能量可逆地轉變到與環境平衡狀態過程中所做的最大功量稱為該能量的.對火電廠熱力系統進行能量分析時,能量在熱力系統各單元之間的轉換保持收支平衡,滿足能量守衡定律.但是,只是能量中的可用能部分,在實際的能量轉換過程中,的收支是不平衡的,一部分輸入將轉變成不可用能,出現損失,因為損失無法補償,所以損是火電廠能量轉換過程中的真正損失.通過對火電廠能量轉換過程中的進行分析,可定量計算能量的有效利用及損失等情況,弄清造成損失的部位和原因,以便提出改進措施,并預測改進后的效果

表1 小龍潭電廠的燃煤性質Tab.1 Coal properties in Xiaolongtan Power Plant

表2 小龍潭電廠的工作參數Tab.2 Working parameters in Xiaolongtan Power Plant

(1)系統中各輔助旁路對電廠整體熱力性能產生的影響忽略不計;

(2)電廠補水率為零;

(3)忽略管道的熱損失;

(4)忽略燃料中所添加的石灰石對鍋爐系統產生的影響.

圖1 電廠熱力系統簡圖Fig.1 Schematic of thermal system of the power plant

質量守恒方程

能量守恒方程

循環的熱效率

式中:ηwork=0.95,為泵(凝結泵、給水泵)的工作效率[7].

3 結果與討論

表4給出了該電廠在TCR工況下的能量平衡情況.由表4可知:凝汽器散失到周圍環境中的熱量占輸入熱量的51.57%,鍋爐單元損失的熱量占輸入熱量的6.64%,汽輪機損失的熱量占輸入熱量的2.56%,其他占1.24%.整個循環的熱效率為37.99%.

表3 熱力系統各單元損和效率的計算方程[8-10]Tab.3 Calculation formulas for exergy loss and efficiency of each unit in thermal system

表3 熱力系統各單元損和效率的計算方程[8-10]Tab.3 Calculation formulas for exergy loss and efficiency of each unit in thermal system

images/BZ_88_1390_1411_1422_1443.png損效率images/BZ_88_1788_1411_1820_1443.png鍋爐 I·boiler=X·fuel+X·i-X·o ηboiler=(X·i-X·o)/X·fuel汽輪機 I·turbine=X·i-X·o-W el ηturbine=1-I·turbine/(X·i-X·o)凝汽器 I·condenser=X·i-X·o ηcondenser=X·o/X·i加熱器 I·heater=X·i-X·o ηheater=1-I·heater/X·i泵 I·pump=X·i-X·o-W pump ηpump=1-I·pump/W pump總循環 I·cycle=∑all I· ηcycle=W net/X·fuel

表4 TCR工況下電廠各單元能量平衡情況(T0=293.15 K,p0=80.18 k Pa)Tab.4 Energy balance of each unit in the power plant under rated working condition(T0=293.15 K,p 0=80.18 k Pa)

在環境溫度T0=293.15 K、壓力p0=80.18 kPa的條件下,TCR工況下圖1中各節點的熱力學參數見表5,該電廠各單元的損及效率見表6.由表6可知:在運行周期中,與其他所有不可逆損失相比,鍋爐的損最大,占總損的64.78%,汽輪機的損占總損的18.55%,而凝汽器的損只占13%.根據熱力學第一定律分析,凝汽器中的熱量損失最多,因為它消耗了約51.57%輸入電廠的熱量,但分析表明,凝汽器中的損失卻很少.鍋爐中損失的熱量雖然不多,但由于其品位較高、具有較強的做功能力,因而鍋爐的損大.可見鍋爐是整個系統的主要不可逆性部件,而鍋爐中燃料燃燒反應以及工質和煙氣的大溫差傳熱是造成損的主要原因.整個動力循環的效率為51.88%,說明通過系統優化設計,提高整個系統效率仍有很大空間. 圖2給出了熱力系統中3個主要單元損隨環境溫度的變化情況.由圖2可知:隨著環境溫度的升高,鍋爐單元的損增大,汽輪機單元的損略有增大,而凝汽器單元的損減少,在278.15 K時凝汽器單元的損為56.85 MW,而在308.15 K時其損僅為25.02 MW.無論何種環境溫度下,鍋爐都是最大的損源.

表5 TCR工況下熱力系統各節點的熱力學參數Tab.5 Thermodynamic parameters of each node in thermal system under rated working condition

表6 TCR工況下電廠各單元的 損及 效率Tab.6 Exergy loss and efficiency of each unit in the power plant under rated working condition

表6 TCR工況下電廠各單元的 損及 效率Tab.6 Exergy loss and efficiency of each unit in the power plant under rated working condition

images/BZ_90_334_352_367_384.png損/MW 相對百分比/%images/BZ_90_828_352_861_384.png效率/%鍋爐 188.12 64.78 67.79汽輪機 53.86 18.55 90.39凝汽器 37.76 13.00 3.04冷凝泵 1.27 0.44 27.67低壓加熱器4 0.81 0.28 80.88低壓加熱器3 0.86 0.29 88.52低壓加熱器2 0.36 0.12 96.50低壓加熱器1 0.86 0.29 94.94除氧器 1.24 0.43 96.48給水泵 1.28 0.44 83.14高壓加熱器3 1.52 0.52 97.61高壓加熱器2 1.39 0.48 98.40高壓加熱器1 1.07 0.37 98.98總動力循環 290.39 100.00 51.88

圖2 三個主要單元損隨環境溫度的變化Fig.2 Variations of exergy loss of three major components with environmental temperature

圖3 三個主要單元效率隨環境溫度的變化Fig.3 Variations of exergy efficiency of three majorcomponents with environmental temperature

圖4 不同工況下一個動力循環的熱效率和 效率Fig.4 Thermal and ex ergy efficiencies of a power cycle at different working conditions

4 結 論

(1)通過對小龍潭火力發電廠300 MW熱力系統的能量和分析表明:凝汽器是熱量損失的最大單元,輸入熱量的51.57%散失到周圍環境.鍋爐單元熱量損失為6.64%,汽輪機單元為2.56%,其他單元為1.24%.循環熱效率為37.99%.

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