600MW电站锅炉效率分析

中国工程热物理学会 学术会议论文
工程热力学与能源利用 编号：091051
600MW 电站锅炉火用效率分析
崔亚明 董长青 杨勇平 康鹏 张俊姣
生物质发电成套设备国家工程实验室，华北电力大学 北京 102206 联系电话 010-51971332，Email:cqdong1@
摘要
本文使用 ASPEN PLUS 软件对某 600MW 电站燃煤锅炉在不同负荷、不同煤种情况下进行了模
η E ,B =
m1 (e3 − e1 ) + m2 (e4 − e2 ) m e +I = 1− A A r mB eB m B eB
（3）
煤的火 用 值采用固体燃料火 用 的估算方法 [12] ：
H O N eB = LHV 1.0064 + 0.1519 + 0.0616 + 0.0429 C C C
表1 项 过热蒸汽流量 过热蒸汽出口压力 过热蒸汽出口温度 再热蒸汽流量 再热蒸汽进口压力 再热蒸汽出口压力 再热蒸汽进口温度 再热蒸汽出口温度 给水温度 目 单位 t/h Mpa ℃ t/h Mpa Mpa ℃ ℃ ℃ 对象锅炉设计参数 BRL 1785 25.24 571 1484 4.11 3.94 306 569 278 75%THA 1222 24.65 571 1038 2.87 2.73 276 569 255 50%THA 799 16.76 571 693 1.9 1.8 284 569 232 30%BMCR 574 12.2 571 505 1.35 1.28 289 538 195
1 电站锅炉火用效率的计算方法
锅炉总体的火 用 平衡方程式为 [12] ： mB eB + mL eL + m1e1 + m2 e2 = m3e3 + m4 e4 + m Ae A + I r （1）
式中：e 表示比火 用 ， mB eB , mL eL , m Ae A ，分别表示燃料带入的火 用 ，空气带入的火 用 和排烟带 走的火 用 ， m1e1 ， m2 e2 ， m3e3 ， m4 e4 分别表示给水带入的火 用 ，低温再热器入口工质带入的 火 用 ，过热蒸汽带出的火 用 ，再热蒸汽带出的火 用 ， I r 表示锅炉的火 用 损失。 因为空气是在环境温度下进入锅炉的，所以 eL =0，而且 m1 = m3 ， m2 = m4 ，则上式 简化为： I r = mB eB − m1 (e3 − e1 ) − m2 (e4 − e2 ) − m A e A 锅炉的火 用 效率定义为： （2）
2.3 物性方法选择
对于发电中的燃烧系统,ASPEN PLUS 推荐的是 RKS-BM (逸度系数计算方法为带有
Boston-Mathia α函数的 Redlich-Kwong-Soave) 和 PR-BM ( 逸度系数计算方法为带有 Boston-Mathias α 函 数 的 Peng-Robinson) 两 种 物 性 方 法 ； 蒸 汽 循 环 则 推 荐 的 是 STEAMNBS(利用 NBS/NRC 蒸汽表状态方程计算逸度系数)和 STEAM-TA (利用 ASME
末级过热器进口 末级过热器出口 低温再热器进口 低温再热器出口 省煤器进口 省煤器出口
℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃
507 571 306 472 278 333
507 571 306 476 278 333
503 571 276 465 255 320
511 571 276 465 255 320
499 571 284 464 232 300
改革开放以来,我国经济取得了很大成就,但是在能源资源严重紧缺的条件下取得的。 我国能源浪费惊人，能源利用率只有 33%，比国际先进水平低 10 个百分点左右。我国 有 13 亿人口， 人均能源资源远低于世界平均水平， 高能耗发展模式不仅能源资源条件无 法承受，而且所造成的环境恶化和生态危机也是我们无法承受的 [1] 。因此，做好耗能设 备的节能工作显然是非常重要的。 节能离不开对能量系统的热力学分析。沿袭了上百年的热力学第一定律方法是从能 量的“数量”方面进行分析研究的一种重要方法，可以揭示能量传递和转换过程中的数 量关系，这种方法也称“能量平衡法” ， “热平衡法”或“能分析法” ，也有称之为“焓分 析法”的。以热力学第二定律为依据，结合热力学第一定律和第二定律的一种分析方法 ——火 用 分析方法是近年来能量系统热力学分析的一种新方法。火 用 分析法从 20 世纪 50 年 代朗特“Z.Rant”建议命名“火 用 exergy”开始虽仅仅只有半个世纪的历史，但由于火 用 具 用 分析法比 有能的量纲和质的属性，使能量的“量”和“质”达到完美的统一，从而使火 能分析法更科学、更深入 [ 2] ，火 用 分析的方法也得到了广泛的应用。 Ivar S.Ertesvag
为模块 HeatX，HeatX 用于两股物流的换热，可以完成具有单相和两相物流的传热系数 和压降估算的全部区域分析） ，最后以排烟物流（名称 EXHAUST，类型 NC）排出系统。 另一方面，空气物流（名称 IN-AIR，类型 MIXED）进入空气预热器吸热后送入燃烧模 块与燃煤反应，给水物流（名称 WATER，类型 MIXED）经省煤器吸热后进入蒸发器作 为工质经一系列受热模块由末级再热器的再热蒸汽物流（名称 OUT-RH，类型 MIXED） 和末级过热器的过热蒸汽物流（名称 OUT-SH，类型 MIXED）送出系统。
基金项目： 国家重点基础研究发展计划 （2009CB219801） ， 国家高技术研究发展计划 （2008AA05Z302） ， 教育部重点项目（108033，107119） ，华北电力大学校博士基金（200822015）
设计需要以热力学第二定律为基础的分析来协助，并给出了热量传递过程完善程度的标 准。 洪慧 [ 6 ] 等人在 ASPEN PLUS 模拟的基础上对给水加热型联合循环系统进行了深入的 用 损失的内部现象，并提出了进一步改进的建设性方案。 研究，揭示出引起循环系统火 随着科学技术的发展，火 用 分析法开始应用于电站锅炉，它从能量的量与质两个方面 分析能量的利用情况 [ 7 ] 。与热平衡分析法相比，火 用 分析法可以更完善、更具体地衡量电 站锅炉的热力学完善程度。 杨勇平 [8] 分析了锅炉系统各项损失与过量空气系数、热风温度及煤粉细度的关系， 并绘制了曲线图。陈莉 [9 ]Байду номын сангаас在分析负荷、主汽温度、主汽压力、给水温度、冷风温度对排 用 效率的影响。苗鑫华 [10] 对锅炉各受 烟温度和锅炉热效率影响的同时，也给出了对锅炉火 热面的火 用 损分布进行了分析。 Helen Magnusson [11] 说明了使用 ASPEN PLUS 对电站锅炉及其它系统的模拟方法。 本文在使用 ASPEN PLUS 对某 600MW 电站锅炉进行多个不同工况的模拟基础上， 主要 从负荷、煤种两个角度对锅炉火 用 损进行了初步分析，为进一步深入、全面研究锅炉能耗 的时空分布提供参考。
百分数。 水和水蒸汽的火 用 值只考虑物理火 用 ，采用通用公式：
（4）
式中：LHV 表示煤的低位发热量，H、C、O、N 分别表示燃料中氢、碳、氧、氮的质量
e = h − T0 s
烟气的物理火 用[13] ：
ep gas = C p [(T − T0 ) − T0 ln (T T0 )]
（5）
（6）
[ 3]
研究了环境条件变化对大气中气体和一些气体燃料的化学火 用 产生
的影响，其中包括了大气压力、温度、绝对湿度、相对湿度、以及二氧化碳含量的变化 等因素。 Noam Lior [ 4] 等人对燃烧过程进行基于热力学第二定律的分析， 研究了以时间和 空间为变量的火 用 和过程中的不可逆性。Ylimaz [5] 等人发表了一篇详细介绍关于利用热力 用 分析从而进行优化设计的论文，他们指出换热器系统的优化 学第二定律对换热器进行火
515 571 284 465 232 300
520 571 289 450 195 272
515 571 289 450 195 272
注：最大误差为 5.9%。 表3 项目 分隔屏进口 分隔屏出口 后屏进口 后屏出口 末级再热器进口 末级再热器出口 末级过热器进口 末级过热器出口 低温再热器进口 低温再热器出口 省煤器进口 省煤器出口 空气预热器出口 注:最大误差为 9.0%。 单位 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ BRL 烟气模拟值与设计值比较 75%THA 50%THA 30%BMCR
2 模拟方法
2.1 模拟对象
以一台 600MW 电站燃煤锅炉为研究对象。该锅炉为超临界，单炉膛、一次中间再 热、四角切圆燃烧方式、平衡通风设计，固态排渣。水平烟道沿烟气流程依次布置分隔 屏过热器，后屏过热器，末级再热器，末级过热器，尾部烟道依次是低温再热器，省煤 器和空气预热器。部分设计值见表 1。
蒸汽表关联式计算逸度系数) [15] 。通过计算可以看出这 4 种方法的任意组合得出的结果 差别不大，本文选用 PR-BM 和 STEAM-TA 的组合。
图 1 600MW 电站锅炉流程模拟图
运行该流程后,得到工质、烟气的模拟值与设计值的比较分别列于表 2 和表 3 中。
表2 项目 分隔屏进口 分隔屏出口 后屏进口 后屏出口 末级再热器进口 末级再热器出口 单位 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ BRL 工质模拟值与设计值比较 75%THA 50%THA 30%BMCR
ec (T0 , i ) = ec (i ) + ξ (i )(T0 − 298.15)
(8)
式中： ec (T0 , i ) 表示环境状态下 i 组分气体化学火 用 kJ/mol， ec (i ) 表示基准物状态下的 i 组 分气体化学火 用 kJ/mol， ξ (i ) 表示 i 组分气体化学火 用 的温度修正系数。
拟。在此基础上，运用热力学第二定律分析方法，重点讨论了负荷变化和煤种变化对锅炉总体火用效率 的影响，结果表明:锅炉总体火用效率随负荷的降低而降低；煤种成分中固定碳含量对锅炉总体火用效率影 响最显著，然后依次是挥发分含量、水分含量和灰分含量。 关键词：热力学第二定律 ASPEN PLUS 火用效率