太阳能与火电厂回热系统一体化的热经济性研究

1、太阳能与火电厂回热系统一体化的热经济性研究摘要：太阳能与火电厂一体化发电系统是将太阳能引入常规燃煤发电机组组成的发电系统，为火电机组的节能减排和太阳能大规模利用提供新途径。本文建立单纯燃煤机组的定热量等效热降矩阵方程，基于此分析方法，构建一体化系统的定热量等效热降矩阵方程。以某600MW再热机组为例，分析太阳能与火电厂回热系统一体化的热经济性。关键词：太阳能，火电厂，回热系统，热经济性引 言火电机组热力系统热经济性节能理论是火电厂节能降耗的理论分析基础，它既是热力系统设计、节能改造的理论基础，又是火电厂热力系统优化运行在线监测的实用理论。火电机组热力系统节能理论种类繁多，其中常规热平衡法、循环

2、函数法和等效热降法比较成熟，被广泛使用于生产和研究领域。通过太阳能热利用系统将太阳能热量引入常规燃煤机组的回热系统可集成太阳能与燃煤混合热发电系统，称为太阳能与火电厂回热系统一体化热发电系统。太阳能热利用系统与燃煤机组集成方案的选取是太阳能与燃煤机组一体化热发电系统实施的重要基础。1. 实际热力系统的定热量等效热降矩阵方程1.1实际热力系统的汽水分布矩阵方程常规热平衡简捷算法(q 方程，亦称汽水分布矩阵方程)将辅助汽水成分分为三类：纯热量进出系统、工质从加热器汽侧进出系统、工质从加热器水侧进出系统。包含这三类辅助汽水成分的汽水分布矩阵方程可写成如下形式： （1-1） 系数矩阵A 、Af 、A均

3、采用了下三角矩阵的表达形式，其中 Aff代表工质从加热器汽侧进出系统的辅助汽水成分、 A 代表工质从加热器水侧进出系统的辅助汽水成分、q 代表纯热量；令以上各辅助汽水成分为0，则该方程退化为主系统的q 方程。则各级回热抽汽份额为： （1-2）式中： （1-3）矩阵Q fi为辅助系统广义能量矩阵，它综合反映了机组热力系统中进出系统不同部位的各类辅助汽水流量以及纯热量的结构和能量关系。该矩阵把机组热力系统的各类辅助汽水成分分为三类均统一于中，清晰明了，规律性很强。1.2定热量条件下辅助汽水做功损失等效热降对辅助系统中各辅助汽水成分分类建立计算模型，算出每股辅助汽水成分的做功损失再求和，以获得各种辅

4、助汽水成分引起的总的做功损失。在此基础上，文献给出了定热量新蒸汽的净等效热降： （1-4）等效热降将压缩功给水泵内焓升b 也当作辅助成分的做功损失，包含在中。但在的计算过程中，不同类型的辅助成分乃至相同辅助成分进出系统的位置不同，其计算模型都会发生改变，通用性不佳，不适于直接用于定热量等效热降矩阵方程的建立。因此须另行建立适用于定流量条件下的辅助汽水做功损失的通用矩阵。等效热降对辅助汽水成分的某些分类作了进一步细分或本身属于重复定义，例如等效热降将工质从加热器汽侧进出系统细分为从抽汽管路和从疏水管路进、出加热器汽侧不同类的两种，并给出了不同形式的计算公式。但根据加热器能量守恒、质量守恒关系，这

5、两种辅助汽水对系统热经济性影响的计算能够表达为统一的形式，应同属一类，这是由于等效热降法中多种形式计算问题造成的。本文将沿用汽水分布矩阵方程式(1-1)的辅助汽水划分原则，将辅汽成分分为三类，这样也便于借鉴汽水分布矩阵方程的研究成果。定热量的循环内功除了采用式(1-4)形式外，还可以用矩阵形式从常规热平衡法出发推导定热量循环内功的其他形式，通过对比两种形式便可得出辅助汽水的做功损失，根据常规热平衡计算方法，再热机组实际循环效率可以表达为： （1-5） 为一列向量，未经过再热器前对应级的各行取为，其余为0。mi为再热前离开汽轮机本体的辅汽份额之和。列向量aj除了最后一行元素为1外，其余各行元素为

6、离开汽轮机本体的辅汽(如轴封漏汽，门杆漏汽等)份额。列向量haj 各行元素的计算式为：这样与定热量等效热降一致，给水泵内焓升b 也当作辅助成分的做功损失包含在aj haj中。根据比例的性质，式(1-5)分母上加上一项，同时在分子上加上一项，实际循环效率计算结果不变： （1-6）式(1-6)的循环吸热量采用了h0hfw+表达式，由此可得定热量的循环内功的另一表达形式为： （1-7）整理得： （1-8） 式(1-4)是根据新蒸汽定热量等效热降的定义直接给出的，式(1-8)是由常规热平衡得到的，两者是等价的，因此对比两式(或两式相减)可得到定热量条件下的辅汽成分做功损失矩阵方程为： （1-9） （1

7、-10）式中表达了辅汽汽水直接离开汽轮机本体的做功损失及给水泵消耗功之和，表示辅汽成分回收于回热系统的功量(出回热系统则值为负)。2. 热力系统介绍文中以某600MW机组(如图1所示)为例，并组建出系统的太阳能与火电厂回热系统的一体化热发电系统，详细阐述基于定热量等降热降矩阵方程的机组热经济性分析过程。 图1 某600MW机组热力系统该燃煤发电机组额定出力为600MW，汽轮机为亚临界、一次中间再热凝汽式汽轮机。主蒸汽压力为16.7MPa，主蒸汽和再热蒸汽温度为537/537；主蒸汽焓h0 = 3394.7kJ/kg；排汽焓hc=2362.2 kJ/kg。全厂回热系统共有八级抽汽由四级低压加热器

8、、三级高压加热器和一台除氧器组成，加热器编号由高压加热器到低压加热器递增，其中第一、二、三级抽汽分别供三台高压加热器，第五、六、七、八级抽汽分别供四台低压加热器，第四级抽汽作为除氧器的加热汽源。八级回热加热器（除除氧器外）均装设了疏水冷却器，以充分利用本级疏水热量来加热本级主凝结水。三级高压加热器均安装了内置式蒸汽冷却器，以减小三台高压加热器的端差分别。三台高压加热器的疏水逐级自流至除氧器；四台低压加热器的疏水逐级自流至凝汽器热井。给水泵采用汽动给水泵和一台电动给水泵，在机组额定工况运行时，汽动给水泵工作，电动给水泵作为备用。给水泵汽轮机的汽源为中压缸排汽（第4级抽汽），其排汽进入凝汽器。2.

9、1 计算原始资料及整理1) 汽轮机型式及参数 (1) 机组型式：亚临界、一次中间再热、单轴、凝汽式汽轮机； (2) 额定功率：Pe =600MW； (3) 主蒸汽初参数：P =16.7MPa，t =537； (4) 再热蒸汽参数：P =3.59MPa，t =537，再热吸热量=524.7 kJ/kg； (5) 汽轮机排汽压力P =5.4kPa，主蒸汽焓h0=3394.7 kJ/kg；排汽比焓hc=2362.2kJ/kg，再热冷段蒸汽焓hzl=3012.1 kJ/kg，再热热段蒸汽焓hzr=3536.8 kJ/kg，凝汽热井焓hwc=143.4 kJ/kg，给水泵焓升b=26 kJ/kg。2)

10、回热加热系统参数机组各级回热抽汽参数见表1，根据式定义及规定，整理所得二次参数及系统相关原始参数如表所示。 表1 机组的回热抽汽参数 根据辅助汽水成分划分原则，对辅助汽水参数进行整理，并标明其去处及是否经过再热情况，结果见表2。 表 2 辅助汽水参数q为给水泵汽轮机用汽的下标。3.单纯燃煤机组的热经济性分析3.1 机组的定热量等效热降矩阵方程 该机组的定热量等效热降矩阵方程，如下所示：3.2 机组的整体计算以如图1所示的某600MW再热机组为例进行算例分析，验证定热量等效热降矩阵方程的正确性，系统主要原始参数见表1和表2。在整体计算中，按照规则正确填写定热量等效热降矩阵方程所涉及的矩阵，对于进

11、出相同加热器的同一类n股辅助汽水在具体处理时，可以采用两种方法：抽象为1股，焓值取平均焓值；或在矩阵形式上采用并联处理，每一项包含1股辅助蒸汽然后求和。本文采用了第二种处理方式，以便获取每一股辅助汽水成分对机组循环效率的影响值。根据矩阵的填写规则，各矩阵结构如下：使用MATLAB7.6将该矩阵方程以矩阵语言表达，编制了计算程序，直接完成整个系统的一次性定量计算，算得实际循环效率为45.92725%，与常规热平衡法算得的结果一致。3.3 轴封渗漏及利用系统的定量分析在局部定量分析中，无需再计算转换系数，只要去除所要分析的辅助汽水循环(可去除单股也可同时去除多股)，就可以计算出变化后的0 ，和整体

12、计算相比较就可以得到该辅助汽水成分对热经济性的影响值。本文将轴封渗漏及利用系统的参数均置为0，以分析轴封渗漏对机组热经济性的影响，算得对循环效率影响的相对值为0.49443 %，与常规热平衡法的计算结果一致。与传统的定热量等效热降法相比，本文方法不要求使用者清晰了解辅助汽水成分对热经济性影响的物理机理，大大降低了使用者的专业理论知识要求。3.4 外置式蒸汽冷却器系统的定量分析图2 外置式蒸汽冷却器系统在机组的No.3高压加热器增设外置式蒸汽冷却器（给水在外置式蒸汽冷却器中获得焓升3 = 16.2 kJ kg），其系统如图2所示，分析其热经济效益。按照加热器边界划分规则，3 被划分到锅炉一侧，因

13、而它使循环吸热量减少q0 =3。因此，在本文矩阵方程对如图2的外置式蒸汽冷却器进行热经济性分析时，只需用3 +3替换3，用q0q0替换q0 ，矩阵方程的结构形式和其它元素数值不变。应用定热量等效热降矩阵方程算得对循环效率影响的相对值为0.17281%，与常规热平衡法的计算结果一致。4. 一体化发电系统的热经济性分析 按的一体化系统组建原则，组建图1所示的600MW机组热力系统集成太阳能以后的一体化系统如图3。图3 一体化热发电系统假设太阳能集热器1号和2号的分流系数均为1%，即取1= 0.99，2 = 0.99。该一体化系统的定热量等效热降方程，如下所示：A、Af 1、Af2、A1、A2中的i

14、 以ji 代替，通过MATLAB便能迅速的计算出改造后的机组循环热效率和相对热效率的提高。 同样改变不同的1 和2 的便能算出不同太阳能集热器条件下的机组循环热效率和太阳能循环热效率，列于表3中。表3 一体化系统的热经济分析结果 单位：%从表中的计算结果表明，一体化系统的定热量等效热降矩阵方程在一体化系统热经济性的正确性。从表中计算结果可以看出，随着加热器的给水继流系统的降低，机组循环效率提高，因为随着太阳能辐射强度的提高、太阳能集热器面积的加大、集热器效率的增强，一体化系统的效率必然提高的。而且可以明显看到，加大与高压加热器的并联的太阳能集热器的分流系统可以比加大与低压加热器并联的太阳能集热器的分流系数更能提高机组的热效率，因为从高压加热器引入太阳能的火用值更大，所以效率的提高更为明显。因此在一体化系统的设计过程中因优先考虑与高压加热器并联的方案，或在两个太阳能集热器群中加大与高压加热器并联的太阳能集热器的面积，具体面积分配方案的确定应同时考虑技术经济的因素。参考文献：1郭仲德. 太阳能与火电厂回热系统一体化的热经济性研究D.华北电力大学,2011.2杨勇平,崔映红,侯宏娟等. 太阳能和燃煤机组混合的热发电系统P.中国专利: 8, 2008-09-243郭江龙,张树芳,宋之平等. 基于等效热降理论的热力