燃煤電廠節能改造機組節能計算方法研究

韓建春，荀 華

（內蒙古電力科學研究院，內蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

當前，燃煤電廠為了最大限度地提高機組熱經濟性開展了多種形式的節能改造，其中包括鍋爐煙氣余熱利用改造、給水泵改造、供熱改造等。在這眾多改造形式中，有些改造后的節能量是隨機組負荷變化而變化的，也就是說改造節能量與機組負荷有相對穩定的對應關系，如鍋爐煙氣余熱利用改造。近年來，為了能夠準確獲得此類改造后的節能量，產生了不少節能量的計算方法。本文通過對發電廠熱力系統參數分析，結合數值擬合及積分平均算法，得出一種較為簡單準確的節能量計算方法。

1 當前節能量計算方法及缺陷

1.1 當前節能量計算方法

對于節能量隨機組負荷有明顯變化的節能技術措施，采用計算額定負荷100%、75%、50%等3 個工況下的節能量，根據機組運行小時數中3 個負荷系數所占比例計算加權平均節能量。在計算過程中，85%額定負荷及以上的劃歸100%負荷，60%～85%額定負荷劃歸75%負荷，小于60%額定負荷的劃歸50%負荷。機組年節能量按式（1）計算[1]。

其中，Bnj為年節煤量，t；hly為年利用小時數，h；Pe為機組額定功率，MW；Lcynj為年發電廠用電率，%；ΔbgJ為負荷系數J 工況下供電煤耗下降，g/(kW·h)；λJ為機組統計期內負荷系數J 工況下累計發電量與總發電量之比；負荷系數J 工況分別指85%及以上、60%～85%額定負荷、小于60%額定負荷。

對于負荷系數J 工況下供電煤耗下降則采用2種方法測試。

方法一：在100%、75%和50%額定負荷工況下，利用熱平衡法、等效熱降法等節能分析計算方法計算節能設備的節能量。

方法二：在100%、75%和50%額定負荷工況下，按節能設備投入與退出情況進行針對性試驗對比計算節能量。

1.2 當前算法存在的缺陷

當前的節能算法無疑可以獲得節能量隨機組負荷變化的節能措施的節能量，但卻存在一定困難并存在較大的偏差。究其原因主要有兩方面：一是隨著電網容量的不斷增大，電網峰谷差也不斷增大，入網發電機組每日的負荷波動比較大，使得負荷統計按≥85%、60%～85%、≤60%負荷段進行精確統計變得及其繁瑣，雖說現代計算機技術在生產中得到廣泛應用，但依然有較大的運算量。另外，負荷的區段劃分方法也缺乏相應的科學依據。二是節能措施的節能量與機組負荷存在相應的依變關系，僅采用某一負荷點節能量通過加權系數計算總體節能量的方法存在一定的計算偏差，而且采用機組統計期內負荷系數J 工況下累計發電量與總發電量之比作為權重的加權平均是否合理還有待驗證。

為了有效解決以上問題，本文嘗試將積分運算、數值擬合等數學方法應用到節能量計算過程中，實現較為簡單的方法獲得更為準確的節能量。

2 節能量的積分平均算法

2.1 節能量測試中排汽焓的確定

在節能量的測試中，采用方法二需要對每一個負荷工況進行投、切2 次測試，測試期間如果出現參數波動較大往往會造成試驗失敗。因此方法一常作為測試的首選方法。

方法一推薦的利用熱平衡法、等效熱降法等計算方法中涉及機組的變工況計算，計算中需限定機組變工況后的邊界條件，由于汽輪機通流面積固定，相同排汽壓力下不同排汽流量下的排汽比容有所不同，由此將造成排汽干度及排汽焓的不同[2]。

為了能夠準確推算出變工況后的機組排汽焓，采取對不同排汽流量下的排汽比容進行擬和計算獲得排汽比容與排汽流量的關系[3]。

其中，vpq為排汽壓力Ppq對應的排汽比容，m3/kg；Gpq為低壓缸排汽流量，kg/h；a、b、c、d 為多項式系數。

其中，Xpq為低壓缸排汽干度；v為排汽壓力Ppq對應的飽和蒸汽比容，m3/kg。

其中，UEEP 為低壓缸有用能終點焓，kJ/kg；EL為排汽損失，kJ/kg。

由此便可準確推算出變工況后機組的排汽焓，利用此排汽焓通過能量平衡便可以得到更加準確的機組節能量[4-7]。

2.2 不同負荷下節能量的推導

汽輪發電機組在日常運行期間負荷是一個連續變化的過程，如果能夠通過分析計算獲得節能量隨機組負荷變化的關聯關系，不僅有助于獲得機組各負荷下的節能量，而且可以避免繁瑣的負荷段統計和加權運算。圖1、圖2 為某超臨界350 MW 機組鍋爐煙氣余熱利用改造后采用前述方法計算所得機組不同條件下的發電熱耗率曲線及發電熱耗率隨負荷的減少量曲線。

圖1 發電熱耗率曲線

圖2 發電熱耗率隨負荷的減少量曲線

由圖1 及圖2 可以看出，此機組的改造節能量與負荷有一種相互對應關系。因此，仍然可以嘗試采用前述的數值擬合方式來獲得一負荷與發電熱耗率降低的關系曲線，即

其中，ΔHR 為發電熱耗的減少量，kJ/（kW·h）；P為機組當前負荷，kW；a′、b′、c′、d′為多項式系數。

圖1、圖2 曲線的負荷下限為140 MW，相當于機組40%的額定負荷。此負荷及以下由于煙氣溫度降低已不能通過鍋爐煙氣余熱利用設備回收余熱，因此發電熱耗率降低為零。另外，由于燃煤機組鍋爐均存在一個最低穩燃負荷，這一負荷往往≥40%額定負荷，機組負荷基本都在40%額定負荷以上工況運行，因此這一曲線可以廣泛應用于機組的日常計算當中。

2.3 節能計算中的積分運算

定積分運算是一種求和運算。對于在定義區間［α，β］上有界的函數f（x），在［α，β］中任意插入若干個分點，α＝x0＜x1＜x2＜...＜xn-1＜xn=β，把區間［α，β］分成n 個小區間［x0，x1］，［x1，x2］，…，［xn-1，xn］。當Δx1＝x1－x0，Δx2＝x2－x1，…，Δxn＝xn－xn-1；λ ＝max

對于電廠生產而言，機組的發電負荷P 是一個隨時間變化的量，因此可以認為負荷與時間存在以下函數關系

若將式（7）中的x 看作是時間，α、β 分別表示電廠節能量統計的起止時刻，將式（8）代入式（7）則A 即為統計期所發的電能量。

隨著計算機技術在電力生產中的應用，電量已完全實現實時統計，而且負荷采樣的時間間隔已達到秒級甚至更快，這個間隔遠遠低于月、季、年的統計時間跨度，因此可以認為統計期所發的電能為

其中，E 為統計期所發的電能量，kJ；n 為采樣次數；Δt為采樣時間間隔，s。

由于Δt為固定采樣間隔，因此式（9）又可以改寫為

統計期內的平均電負荷即為

由此可得，機組在統計期內的平均負荷即為統計期內各采樣負荷的平均值。

設ΔEt為機組負荷為Pt時的節能量，則

其中，ΔHRt為負荷為Pt時的發電熱耗率減少量，kJ/（kW·h）。

由式（16）可得出，在統計期內的平均節能量即為同期平均負荷對應的節能量。也就是說，要想獲得某一統計期內與機組負荷有關的節能措施的節能量，只需獲得統計期內負荷與節能量的關系曲線，并計算出統計期機組平均負荷，利用平均負荷計算出統計期內單位時間的節能量。利用這一節能量即可獲得整個統計期節能量，完全無需分負荷段統計時間和進行加權求解。

機組年節能量計算公式由式（1）變為

對比式（1）和式（17）不難看出，式（17）的計算有效避免了負荷分段統計和加權計算，不僅計算得到有效簡化，而且計算中通過有效利用排汽比容擬合有效提高了計算精度。

3 改造機組節能量計算

某350 MW 超臨界抽汽供熱機組進行了鍋爐煙氣余熱利用改造，汽輪機型號為CCZK350/289.6-24.6/1.5/0.4/569/569，為了獲得機組改造節能量，先后測試了閥門全開工況、100%、75%、50%、40%運行工況，其中40%工況點余熱利用量為零。表1 為采用不同排汽焓所得機組發電熱耗率的變化情況。

表1 不同方法計算發電熱耗率對比

由表1 可以看出，采用不同排汽焓的計算對機組節能量的影響很大，此偏差累計到一個統計周期中將是一個非常大的數值。對機組熱耗降低值與負荷關系進行擬合得

統計機組年利用小時數為6 312 h，平均負荷為280 630 kW，鍋爐效率92%，將數據代入式（17）得年節煤量為標準煤2 380.8 t。

4 結論

綜上所述，在計算節能量與機組負荷變化相關聯的節能措施節能量中，首先是節能量計算將涉及機組變工況的計算，此時機組排汽焓的確定將直接影響最終節能量結果的準確性，通過采用排汽比容擬合方法確定變工況后的機組排汽焓將有效提高計算精度。其次，通過機組發電熱耗率與負荷關系的擬合能夠有效涵蓋機組的全負荷范圍，避免了以點代面造成的計算偏差。再次，采用擬合平均法可以有效避免機組按負荷段進行分段統計的繁瑣步驟，從而大幅度提高了計算效率，并有利于嵌入計算機系統中實現實時統計計算，能夠為機組運行節能分析和優化提供有力支持。最后，擬合計算方法是建立在有效的運行測試基礎之上，100%、75%、50%等負荷點工況雖能基本滿足節能量的計算要求，但為了能夠更準確地反映機組運行狀況，在機組具備相應試驗條件的情況下建議多設置幾個試驗負荷點來進一步提高擬合精度。