大型燃煤機組節能途徑分析

大型燃煤機組為我國經濟社會發展提供了源源不斷的能源供應，其節能降耗技術是一個經久不衰的話題。為了分析大型燃煤機組在電力生產過程中的節能潛力，基於熱力學第一定律和熱力學第二定律，分別利用熱量法和方法對機組各個環節進行能耗比較，進而展示熱力發電過程節能的潛力分佈。基於這一分析結果，討論了現階段多種節能技術能夠節能降耗的原因。結果表明：機組發電過程中工質的損是造成凝汽器熱量流失的原因，而凝汽器冷端巨大的熱量散失是發電機組發電過程不可逆損失導致工質能力下降的表現，其中鍋爐受熱面具有最大的節能潛力。同時，熱電聯產等節能技術有利於燃料能量的分級利用，這將大幅提高大型燃煤發電機組的綜合能量利用效果。

引言

我國一次能源結構中煤炭佔據著主要地位，份額超過60%，燃煤機組發電量佔比達到了70%。可見，研究大型燃煤機組的節能途徑具有重要意義。

大型燃煤機組的基本原理都遵守朗肯迴圈，大量的國內外學者根據朗肯迴圈的特性對大型電站機組進行了節能途徑研究。利用熱力學第一定律的熱平衡方法，先進燃煤鍋爐熱效率高達95%以上，燃煤發電機組的熱量損失大多集中在低壓缸出口乏汽的冷凝過程。因此為減少這部分損失，李佩峰等分析並研究了某300MW熱電聯產供熱系統，並計算其能耗。王學棟等研究了老式凝汽器的節能改造途徑分析，對老式凝汽器機組的節能改造具有指導意義。董麗娟等研究了汽輪機背壓變化對機組出力的影響，當汽輪機背壓改變1kPa時，機組熱耗率將改變0。7%。基於熱力學第二定律平衡方法，大型發電機組主要能量損失存在於鍋爐爐膛巨大傳熱溫差的不可逆損失當中。王衛良等利用熱平衡和平衡對比分析，研究熱損失和損失在火電機組發電過程中的內在關係，進而獲得火電機組節能潛力分佈情況。

以某燃煤機組為例，利用熱平衡和平衡的方法，對大型燃煤電站能效進行對比。以分析火力發電機組節能潛力分佈，對部分節能技術進行討論以分析火力發電機組的節能技術發展方向。

1大型燃煤發電機組系統及能效評價方法

1。1燃煤發電機組介紹

熱力學研究為火力發電機組節能提供了理論基礎，火力發電廠執行的基本原理遵從朗肯迴圈。朗肯迴圈提供了一個理想的基於水為工質的火力發電迴圈模型，其原理圖和基本裝置圖如圖1、圖2所示。朗肯迴圈是由定容加壓過程，定壓吸熱過程，絕熱膨脹過程，定溫放熱過程四大基本過程組成。朗肯迴圈的基本裝置有四大部分：鍋爐、汽機、凝汽器、主給水水泵。鍋爐是高溫熱源，汽機是絕熱膨脹裝置，凝汽器是低溫熱源（因汽測發生相變換熱，故接近定溫放熱過程），主給水泵是定容升壓裝置。

1。2電廠節能潛力評價方法

1。2。1熱量法

熱量法將熱效率或熱損失率作為評價指標。

利用熱力學第一定律，計算出全廠供電熱效率和全廠供電熱損失率，就能夠評價熱力發電廠的經濟性。

1。2。2方法

方法是指燃煤機組發電過程中各個環節由於不可逆因素造成的可用能損失，計算出損失係數。

2基於朗肯迴圈的燃煤電站節能方法

2。1提高主蒸汽引數

提高主蒸汽引數指提高主蒸汽溫度和壓力，當主蒸汽溫度從T0變為T0‘時，平均吸熱溫度提高，機組理論迴圈熱效率提高，若式（5）中管道效率等其他項保持不變，則全場理論熱效率更高，最終可以達到降低電廠煤耗率的作用。同時，若保證汽輪機背壓保持不變，提高主蒸汽壓力，這將使汽輪機乏汽溼度增加，使低壓缸最後幾級葉片處於危險狀態，因此提高主蒸汽壓力應當伴隨著主蒸汽壓力一同提升。

2。2降低汽輪機排汽引數

燃煤發電廠以水及水蒸氣作為工質，以凝汽器作為熱力迴圈過程中的冷源，使水蒸氣發生相變換熱，變為液態水，以保證可以讓凝結水泵，主給水泵加壓至額定壓力。因為凝汽器中發生相變換熱，故而凝汽器中蒸汽的壓力和溫度是一一對應的關係。而凝汽器的工作溫度受限於環境溫度，受限於電廠所在地區的氣候。因此想提高凝汽器的真空以降低電廠熱力迴圈中的平均放熱溫度，只能透過改變凝汽器的結構和執行方式，以提高換熱效果，凝汽器中冷凝水溫度接近環境溫度。這一舉措具有很大的侷限性，首先凝汽器工作壓力受到環境溫度制約，無法深度降溫降壓；其次過多的降低凝汽器的溫度，需要增加更大的換熱面積，這樣會增大機組建設成本。

2。3二次再熱迴圈

當採用二次再熱迴圈，蒸汽高溫吸熱段延長，這將提高蒸汽平均吸熱溫度。蒸汽平均吸熱溫度增加，將提高理論迴圈熱效率。同時，採用二次再熱迴圈將增大汽輪機排汽幹度。因此二次再熱迴圈有利於大型發電機組在不大幅提高主蒸汽溫度的情況下，大幅提高主蒸汽壓力。例如：目前某臺在建超超臨界二次再熱迴圈機組的主蒸汽壓力高達32。46MPa，其主蒸汽溫度相較於一次再熱超超臨界機組增長不大，主蒸汽溫度為605℃。

2。4熱電聯產

在電廠熱力迴圈中低壓缸排氣的汽化潛熱巨大，這一部分將散失在環境當中。因此很多電廠進行了熱電聯產改造，一部分機組利用抽汽熱量直接加熱熱網熱水源，為工業和商業使用者提供適宜的熱產品；還有部分機組基於吸收式熱泵，在大幅降低機組背壓的同時，為使用者提供熱產品。這一措施都將利用汽輪機排汽部分汽化潛熱。

3燃煤能量損失分佈及節能潛力分析

3。1燃煤電站能量損失情況

利用熱量法和方法兩種角度，分別對某300MW亞臨界機組、某600MW超臨界機組進行能量傳遞過程分析。基於熱力學第一定律，得到2臺機組的能量損失分佈，根據熱力學第二定律，對兩臺機組的能量傳遞過程進行分析。

利用熱量法和方法計算得出的供電效率略有不同，二者相差在0。45%以內。這是因為在計算燃料時忽略了燃燒產物的燃料，使得計算效率時，結果略大，但是總體吻合。同時，以600MW超臨界機組為例，在熱量法計算當中，兩臺機組熱量損失集中在凝汽器冷端和排煙損失部分，鍋爐受熱面及空預器散熱損失僅1。49%，其中凝汽器冷端散熱損失高達50%左右，這是燃煤機組主要的熱量損失；與之相反，在方法中，透過凝汽器冷端溫差等不可逆因素造成的損佔比僅為1。39%，而因為巨大的冷熱溫差而傳遞熱量的鍋爐受熱面及空預器損巨大，高達48。68%。

基於能量分級利用思想，發電機組的發電過程中，充分利用高溫高壓水蒸氣中高品位能量用於發電，低溫低壓的低品位蒸汽用於生產熱產品，這樣將充分機組冷端乏汽相變潛熱，將能量綜合利用。分析典型燃煤機組的熱損失和損失計算結果，可以看出，在火力發電過程中，在鍋爐受熱面上由於冷熱溫差的傳熱過程中，熱量傳遞損失很小，但是煙氣的做功能力損失很大，最終以凝汽器冷端相變換熱的形式造成熱量損失。其中，發電過程中各種工質的損是造成最終凝汽器熱量流失的原因，而凝汽器散熱是發電機組各種不可逆損失導致工質能力下降。因此減少鍋爐受熱面的損是提高發電效率的根本方向，燃煤機組能量分級利用是當前節能降耗的重要方法。

3。2燃煤電廠節能途徑分析

根據dlzbcg。wang分析，燃煤發電機組節能潛力主要集中在鍋爐受熱面和機組冷端。那麼減少鍋爐受熱面換熱溫差以及減少機組冷端散熱量就成了發電機組節能主要目標。

縱觀我國的大型燃煤機組的發展歷史，參考卡諾迴圈和朗肯迴圈，在電力技術革新中降低受熱面溫差一直是重點話題，通常採用的方法是增大主蒸汽引數，建造超超臨界發電機組並使用二次再熱技術，目前我國已經發展和建造了大量的超臨界、超超臨界發電機組，這些機組的主蒸汽引數都在提高，部分機組再熱蒸汽溫度高達623℃。當鍋爐主蒸汽溫差不斷上升時，水蒸氣平均吸熱溫度升高；當運用二次再熱迴圈技術，爐膛煙氣與水蒸氣的換熱溫差降低，減少了換熱過程中的損，最終提高機組發電效率。但是傳統火電機組大多為煤粉爐，為了穩定燃燒效果，爐膛溫度偏高，降低受熱面溫差只能採用不斷提高水側平均吸熱溫度的方法。這一舉措必然提高鍋爐爐膛受熱面的金屬溫度。因此無論是提高主蒸汽引數還是採用二次再熱迴圈，其本質都是減少鍋爐受熱面的損失，從根本上來提高機組的供電效率。

同時，降低汽輪機排汽引數和熱電聯產本質上都是根據熱量法分析結果來利用發電機組冷端龐大的熱量損失。根據方法和能量分級利用思想分析可得，燃煤發電機組冷端損失僅僅伴隨著極少的損。因此若能夠在損失極少的情況下，充分利用冷端熱量損失，將大幅提高燃料的能量利用率。能量分級利用可以充分利用燃料能量，諸如熱電聯產、低溫閃蒸海水淡化的技術都是燃煤機組能量分級利用的表現，這具有廣泛的節能潛力。

4結語

利用方法和熱量法對大型燃煤機組的能量轉換過程進行分析，得出發電過程中工質的損是造成凝汽器熱量流失的根本原因，而凝汽器散熱是發電機組各種不可逆損失導致工質做功能力下降的表現。根據發電機組損計算結果，可以分析出發電的各個環節中節能潛力分佈，這為開發節能技術提供了參考。

分析某300MW亞臨界機組和某600MW超臨界機組發現，其損主要集中在鍋爐受熱面上，而熱量損失主要集中於發電機組冷端凝汽器處。

基於方法，對當前常見的節能途徑進行分析，發現提高主蒸汽引數和採用二次再熱迴圈的節能方案都是致力於減少鍋爐受熱面換熱過程的巨大損。雖然主蒸汽引數的提高受限於耐高溫金屬材料的研究進展，但是這是未來大型燃煤機組改進的方向。

諸如熱電聯產、低溫閃蒸海水淡化的節能技術都是燃煤電廠能量分級利用的體現，具有很強的節能潛力。