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电厂热力系统节能分析与研究


青 岛 科 技 大 学

电厂热力系统节能分析与研究 题 目_________________________________

专业 学科 导师 姓名 学号

动力工程(专硕) ____________________ 高等工程热力学 ____________________ 李涛 __________________

__ 胡冰涛 ____________________ 4015030044 ___________________

电厂热热力系统节能分析与研究
1 前言
能源安全是我国经济社会健康发展和国防安全的基本保障。 随着我国经济快速发展, 能源需求量急 剧增加,能源储量日渐乏,能源供需矛盾日益突出,供需缺口逐年增加。不仅如此,目前我国一次能源 的 80%以上为化石能源.。2015 年,我国在一次能源生产构成中,原煤占 72.1%,原油占 8.5%,天然气 消费占 4.9%;一次电力及其他能源占 14.5%;煤炭在我国能源消费结构的比重达到 64%,远高于 30% 的世界煤炭平均水;煤炭消费结构中,我国的煤炭消费主要为商品煤,消费量 36.98 亿吨,其中电力行 业用煤 18.39 亿吨,占全部用煤量的 49.73%。 化石能源在利用过程中不可避免地会排放多种污染物和温室气体, 进而带来严重的环境问题。 随着 能源价格的不断攀升和环境污染的加剧,如何应对能源短缺和环境污染成为当今世界面临的两大难题。 减小能量在传递过程中的不可逆耗散, 提高能量的利用率, 是减少能源的需求和传统化石燃料对环境污 染的重要措施。 近几年来,我国频繁出现大规模持续性雾霾天气,包括北京,石家庄等在内的多个地区都曾达到 PM2.5 超过 500 的重度污染程度,严重影响了人民的身心健康。与此同时,国家对环境问题越来越重 视。 全国火电厂,电站锅炉排放的 S02、NOx 和 C02 分别约占全国相应污染物排放总量的 45%、42%和 48%左右。虽然随着环保技术的发展,电站锅炉的污染物排放量会有所下降,但近中期来看,电站锅炉 的各种污染物排放还将保持在较高水平。 目前,大型电站锅炉的热效率普遍在 90-94%左右,而其中排烟热损失占到全部热损失的一半以上, 蕴藏巨大的余热资源。 要完成节能减排的任务, 离不开对污染大户火电厂的系统优化与改造, 并且要提高发电厂余热的利 用率。本文从火电厂的系统余热利用,热力计算(熵分析、?分析)、换热器优化设计等方面进行节能 分析。

1 余热利用
根据《2012 中国能源统计年鉴》中所列的各行业能源消费量及各工业部门直接排放的佘热占燃料 消耗的比例进行折算,我国工业浪费掉的余热资源折算成标准煤,总量高达 8 亿吨标煤,而这些余热资 源可占到我国总能耗 30%以上,由此可看出我国的具有丰富的余热资源,且余热资源分布于众多行业 中,例如石油、水泥、机械、化工等行业节能潜力巨大。而且随着社会经济的不断发展,科技术平的不 断提高,佘热利用技术越来越引起各行业的重视。因此,大力发展余热资源的回收利用工作将对我国国 民经济和社会的发展具有非常重要意义。 目前,国内外烟气余热主要利用与以下几个方面: (1)加热凝结水,排挤抽汽增加机组出功; (2)预热冷风,提高锅炉效率; (3)干燥褐煤,减少系统能耗损失;

(4)区域供冷供热,实现能量梯级利用。 对余热资源的评价还与其利用方式有关。一般来说,余热利用可以分为三种基本形式,即余热的焓 利用,?利用和全利用。余热的洽利用是指仅与回收余热的“数量”有关,而与其温度水平无关的热利 用,一般可以根据热力学第一定律确定其利用效果;余热的?利用则从余热的“质量”进行评价,考察 回收余热可转化为有用的动力, 即最大可回收可用能; 而余热的全利用则是上述两种余热利用形式的结 合,即利用余热的焓,又同时利用余热的?。

1.1 常规烟气余热利用系统设计及综合优化
通过对热力学节能分析、传热学面积成本分析、流体力学阻力功耗分析、综合煤耗讨论等方面等到 了以下结论: (1)烟气余热利用的效果不仅受烟气侧温降水平的影响,还受汽水侧集成方案的影响,而且替代 抽汽级对节能效果有决定性的影响。 (2)从热力学角度来说,为了得到更好的节能效果,余热利用方案应该选择替代高级的抽汽。 (3)余热利用方案尤其是替代高级抽汽的方案,其换热温差较小,因此换热面积和烟风阻力较大, 导致其节能效果降低。 (4)结合热力学节能、传热学面积成本、流体力学阻力功耗以及技术经济投资效益的综合分析, 所得到的最优工作点,对提高电厂实际负荷运行的经济和安全性,有重要的指导意义。

1.2 高效烟气余热利用系统的节能分析
能量梯级利用原理:吴仲华教授从能量转化的基本定律出发,的“温度对口、梯级利用”方法,把 能源利用提高到系统高度来综合考虑能量转换过程中能的梯级利用, 通过对不同品位能量的合理安排以 及各系统构成的优化匹配,从而获得最好的整体效果。 过对烟气余热利用系统的热力学特性进行了深入分析后发现, 烟气余热利用系统经济性的提高, 与 烟气余热回收与利用过程的“能量匹配”关系密切,并采用能量梯级利用的方法对典型百万千瓦燃煤机 组的烟气余热利用系统进行了优化。 采用梯级利用的方法, 将高品质的热量用于排挤抽汽, 而将低品质的热量用于预热冷空气, 实现 “温 度对口,梯级利用”的科学用能,从而大幅度提高了系统的热力学特性和机组的经济性能。换热器布置 在旁路烟道中,既不会使空气预热器的传热量减少,也不会降低入炉热风温度而影响锅炉燃烧。优化方 案不仅能使系统节能获得最优经济效益, 而且最大限度减少了烟气余热利用系统优化过程对机组运行的 影响。

1.3 耦合机炉冷端优化的高效余热利用系统
耦合机炉冷端优化的高效烟气余热利用系统的结构图如图 1-1 所示:

图 1-1 耦合机炉冷端优化的高效烟气余热利用系统

研究者提出同时回收锅炉尾部烟气余热和汽轮机的低能级抽汽, 通过利用旁路烟道技术有效提升低 品位能级,设计出稱合机炉冷端优化的高效余热利用系统。如图 1-1 所示,其主要流程包括: (1) 空气侧,采用汽轮机排汽以及低压抽汽逐级对冷空气进行预热,预热后的空气再进入主空气预热 器进一步加热至所需温度; (2)锅炉省煤器出口的烟气同时进入主空气预热器和旁路烟道的第一、第二级烟水换热器,出口烟 气经锅炉尾部汇合后进入第三级烟水换热器,其后再进入除尘和脱硫装置; (3)第一级烟水换热器可用于加热汽轮机给水、替代部分高压抽汽,第二、三级烟水换热器也可用 于加热较高温度的凝结水、替代较高压力的抽汽; (4)可根据机组烟气温度水平、各级抽汽参数等,灵活设计不同的烟气余热利用方式以及各级烟水 换热器与汽轮机汽水系统的连接方式。 应用耦合机炉冷端优化的新型烟气余热利用系统,可以在满足受热面低温腐蚀的允许温度条件下, 较好地应用旁路烟道技术,从而有效提升低品位能源的能级。同时,由于机炉侧的低品位余热的节能潜 力得到了进一步的挖掘利用,机组的经济性显著提高。

1.4 欧洲高效余热利用系统

图 1-2 德国 Niederaussem 电厂 K 号机组余热利用简图

高效烟气余热利用典型系统如图 1-2,它是在传统余热利用的基础上,以能量梯级利用为准则,对 锅炉尾部空气预热器烟道和汽轮机回热系统进行了全面的设计改进。 为置换出高温烟气的部分热量, 该系统中利用前置式空气预热器预热低温空气, 降低锅炉排烟温度,

从而极大的提高了进入空气预热器进口空气温度, 还可降低主空气预热器的低温腐烛问题。 空气预热器 进口风温的上升必然导致空气在空气预热器中吸热量的减少,,从而分流部分烟气。将原有空气预热器 的部分烟道改造为分隔烟道的形式,主烟道为主空气预热器,旁路烟道中布置两级烟水换热器,利用置 换出的空气预热部分的高品位烟气热能加热回热系统中的高压给水和凝结水, 从而排挤高压虹和中压紅 抽汽,增加了机组出功。 由此可以看出该系统低温排烟的低品位热量,以预热空气的方式回收到炉侧的主空气预热器中,置 换出较高温烟气热能,最后再通过两级低温省煤器将热量返回汽轮机高中压虹高品位蒸汽中增加出功。 本质上看,系统利用低品位的热能到高品位热能的转换,必然会带来更好的系统效率。

2 换热器优化
换热器作为热量传递的通用设备, 广泛应用于高能耗行业, 因此通过优化设计提高换热器的性能对 于减小能量在传递过程中的不可逆耗散,提高能量的利用率,对于节能环保有着重要意义。 研究者基于熵产最小法、 (火积)散理论和场协同原理,开展了传热强化方面对换热器进行优化设 计,采用数值模拟方法分析了几种典型传热强化元件的传热强化机理。

2.1 基于嫡产最小法的换热器优化设计
以改进的熵产数为目标函数, 以遗传算法为工具对换热器进行优化设计。 选用基于遗传算法的多目 标优化解决上面提到的嫡产最小法在工程应用中存在的问题。 对式换热器的优化讨论基于以下的换热器 设计中的传统假设:忽略纵向导热,忽略势能和动能,忽略换热器与环境的热交换等。 把传热引起的嫡产和流动阻力引起的嫡产之和作为目标函数对换热器进行了优化设计, 得到了很好 的效果。 当以减少熵产数和优化多个目标为目的时: (1)换热器的性能随着改进嫡产数的减小而不断改善,当改进墒产数达到最小时,换热器性能达 到最优。随着改进嫡产数的减小,有效度增加,热容流率比减小。另外,泵功减小,但是传热单元数增 加。 (2)多目标优化方法避免了单目标方法中不能充分考虑阻力嫡产的缺点。因此,多目标优化方法 在工程实际中给出了更好的传热嫡产和阻力嫡产的 “折中” 。 此外, 多目标优化给出的是一系列最优解, 允许设计者根据设计要求和约束条件自主选择最终解,表现出了较强的灵活性。

2.2 基于场协同数最大的换热器优化设计
场协同原理是过增元院士等从温度梯度场和速度场相互配合的角度重新审视对流换热的物理机制, 把对流换热问题看作是具有“内热源”的导热问题,“内热源”的大小不仅取决于速度和温度梯度的绝 对值,还取决于它们之间协同的程度。 场协同数:场协同数则是为了表征流场与温度场的协同程度,从而开发对流换热强化的潜力。场协 同数计算公式如式 2-1

Fc ?
式中的被积分项可以表示为:

Nux
Rex Pr

= ? U ? ?T dy
0

1

?

?

2-1

U ? ?T ? U ?T cos ?

2-2

其中,θ 为流场与温度梯度场之间的夹角。由式 2-2 可见,当量热源的强度不仅取决于速度场、温 度梯度场和夹角三个物理量的绝对值, 还取决于这三个物理量间的相互协同。 在速度场和温度梯度场绝 对值一定的情况下,由式 2-2 可见夹角应尽量小(当θ <90°时)或θ 尽可能大(当θ >90°时)。

根据研究者的计算, 对总成本最小法和场协同数最大发的成本与收益进行对比, 换热器有效度随着 场协同数增加总体变化趋势是上升的, 改进嫡产数、 流体流动消耗的泵功和总成本随着场协同数的增加 总体趋势是减小的。值得注意的是虽然随着传热面积的增加初始投资成本增加,但总运行成本却大幅下 降。以场协同数最大为目标的换热器优化比传统以总成本最小为目标的优化更有优势。

2.3 基于(火积)耗散理论的换热器优化设计
经过推算,化简可以得到换热器内局部(火积)耗散率的表达式:
·

e ? ?

? ?T ?

2

? ?T ?

2-3

根据公式 2-3 可得道, 如果知道换热器内的温度梯度场和速度场就可以利用该公式求出换热器内的 局部(火积)耗散率。 研究者发现如果换热面积固定, 随着总 (火积) 耗散数的减小, 泵的功率急剧增加。 如果把传热 (火 积)耗散数和阻力(火积)耗散数当作两个独立的目标函数,对换热器进行多目标优化设计。在相同有 效度的条件下,多目标优化的结果具有较小的泵功,相对于单目标优化的结果,多目标优化后的泵功减 小了近 22.4%。因此,在热负荷给定情况下多目标优化比单目标优化更有优势。

3.火电厂热力系统的热力学分析 3.1.基于熵的理论对电厂热力系统进行的分析
热平衡方法只能从能量的数量方面分析能量的利用情况, 熵分析方法不但能反映电站锅炉的外部损 失如排烟、散热等损失,而且能揭示能量转换利用过程的内部损失,即不可逆过程损失。此外,熵分析 法还可以较为完善的分析电站锅炉中各受热面的能量利用情况。 3.1.1 锅炉生产过程宏观的熵分析 在电厂系统中,锅炉主要用于加热水,使之成为高品质的蒸汽,从而对汽轮机作功。锅炉部分的熵 增是由三部分组成:燃料燃烧化学能变成烟气高温热能的熵增;然后是热损失熵增;最后是传热熵增, 就是高温烟气热变成蒸汽热。 锅炉的熵增计算公式:

dSiso ? ?

?Q ?Q
TA ? TB

?0

2-4

但是简单的的应用上式必然是不全面的, 必须根据进入锅炉的化学能和出口工质的化学能之差作为 熵增。需要计算的熵包括: (1)燃煤带入的熵燃 (2)空气带入的熵 (3)给水和热水的熵

(4)从锅炉中带走的化学熵。 3.1.2.锅炉生产过程微观的熵分析 锅炉生产过程微观的熵包括:1 燃料燃烧化学能变成烟气的熵增,热损失熵增和烟气将热量传递给 水的熵增。 熵分析计算方法是一种先进的热经济分析方法, 它与目前通用的热效率分析方法不同, 熵分析方法 不仅考虑能量数量的差异而且考虑能量的质量即做功能力的不同。 在一般的锅炉系统改进中, 注意较多 的是那些伴随物流和能流散失而造成的外部损失, 这当然是重要的, 但正确的分析锅炉内部熵损失的大 小,确定它们对锅炉热经济的影响更为重要。因为它们往往是节能的内在潜力,这种内在潜力使用传统 的热平衡分析方法很难发现, 而熵分析方法对此具有独到的功能和效果。 因此采用熵分析方法可以更准 确的揭示电站锅炉中熵损失最大的环节,为改进设备、节约能源提供目标和对策。

3.2.基于?理论对电厂热力系统进行的分析
3.2.1 关于?的基本概念 1.?概念的提出 “?”这个名词,是在热力学和能源科学的发展中逐步形成的新概念,是 1956 年南斯拉夫学者 Rnat 首先提出来的,但有关的概念却可以追溯到 100 年以前。 1824 年卡诺关于能量的可用性分析,Tait 第一次提出了能量可用性的概念。确定了热量 Q 中的有 效部分和无效部分。??经过 100 多年的发展,到了 1956 年,Rnat 建议把在周围环境条件下系统的能量 中能最大限度地转变为有用功的那部分能量命名为 exergy(?)。Rnat 同时确定了火羽值的计算原则, 从而获得了科学地、定量地表示能质的方法。 2.??”的有关概念 (1)“?”的确切定义为:一切形式的能量或一定状态的物质,经过完全可逆的变化过程(传热、 传质、化学反应等),达 到与环境完全平衡的状态,在这个过程中该能量或物质所能做的最大功称为 ?,用符号 Ex 表示; (2)热量“?”:整个系统做的最大功,即为 W; (3)内能“?”:最大功还减去膨胀功,即反抗大气压力所需的能量。 (4) 稳流工质的焓 “?” :稳定物质流从任一给定状态流经开口系统以可逆的方式转变到环境状态, 并且只与环境交换热量时,所能做出的最大有用功,称为焓“?”,计算公式如式 3-1:

e ? h ? h0 ? T ?s ? s0 ?
另外稳定流动系统的“?”平衡方程:

3-1

?? ?1 - T ?
1

2

?

T0 q ? ? ?dQ ? E2 ? E1 ? WA ? Et H ?

(5)“?”效率:在系统或设备进行过程中,被利用或收益的佣 E 种与支出或耗费的佣 E。的比值。公式为 3-3:

?e ?

egain e pay

3-3

3.2.2“?”分析评价指标 于不同的对象, 有一些反映不同对象特征的指标。 我们可以用以下性能指标来评定加热器设备的用 能合理性: (1)设备的目的“?”效率; (2)设备过程的“?”损率; (3)设备过程的“?”损系数 ; (4)单位“?”耗 ; (5)煤耗增量 。 3.2.3 电厂热力系统“?”分析 火电厂热力系统十分复杂, 但是根据它的主要设备环节的结构和相互之间的关系, 我们可以按照其 自身特点将其划分为:锅炉系统、汽轮机系统、 凝汽器系统、回热加热系统和管道系统, 小汽机等单元。 机组热力系统单元如图 3-1 所示:

图 3-1 机组热力系统单元划分

通过热力学第二定律热力系统 “?” 分析可以得出, 除氧器单元和凝汽器单元是系统最薄弱的环节, 另外变工况运行时, 第一级高压加热器抽汽单元和末级低压加热器抽汽单元节能潜力也很大, 根据火用 分析的变化规律可以为汽轮机热力系统的安全、经济运行的优化提供一定的科学依据。 通过对热力系统各小系统结构优化,包括轴封渗漏系统、厂用蒸汽系统、过热器喷水减温系统过、 热器喷水减温系统,找到了到了该机组热力系统设计环节的漏洞,为机组提高热经济性奠定了基础。


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