亞臨界燃煤電廠的用能分析

張彩珠，王春燕，陳 珊，魏順安

（重慶大學化學化工學院，重慶 400044）

燃煤發(fā)電是電能生產(chǎn)的主要形式，我國由于能源構(gòu)成的特點更是如此[1-2]。隨著能源危機的頻發(fā)、環(huán)保標準的日益嚴格，燃煤電廠存在的發(fā)電效率偏低、污染物排放嚴重等問題，越來越受到人們的 關(guān)注[3]。

燃煤發(fā)電是將煤氧化燃燒的化學能轉(zhuǎn)變成電能的過程。實現(xiàn)節(jié)能減排的首要任務是分析燃煤電廠熱力過程的能量利用情況，尋找能量損耗的渠道。目前，應用于燃煤電廠的能量分析方法主要有熱平衡法和有效能分析法。熱平衡法以熱力學第一定律為基礎，對系統(tǒng)進行能量衡算，求出能量在數(shù)值上的變化和熱功之間的轉(zhuǎn)化效率。有效能分析法通過有效能衡算得出過程或裝置的有效能損失和效率，把能量的數(shù)量和質(zhì)量結(jié)合起來對熱力過程和循環(huán)過程進行全面的分析[4-6]。

燃煤電廠傳統(tǒng)的能量分析方法存在計算過程繁瑣、數(shù)據(jù)多而復雜[7-8]的問題。通用過程模擬軟件Aspen Plus 有統(tǒng)一的基準態(tài)和物性數(shù)據(jù)庫，因此借助于Aspen Plus 對燃煤電廠進行基于化工過程模擬和有效能概念的能量分析[9-11]，可使燃煤電廠熱力過程的能量分析更加系統(tǒng)而簡捷。

本文作者以國際典型亞臨界燃煤電廠[12]（以下簡稱A 廠）和我國西南地區(qū)某燃煤電廠（以下簡稱B 廠）為例，結(jié)合Aspen Plus 軟件和有效能分析法，對燃煤電廠熱力系統(tǒng)進行能量分析和比較；通過模擬計算找出燃煤電廠在能量利用上的薄弱環(huán)節(jié)，為燃煤電廠的節(jié)能減排提供理論依據(jù)。

1 工藝過程描述

亞臨界，是指燃煤鍋爐所產(chǎn)生的水蒸氣壓力低于水的臨界壓力（22.06 MPa），一般為15.7～19.6MPa。亞臨界燃煤電廠的熱力系統(tǒng)包括鍋爐系統(tǒng)以及汽輪機系統(tǒng)，如圖1 所示。經(jīng)空氣預熱器加熱后的空氣和粉煤一起被送入鍋爐進行燃燒。燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣依次通過蒸發(fā)受熱面（E101）、高溫過熱器（E102）、再熱器（E103）、低溫過熱器（E104）、省煤器（E105）、空氣預熱器（E106），將熱量逐級傳遞給水汽工質(zhì)和空氣。高溫蒸汽用于帶動汽輪機高、中、低壓缸（C204、C206、C209）透平做功。汽輪機為中間再熱冷凝式汽輪機，共有7 級抽汽、7 臺回熱加熱器，其中高壓加熱器2 臺（E201、E202）、低壓加熱器4 臺（E207、E208、E210、E211）、高壓除氧器1 臺（V205）。

B 廠與A 廠的工藝流程基本類似，主要不同在于汽輪機抽汽和給水回熱部分。B 廠有8 級抽汽、8臺回熱加熱器，其中高壓加熱器3 臺、低壓加熱器4 臺、除氧器1 臺。

2 Aspen Plus 對熱力系統(tǒng)的模擬

A 廠以Illinois No.6 煙煤為原料，其工業(yè)分析、元素分析如表1 所示[12]。B 廠的模擬以當天實際燃燒煤種為原料，如表2 所示。模擬B 廠所需數(shù)據(jù)來自現(xiàn)場數(shù)據(jù)。A、B 電廠鍋爐的負荷分別為100% BECR（鍋爐額定工況）和50% BECR。

A 廠熱力系統(tǒng)包括煤燃燒、高溫煙氣換熱、蒸汽透平以及給水回熱等單元操作。在模擬過程中各單元操作所采用的Aspen Plus 模塊如表3 所示。

在模擬過程中，采用Aspen Plus 的收率反應器RYield 和平衡反應器RGibbs 模塊模擬煤的燃燒過程。RGibbs 模塊根據(jù)Gibbs 自由能最小原理去計算相平衡和化學平衡。它適合模擬具有復雜的組分變化和相變化的煤燃燒過程。但煤的組成和結(jié)構(gòu)十分復雜，Aspen Plus 不能直接處理其物性計算。因此，在煤進入RGibbs 模塊之前，先用RYield 模塊將煤分解成其相應組成元素如C、H2、O2、N2、S、Cl2、H2O、灰分（Ash）；然后分解產(chǎn)物進入RGibbs 模塊與空氣進行燃燒反應。用SSplit 模塊將燃燒產(chǎn)物中的氣體與灰渣（Ash）分離。同時將煤分解的反應熱通過熱量流股引入到RGibbs 模塊。

表1 A 廠Illinois No.6 煙煤工業(yè)分析和元素分析 （質(zhì)量分數(shù)）

圖1 亞臨界燃煤電廠工藝流程示意圖

表2 B 廠設計煤種和使用煤種分析對照表

表3 模擬燃煤電廠單元操作所對應的Aspen Plus 模塊

換熱過程主要發(fā)生在鍋爐的受熱面。鍋爐受熱面包括蒸發(fā)受熱面、高溫過熱器、再熱器、低溫過熱器、省煤器、空氣預熱器、噴淋減溫器等設備。在Aspen Plus 中，采用兩股物流換熱器HeatX 模塊模擬鍋爐的受熱面。主要進行能量和物料平衡計算，無需計算換熱器的幾何尺寸，選擇HeatX 的簡捷計算，并規(guī)定換熱器的出口溫度。

Compr 模塊可模擬多變或者等熵的壓縮機或者透平機，可處理單相、兩相和三相計算，汽輪機的高、中、低壓缸可采用Compr 模塊模擬。給水加熱器有混合式加熱器和表面式加熱器之分。混合式加熱器中水和蒸汽通過直接混合進行換熱，而表式加熱器中兩種介質(zhì)的換熱是通過金屬的表面實現(xiàn)的。A 廠使用一個混合式加熱器作為給水除氧器，因此除氧器用物流混合器模塊Mixer 來模擬。除氧器前后的加熱器屬于表面式加熱器，采用HeatX 模塊模擬。ASPEN 的模擬流程圖如圖2 所示。

3 模擬計算結(jié)果

Aspen Plus 模擬A 廠的熱力過程，得到各物流的溫度、壓力、流率、焓以及有效能等數(shù)據(jù)。從表4 中可以看出，煤、空氣、排煙、主蒸汽、再熱蒸汽以及汽輪機各級抽汽等這些重要參數(shù)的模擬值與文獻值很接近，誤差在工程允許的范圍之內(nèi)。說明該模擬方法可行，模擬結(jié)果可用于能量分析。B 廠的模擬計算方法與A 廠相似。

另外，從有效能的角度得到了鍋爐系統(tǒng)、汽輪機系統(tǒng)以及系統(tǒng)中所有設備的有效能損失、有效能損失系數(shù)（即有效能損失占電廠輸入熱量的百分數(shù)）以及有效能效率。

圖2 A 電廠ASPEN 的模擬流程圖

表4 A 廠模擬值與操作值比較

4 結(jié)果分析

A 廠的有效能分析結(jié)果如圖3、圖4 所示。從兩個圖中發(fā)現(xiàn)有效能損失最大的部位在鍋爐，占電廠輸入熱量的51.75%。

鍋爐系統(tǒng)中，有效能損失最大部位是煤的燃燒過程，約占整個熱力系統(tǒng)有效能損失的29%，占鍋爐總有效能損失的60%；然而這部分損失卻是任何燃煤發(fā)電所不可避免的，可采用適當提高空氣預熱 溫度的方法來降低燃燒造成的不可逆有效能損失。

圖3 A 廠鍋爐系統(tǒng)有效能損失分布

圖4 A 廠汽輪機系統(tǒng)有效能損失分布

其次為鍋爐受熱面的換熱過程，這是由于煤在鍋爐中燃燒，將高品質(zhì)的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬^低品質(zhì)的熱能，不可逆燃燒造成了有效能損失。其中蒸發(fā)受熱面的有效能損失最大，約占整個熱力系統(tǒng)有效能損失的12%，占鍋爐總有效能損失的23%；其主要原因是煤燃燒產(chǎn)生的煙氣在爐膛內(nèi)的溫度達到最高值，而此時工質(zhì)的溫度是各個受熱面中最低的，兩者的傳熱溫差最大，導致傳熱有效能損失最大。因此蒸發(fā)受熱面部分的節(jié)能潛力比較大，可采用提高給水溫度和過熱蒸汽出口溫度的方法來降低傳熱不可逆有效能損失[13-14]。盡管鍋爐各受熱面的其它部位有效能損失比例較小，但仍然可以通過減小傳熱溫差的辦法適當提高熱能利用率。

同時，在鍋爐設計時，盡量完善燃燒室結(jié)構(gòu)，采用耐高溫材料，以提高燃燒效率，從而降低鍋爐的有效能損失。

汽輪機系統(tǒng)中，有效能損失主要發(fā)生在汽輪機和冷凝器，如圖4 所示。有研究者[4，6]對燃煤電廠進行熱平衡分析表明燃煤電廠中冷凝器損失的熱量最大，占電廠輸入熱量的50%以上，但是從圖4 中可以看出，冷凝器的有效能損失系數(shù)僅占2.2%。其實這兩者并不矛盾，因為冷凝器中的有效能損失包括冷卻水帶走的有效能以及汽輪機乏汽在冷凝器中與冷卻水不可逆?zhèn)鳠嵋鸬挠行軗p失。冷卻水帶走的熱量雖然很大，但是溫度低，被冷卻水帶走的有效值不大。此外，乏汽與冷卻水平均溫差不大，傳熱有效能損失也較小。總之，冷凝器中熱量損失大，但有效能損失都很小即做功能力損失不大。

汽輪機的不可逆膨脹引起的有效能損失占 3%～5%，而這一點僅僅通過熱平衡計算是無法發(fā)現(xiàn)的。

由此可見，汽輪機的不可逆膨脹、汽輪機乏汽在冷凝器中與冷卻水發(fā)生的不可逆?zhèn)鳠崾窃斐善啓C系統(tǒng)有效能損失的主要原因。提高汽輪機的等熵效率、完善加熱回熱系統(tǒng)，可以顯著降低此系統(tǒng)的有效能損失[15]。

表5 A、B 兩廠有效能分析結(jié)果比較

從表5 可以看出，國內(nèi)外兩個電廠熱力系統(tǒng)的有效能效率分別為40.32%、34.55%。就B 廠而言，它是我國2006年投產(chǎn)的裝機容量為300MW 的機組，采用了先進的燃燒技術(shù)和污染控制技術(shù)，屬于國內(nèi)比較先進的亞臨界燃煤發(fā)電廠。但是與國外的相比，其有效能效率要低6 個百分點左右。主要有兩個原因：一是機組負荷低，燃煤電廠平均負荷為60%～70%；二是煤種差異大。從表2 可以看出，B廠實際使用煤種與設計煤種有很大的偏差，特別是灰分，使用煤種灰分含量超過40%。使用煤種與設計煤種偏差太大，對鍋爐的效率有很大的影響。B廠因為使用煤種灰分太多，灰分吸收部分熱量，導致煙氣在煙道中的溫度無法達到設計值，造成低負荷時再熱蒸汽溫度偏低，導致熱效率降低。

5 結(jié) 論

本文以國際典型亞臨界燃煤電廠和我國西南地區(qū)某亞臨界燃煤電廠為實例，對亞臨界燃煤電廠熱力過程進行了全面的能量分析。

應用過程模擬軟件Aspen Plus 和有效能分析方法，可以全方位描述燃煤電廠的能量利用情況，尋找能量利用的薄弱環(huán)節(jié)，便于提出節(jié)能減排的有效措施。

燃煤電廠能量損失的最大部位在鍋爐，其中有效能損失最大的部位是煤的燃燒過程，其次為鍋爐受熱面的換熱過程。可通過提高空氣預熱溫度、減小傳熱溫差等措施，以降低燃燒不可逆有效能損失和傳熱不可逆有效能損失。

汽輪機系統(tǒng)中有效能損失主要發(fā)生在汽輪機和冷凝器，但是該部分有效能損失占整個熱力系統(tǒng)有效能損失的比例較小。

通過對中、外亞臨界燃煤電廠比較，發(fā)現(xiàn)我國的亞臨界燃煤電廠的有效能效率要低6 個百分點左右。在優(yōu)化操作的前提下，我國的燃煤電廠尚可提高5%～6%的熱能利用率。以我國目前燃煤電廠的裝機容量約為3.25 億千瓦，相同發(fā)電量可每年節(jié)煤0.7 億噸，減少二氧化碳排放1.8 億噸。

[1] 鄭企仁. 高效清潔的常規(guī)燃煤發(fā)電廠[C]//加入WTO 后中國電機工程科技發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn)學術(shù)會議論文集，北京，2005-03-08.

[2] 全國電力工業(yè)統(tǒng)計快報（2010年）[R]. http：//www.cec.org.cn/ tongjixinxibu/tongji/niandushuju/2011-02-23/44236.html，2011-02- 23/2012-09-18.

[3] 高建譜. 燃煤發(fā)電廠節(jié)能減排任重道遠[J]. 西部大開發(fā)，2008（1）：72-73.

[4] Kanoglu M，Dincer I，Rosen M A. Understanding energy and exergy efficiencies for improved energy mamagement in power plant[J]. Energy Policy，2007，35（7）：3967-3978.

[5] Rosen M A，Tang R. Assessing and improving the efficiencies of a steam power plant using exergy analysis Part 1：Assessment[J]. Int. J. of Exergy，2006，3（4）：362-376.

[6] Kaushik S C，Reddy S V，Tyagi S K. Energy and exergy analyses of thermal power plants：A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011，15：1857-1872.

[7] 周少祥，姜媛媛，胡三高，等. 單耗分析理論與超（超）臨界機組機爐參數(shù)匹配問題研究[J]. 工程熱物理學報，2009，30（12）：1995-1998.

[8] 楊佳，宋大勇，祝立萍，等. 鍋爐有效能分析以及節(jié)能措施[J]. 電力學報，2009，24（3）：210-212.

[9] Dong Z H，Dong C Q，Zhang J J，et al. Modeling the combustion of coal in a 300mw circulating fluidized bed boiler with aspen plus[C]//Asia-Pacific Powe and Energy Engineering Conference. IEEE Computer Society，Piscataway，2010.

[10] 孔紅兵，柳朝暉. 600 MW 富氧燃燒系統(tǒng)建模及優(yōu)化[J]. 中國電機工程學報，2012，32（2）：53-60.

[11] Xiong J，Zhao H B，Chen M，et al. Simulation study of an 800 mwe oxy-combustion pulverized-coal-fired power plant[J]. 2011，25 ：2405-2415.

[12] U.S. Department of Energy. Markeet-based advanced coal power system[R]. Washington：US Department of Energy，1999.

[13] 胡智慧，郭曉翔. 600MW 機組超臨界鍋爐的效率分析. 廣西電力[J]. 2007，30（6）：54-58.

[14] 白慧峰，徐越，陳德龍. 基于Aspen Plus 平臺的超超臨界機組熱力系統(tǒng)性能預測模型開發(fā)[J]. 熱力發(fā)電，2006，35（4）：14-16.

[15] Sanpasertparnich T，Aroonwilas A，Veawab，A. Improved thermal efficiency of Coal-Fired Power Station：Monte Carlo Simulation. 2006 IEEE EIC Climate Change Technology conference[C]//Canada：Inst. of Elec. and Elec. Eng. Computer Society，2006.