超临界600MW火电机组热力系统的火用分析

第30卷第32期中国电机工程学报V ol.30 No.32 Nov.15, 2010 8 2010年11月15日Proceedings of the CSEE ©2010 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2010) 32-0008-05 中图分类号：TK 212 文献标志码：A 学科分类号：470⋅20超临界600 MW火电机组热力系统的火用分析刘强，段远源(清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京市海淀区 100084)Exergy Analysis for Thermal Power System of A 600 MW Supercritical Power UnitLIU Qiang, DUAN Yuanyuan(Key Laboratory of Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education,Tsinghua University, Haidian district, Beijing 100084, China)ABSTRACT: The matrix equation for exergy balance of regenerative system was derived, and the mathematical model for exergy analysis of thermal power system was presented. Exergy losses and exergy efficiencies of the main components of a domestic N600-24.2/566/566 power unit were calculated by this model. The results indicate that the exergy efficiencies of low pressure heaters are lower than those of high pressure heaters, the exergy destructions in low pressure heaters are also lower. The exergy efficiency of the steam turbine is higher than relative internal efficiency, the exergy efficiencies of the high pressure turbine, intermediate pressure turbine and low pressure turbine are 93.20%, 96.18% and 89.61%, but the work of the low pressure turbine is the largest, so there is energy conservation potential for the low pressure turbine. The coefficient of exergy loss is found to be maximum in the boiler (49.47%) while much lower in condenser (1.232%). In addition, the calculated thermal efficiency of this power plant is 44.54% while the exergy efficiency of the power cycle is 43.52%.KEY WORDS: power unit; thermal power system; exergy analysis; energy conservation摘要：提出了火电机组回热系统的火用平衡矩阵方程式，并构建了热力系统火用分析的数学模型。

应用该模型，分析了国产某超临界N600–24.2/566/566机组热力系统主要部件的火用损失和火用效率。

结果表明：高压加热器的火用效率高于低压加热器，但是低压加热器的火用损系数较小；除氧器的火用损系数最大；汽轮机的火用效率高于其相对内效率；高压缸、中压缸和低压缸的火用效率分别为93.20%，96.18%和89.61%，但是低压缸承担做功量最大，因此低压缸仍有一定的节能潜力；锅炉的火用损系数高达49.47%，而凝汽器的火用损系数只有1.232%，所以锅炉是节能的重点对象。

此外该机组的全厂热效率为44.54%，而火用效率为43.52%。

关键词：火电机组；热力系统；火用分析；节能0 引言火力发电机组承担着我国约80%的发电量，是耗能和排放大户，因此准确而有效的节能理论将有助于火电机组的节能减排工作。

火电机组热经济性的评价方法一般分为两类：基于热力学第一定律的热量法，如热平衡法、等效焓降法、矩阵法、循环函数法等，一般用于定量分析；基于热力学第二定律的火用分析法、熵分析法、热经济学法等，一般用于定性分析。

目前，我国火电机组的热经济性分析普遍采用热量法，但节能不仅要重视量，还应注意节能潜力的挖掘以及能级匹配的改善，所以对火电机组进行火用分析可以有效评价能量利用的合理程度，科学地指导电厂节能工作。

火用分析和热经济学的理论研究在我国从20世纪80年代开始发展[1-4]，并得到了一定的应用[5-15]，但是国内对超临界火电机组热力系统进行火用分析的工作仍较少，而目前超(超)临界600 MW及以上机组正相继投入运行，所以本文拟构建火电机组火用分析数学模型，并对某台超临界600 MW机组进行火用分析，为大型火电机组的节能提供理论依据。

1 火电机组热力系统的火用分析数学模型1.1 火用损失和火用效率火用损失的大小可以表明实际过程的不可逆程度，故其大小可以衡量热力过程的完善程度。

但火用损失是一绝对量，无法比较不同工况火用的利用程度，因此常采用火用效率来评价热力过程或设备的热基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(973项目) (2009CB219805)。

Project Supported by National Basic Research Program of China (973 Program) (2009CB219805)．第32期 刘强等：超临界600 MW 火电机组热力系统的火用分析 9力学完善程度。

火用效率有普遍火用效率和目的火用效率之分，由于电厂多数设备是多股火用流汇入和多股火用流汇出，且普遍火用效率也不是普遍合理的，所以本文采用目的火用效率，即系统或设备中作为收益的火用与作为代价的火用之比值[2-3,16]。

在横向比较时，即比较不同设备或系统的火用利用程度或火用损失大小时，采用火用损系数即以输入(代价)火用为基准时局部火用损失所占的比例。

1.2 锅炉的火用效率锅炉以燃料火用为代价，而其收益是蒸汽，所以其火用效率可表示为b b w1rh rhrh b,ex f()()D e e D e e Be η′′′−+−= (1) 因为锅炉热效率为b b 1rh rhrh b net()()D h t D h h Bq η′′′−+−= (2)所以锅炉火用效率还可表示为net b b w1rh rhrh b,ex b f b b 1rh rhrh ()()()()q D e e D e e e D h t D h h ηη′′′−+−=′′′−+− (3) 式中：D b 为锅炉过热器的蒸汽流量；e b 为过热器出口蒸汽的比火用；e w1为锅炉给水的比火用；D rh 为再热蒸汽量；rhe ′和rh e ′′分别为再热器入口和出口蒸汽的比火用；h b 为过热器出口蒸汽的比焓；1t 为锅炉给水的比焓；rhh ′和rh h ′′分别为再热器入口和出口蒸汽的比焓；q net 为煤的低位发热量；e f 为煤的化学火用。

煤的化学火用e f 的估算式[2-3]为f net (H)(O)(N)(1.00640.15190.06160.0429)(C)(C)(C)w w w e q w w w =+++(4)式中：w (C)、w (H)、w (O)、w (N)分别为燃料煤中碳、氢、氧、氮的质量成分。

锅炉的火用损系数为b b,ex 1Ωη=− (5) 1.3 管道的火用效率管道的火用效率按供给汽轮机的蒸汽的火用与锅炉热负荷的火用之比表示，即00w1rh rh 2p,ex b b w1rh rh rh ()()()()D e e D e e D e e D e e η−+−=′′′−+− (6)式中：D 0和e 0分别为主蒸汽流量及其比火用；e rh 为中联门前再热后的蒸汽的比火用；e 2为高压缸排汽的比火用。

1.4 汽轮机的火用效率汽轮机以蒸汽的火用为代价，来获得机械功，所以其目的火用效率可表示为T,ex 00w1rh rh 2()()WD e e D e e η=−+− (7)式中：W 为汽轮机的做功量。

汽轮机的火用损系数为00w1rh rh 2T f ()()D e e D e e W Be Ω−+−−= (8)在该式中，汽轮机的火用损失不仅包含其内部损失，还包括轴封漏汽、小汽轮机、各级加热器和凝汽器的火用损失等。

而对汽轮机的高、中、低压缸的火用效率应是该缸做功量同进出该缸的火用量差的比值，如高压缸的火用效率可表示为HH T,exout out00112rh 2()j jW D e D e D D e D e η=−−+−∑ (9) 式中：W H 高压缸做功量；D i 和e i 分别为高压缸的第i 级抽汽量及其比火用；D j out 和e j out 分别为高压缸的第j 股漏汽量及其比火用。

1.5 回热加热器的火用损失式(7)计算的汽轮机的火用效率，实际上包含了回热过程中各环节的火用损失，而加热器的运行关系到机组的经济性和安全性，因此有必要掌握各级加热器热力过程的完善程度。

对图1所示的表面式加热器列火用平衡方程：10w(1)1110w 1i i i i j i j i i i i j i i j D e D e D e D e D e D e I −+−=−=′++=′′+++∑∑ (10)整理得110w w(1)1()()()i i i i j i i i i i j D e e D e e D e e I −−+=′′′−+−=−+∑(11)11i j −=∑e0D 图1 表面式加热器Fig. 1 Schematic diagram of a surface heater对表面式加热器定义第i 级抽汽的比火用降为s 0()q i i i i i i i e e e h t T s s ′′=−=−−− 上级疏水在第i 级加热器的比火用降为1s(1)s 01()i i i i i i i e e e t t T s s γ−−−′′′′=−=−−− 给水在第i 级加热器的比火用升为10 中 国 电 机 工 程 学 报 第30卷w w(1)10w w(1)()i i i i i i i e e e t t T s s τ+++=−=−−− 式中：h i 和s i 分别为第i 级加热器的抽汽比焓及其比熵；s i t 和i s ′分别为第i 级加热器的疏水比焓和比熵；i t 和s w i 分别为第i 级加热器出口水的比焓和比熵，T 0取298 K 。