汽轮机高位布置超超临界燃煤发电系统变工况㶲经济性分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23019

汽轮机高位布置超超临界燃煤发电系统变工况㶲经济性分析

李延兵¹, 贾树旺¹, 张军亮¹, 符悦², 刘明², 严俊杰²

1.国能锦界能源有限责任公司, 陕西省榆林市 719319

2.动力工程多相流国家重点实验室(西安交通大学), 陕西省西安市 710049

Exergy Economic Analysis of Ultra-Supercritical Coal-Fired Power Plants With High-Level Layout of Turbine Under Load-Cycling Conditions

LI Yanbing¹, JIA Shuwang¹, ZHANG Junliang¹, FU Yue², LIU Ming², YAN Junjie²

1.Guoneng Jinjie Energy Co. , Ltd. , Yulin 719319, Shaanxi Province, China

2.State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering (Xi’an Jiaotong University), Xi’an 710049, Shaanxi Province, China

收稿日期: 2023-02-20

基金资助:

国家自然科学基金项目. 52022079

Received: 2023-02-20

作者简介 About authors

李延兵(1979)，男，博士，正高级工程师，主要从事燃煤电厂节能和污染控制技术研究，16850099@chnenergy.com.cn；

严俊杰(1967)，男，博士，教授，主要从事热力系统节能控制与仿真、汽液两相流方面的研究，本文通信作者，yanjj@mail.xjtu.edu.cn。

摘要

可再生能源的迅速普及给电网的稳定性和可靠性带来了挑战，为了解决此问题，燃煤机组承担了调峰调频的主要任务。汽轮机高位布置技术可大幅减少耐高温材料的用量，从而提高超高参数机组的经济性。为获得汽轮机高位布置超超临界燃煤发电机组的变负荷性能，建立了㶲分析和㶲经济性分析模型，分析了不同负荷下机组的㶲经济性，获得了机组变负荷的不可逆性分布。分析结果表明：通过对系统参数进行优化，可以改善高压加热器的㶲效率；采用汽轮机高位布置技术的燃煤机组的度电成本为0.332 4元/(kW⋅h)；发电的㶲价格随着负荷的升高而降低。

关键词： 超超临界 ; 燃煤发电 ; 火力发电 ; 汽轮机 ; 高位布置 ; 节能减排 ; 㶲经济性

Abstract

The rapid penetration of intermittent renewable power puts pressure on the stability and reliability of power grids. To address this tissue, coal-fired power plants play an increasingly important role in providing the peak shaving service. Moreover, the high-level layout of turbine can significantly reduce the amount of high temperature resistant materials and thus improve the economics of ultra-supercritical coal-fired power plants. The exergy and exergy economic models were developed to obtain the performance of ultra-supercritical coal-fired power plants with high-level layout of turbine under load-cycling operation conditions. By analyzing the exergy economic of coal-fired power plants under different loads, and the distribution of irreversibilities was obtained. The results show that the exergy efficiency of the high pressure turbine can be improved by optimizing the parameters. Moreover, the cost of electricity per unit with the high-level layout is 0.332 4 yuan/(kW⋅h). The exergy price of electricity generation decreases with the increase of load.

Keywords： ultra-supercritical ; coal-fired power generation ; thermal power generation ; turbine ; high-level layout ; energy saving and emission reduction ; exergy economy

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本文引用格式

李延兵, 贾树旺, 张军亮, 符悦, 刘明, 严俊杰. 汽轮机高位布置超超临界燃煤发电系统变工况㶲经济性分析. 发电技术[J], 2024, 45(1): 69-78 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.23019

LI Yanbing, JIA Shuwang, ZHANG Junliang, FU Yue, LIU Ming, YAN Junjie. Exergy Economic Analysis of Ultra-Supercritical Coal-Fired Power Plants With High-Level Layout of Turbine Under Load-Cycling Conditions. Power Generation Technology[J], 2024, 45(1): 69-78 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.23019

0 引言

燃煤发电是电力供应的主要形式，国际能源署( International Energy Agency，IEA)在《2021年煤炭报告》中称，2021年电力需求增长超过了低碳能源供给能力，导致燃煤发电厂的发电量猛增9%^[1]。在经历2021年的能源短缺危机后，煤炭等传统能源在现阶段的能源系统中仍占据主导地位。然而，煤炭作为全球电力发展的基石，发展节能减排技术至关重要^[2-3]。

节能减排作为我国火力发电行业的研究热点，目前研究主要集中在降低热端不可逆损失、减少系统内部不可逆损失及降低冷端不可逆损失3个方面^[4]。在降低热端不可逆损失的研究中，以提高主蒸汽和再热蒸汽参数作为优化的主要手段，高参数超超临界燃煤发电技术能够有效提升机组效率，并且减少温室气体的排放^[5-8]。但是，由于耐高温材料阻碍高参数超超临界燃煤发电技术的发展^[9]，目前的主蒸汽温度最高为605 ℃，再热蒸汽温度最高达到620 ℃^[10]。机组的冷端受限于地理条件，这部分不可逆损失的研究主要集中于冷端构型设计^[11]。

除了通过提高热端参数和降低冷端参数来提升机组效率，还可以通过调整机组的三维结构^[12]来提升机组的经济性。采用汽轮机高位布置技术能大幅减少耐高温管道的使用，从而提升机组的经济性^[13-15]。虽然目前汽轮机高位布置技术已经成熟^[16-17]，但是现有研究大多从热力学第一定律的角度进行分析^[18-20]，鲜少对采用汽轮机高位布置技术的机组不可逆性进行分析。

通过㶲分析可以评估系统的不可逆性分布，为系统优化提供参考^[21]。采用汽轮机高位布置的燃煤机组热力性能变化规律与常规布置机组相似^[22]，但是就投资成本而言，采用汽轮机高位布置的燃煤机组土建结构投资成本比常规布置机组成本高。因此，有必要对采用汽轮机高位布置的燃煤机组的㶲经济性变化规律进行研究。

为此，本文建立采用汽轮机高位布置技术的燃煤机组的㶲模型和㶲经济性模型，分析机组变工况下的流股、设备㶲效率变化以及成本变化，为后续机组的优化研究提供参考。

1 汽轮机高位布置技术的㶲和㶲经济性分析模型

汽轮机系统由回热加热器、凝汽器、汽轮机本体等设备构成，基于热力学第二定律建立机组的㶲模型，统筹汽轮机高位布置技术的实际运行情况，建立㶲经济性分析模型。

1.1 㶲分析模型

物质的㶲表示该物质所具有的最大能量，㶲分析从能量的数量和质量2个方面揭示出装置或设备在能量中㶲的传递、转换、利用和损失情况，从而分析系统损失的原因、部位，进而提出改进方向。

假定㶲分析的环境参数如下：压力p₀=0.1 MPa，温度T₀=298.15 K。燃煤发电机组以水为介质，单位质量水的㶲计算公式^[23-24]如下：

e_{x} = (h - h_{0}) - T_{0} (s - s_{0})

(1)

式中：h为单位质量水的焓值，kJ/kg；h₀为环境条件下单位质量水的焓值，kJ/kg；s为单位质量水的熵值，kJ/(kg⋅K)；s₀为环境条件下单位质量水的熵值，kJ/(kg⋅K)。

燃煤发电机组以煤为载体，单位质量煤的㶲计算公式如下：

\begin{array}{l} e_{c o a l} = q_{n e t} (1.006 4 + 0.151 9 \frac{w_{H}}{w_{C}} + \\ 0.061 6 \frac{w_{O}}{w_{C}} + 0.042 9 \frac{w_{N}}{w_{C}}) \end{array}

(2)

式中：q_net为煤的低位发热量，kJ/kg；w_H、w_C、w_O、w_N分别为煤中H、C、O、N的质量分数，%。

对于整个热力系统，定义系统的燃料㶲、成本㶲、㶲损失和㶲耗散，具体㶲方程如下：

E_{F, t o t} - E_{P, t o t} = E_{D, t o t} + E_{L, t o t} = \sum_{k} E_{D, k} + \sum_{k} E_{L, k}

(3)

ε_{t o t} = E_{P, t o t} / E_{F, t o t}

(4)

y_{D, t o t} = E_{D, t o t} / E_{F, t o t}

(5)

y_{L, t o t} = E_{L, t o t} / E_{F, t o t}

(6)

式中：E_F,tot为系统的燃料㶲，kJ/kg；E_P,tot为系统的产品㶲，kJ/kg；E_D,tot为系统的㶲耗散，kJ/kg；E_L,tot为系统的㶲损失，kJ/kg；E_D,_k 、E_L,_k 分别为系统中部件k的㶲耗散、㶲损失，kJ/kg；ε_tot为系统的㶲效率；y_D,tot为系统的㶲耗散系数；y_L,tot为系统的㶲损失系数。

对于汽轮机高位布置技术的燃煤发电机组，部件k的㶲方程表示如下：

E_{F, k} - E_{P, k} = E_{D, k}

(7)

ε_{k} = E_{P, k} / E_{F, k}

(8)

y_{D, k} = E_{D, k} / E_{F, k}

(9)

式中：E_F,_k 为部件k的燃料㶲，kJ/kg；E_P,_k 为部件k的产品㶲，kJ/kg；ε_k 为部件k的㶲效率；y_D,_k 为部件k的㶲耗散系数。

1.2 经济性分析模型

典型的超超临界一次再热的发电机组成本约为5亿美元^[25]，采用汽轮机高位布置技术的发电机组增加了发电机组的购置成本，主要体现在剪力墙的费用上，该费用属于机组的固定成本，假定电厂运行年限为30年，与机组经济分析有关的参数如表1所示。采用总收入(total revenue requirement，TRR)方法^[26]计算得到采购设备成本C_PE和固定资本成本C_FC (C_FC=C_PEF_BM，其中F_BM为模块因子)，成本按照化工工厂成本指数(chemical engineering plant cost index，CEPCI)上升到参考年。

表1 与经济分析有关的参数

Tab. 1 Parameters related to economic analysis

参数	数值
平均年利率i_eff/%	10
维修名义上升比率r_no/%	3
燃料名义上升比率r_nf/%	3.5
电厂运行年限n/a	30
平均年运行时间N_op/h	4 800

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根据火电工程限额设计参考造价指标中的数据^[27]，建立采用汽轮机高位布置技术的机组各部件购置成本(C_PE,_k )的模型^[28]。

锅炉的成本一般占燃煤机组购置成本的50%^[29]，其计算公式如下：

\begin{array}{l} {C_{P E,}}_{b} = a_{b} e x p [0.08 l o g ({\dot{m}}_{s h})] [1.0 + \\ {(\frac{1 - η_{b r}}{1 - η_{b}})}^{7}] e x p (\frac{p_{s h} - p_{s h r}}{15}) [1.0 + \\ \frac{5 e x p (t_{s h} - t_{s h r})}{75}] [1.0 + \frac{t_{s h} - t_{f w}}{t_{s h}} + \\ \frac{{\dot{m}}_{r h} (t_{r h o} - t_{r h i})}{{\dot{m}}_{s h} t_{r h o}}] \end{array}

(10)

式中：a_b为与锅炉面积有关的成本系数； ${\dot{m}}_{s h}$ 为机组的主蒸汽质量流量，kg/s；η_b为锅炉效率；η_br为锅炉的最大效率，取值为0.98；p_sh为主蒸汽压力，MPa；p_shr为主蒸汽的最大压力，取值为50 MPa；t_sh为主蒸汽温度，℃；t_shr为主蒸汽的最大温度，取值为850 ℃；t_fw为锅炉给水温度，℃； ${\dot{m}}_{r h}$ 为再热蒸汽的质量流量，kg/s；t_rho为再热蒸汽的出口温度，℃；t_rhi为再热蒸汽的入口温度，℃。

汽轮机成本计算公式如下：

\begin{array}{l} {C_{P E,}}_{s t} = a_{s t} [1.0 + 5 e x p (\frac{t_{s t i} - t_{s t i r}}{10.42})] \cdot \\ [1.0 + {(\frac{1 - η_{s r}}{1 - η_{s}})}^{3}] {\dot{W}}_{s t}^{0.7} \end{array}

(11)

式中：a_st为与汽轮机输出功率有关的成本系数；t_sti为汽轮机入口温度，℃；t_stir为汽轮机入口的最大温度，取值为850 ℃；η_s为汽轮机等熵效率；η_sr为汽轮机的最大等熵效率，取值为0.95； $\dot{W}$ _st为汽轮机输出功率，kW。

回热加热器的成本一般与换热器的端差有关，其计算公式如下：

{C_{P E,}}_{f d h} = a_{f d h} Q_{f d h} {(\frac{1}{Δ t_{u t} + 4})}^{0.1}

(12)

式中：a_fdh为与回热加热器换热量有关的成本系数；Q_fdh为回热加热器的换热量，kW；Δt_ut为回热加热器的上端差，℃。

除氧的成本计算公式如下：

{C_{P E,}}_{d e} = a_{d e} {\dot{m}}_{d e}^{0.7}

(13)

式中：a_de为与除氧器中质量流量有关的成本系数； $\dot{m}$ _de为除氧器的质量流量，kg/s。

凝汽器成本与凝汽器的面积有关，其计算公式如下：

{C_{P E,}}_{c d} = a_{c d} \sum A_{c o n d}

(14)

式中： $a_{c d}$ 为与面积有关的成本系数；A_cond为凝汽器的面积。

泵的成本一般与泵的功率有关，其计算公式如下：

{C_{P E,}}_{p u m p} = a_{p u m p} {\dot{W}}_{p u m p}^{0.71} [1 + {(\frac{1 - η_{p s r}}{1 - η_{p s}})}^{3}]

(15)

式中：a_pump为与回热加热器换热量有关的成本系数； $\dot{W}$ _pump为泵的输入功率，kW； $η_{p s}$ 为泵的等熵效率； $η_{p s r}$ 为泵的最大等熵效率，取值为0.95。

电机的成本计算公式如下：

{C_{P E,}}_{e g} = a_{e g} {\dot{W}}_{e g}^{0.95}

(16)

式中：a_eg为与电机输入功率有关的成本系数； $\dot{W}$ _eg为电机的输入功率，kW。

机组的平均年燃料费用计算公式如下：

C_{F L} = {\dot{m}}_{c o a l} c_{c o a l} q_{n e t} N_{o p} C_{E L F},_{c o a l}

(17)

式中： ${\dot{m}}_{c o a l}$ 为煤耗量，kg/h； $c_{c o a l}$ 为基于煤的低位发电量的煤价，元/kJ； $C_{E L F},_{c o a l}$ 为平均煤价变化系数，元/kJ。

平均变化系数的计算公式如下：

C_{E L F} = \frac{1 + r_{n}}{i_{e f f} - r_{n}} [1 - {(\frac{1 + r_{n}}{1 + i_{e f f}})}^{n}] C_{R F}

(18)

式中：电厂运行年限n一般为25~30 a；r_n为电厂投资成本平均变化系数(计算煤的成本C_FL时取值为3.5%，计算电厂维修成本C_OML时取值为3%)；C_RF为资本回收系数，计算式为

C_{R F} = \frac{i_{e f f} (1 + i_{e f f})^{n - 1}}{(1 - i_{e f f})^{n} - 1}

(19)

依据文献[30]，平均工程费用C_EL和平均维修费用C_OML依据电厂的总投资成本C_TI计算可得，其中：

C_{T I} = γ \sum C_{P E, k}

(20)

C_{E L} = C_{T I} C_{R F}

(21)

C_{O M L} = φ C_{T I} C_{E L F, O M L}

(22)

式中：C_PE,_k 为系统中设备k的投资成本，元； $C_{E L F, O M L}$ 为电厂维修成本C_OML的平均变化系数；γ通常取4.75，φ通常取0.06^[30]。

1.3 㶲经济性分析模型

为了进一步研究系统的㶲流情况和设备运行情况，文献[25]提出了通用的㶲经济性分析(specific exergy costing，SPECO)方法，通过计算物质、设备的㶲以及成本的关系，可以得到每股㶲的成本，其中流股i的总㶲成本计算公式如下：

C_{i} = c_{i} E_{i} = c_{i} {\dot{m}}_{i} e_{i}

(23)

式中：c_i 为流股i单位能量的㶲成本，元/kJ；E_i 为流股i的㶲，kW； $\dot{m}$ _i 为流股i的质量流量，kg/s；e_i 为流股i的单位㶲，kJ/kg。

系统中做功量和热量的成本计算公式分别如下：

C_{w} = c_{w} W

(24)

C_{q} = c_{q} E_{q}

(25)

式中：C_w为做功量的㶲成本，元/s；c_w为做功量的单位㶲成本，元/kJ；W为做功量的㶲，kW；C_q为热量的㶲成本，元/s；c_q为热量的单位㶲成本，元/kJ；E_q为热量的㶲，kW。

出入口设备的㶲经济性平衡公式如下：

\sum_{} (c_{o u t} E_{o u t})_{k} + c_{w, k} W_{k} = c_{q, k} E_{q, k} + \sum_{} (c_{i n} E_{i n})_{k} + Z_{k}

(26)

Z_{k} = \frac{C_{O M L} + C_{E L}}{N_{O P} \cdot w} \times \frac{C_{P E, k}}{\sum C_{P E, k}}

(27)

式中：c_out为设备出口的单位㶲成本，元/kJ；E_out为设备出口的㶲，kW；c_in为设备入口的单位㶲成本，元/kJ；E_in为设备入口的㶲，kW；c_w,_k 为设备做功量的单位㶲成本，元/kJ；W_k 为设备的做功量，kW；c_q,_k 为设备热量的单位㶲成本，元/kJ；E_q,_k 为设备的收益㶲，kW；w为机组的年平均负荷率；Z_k 为设备k的成本，元/s。

2 汽轮机高位布置技术的机组模型

2.1 机组介绍

采用汽轮机高位布置技术的机组与常规机组的主要区别在于汽轮机运转层和排汽管道层的标高，采用汽轮机高位布置技术的汽轮机运转层的标高为65 m，排汽管道层的标高为43 m。采用汽轮机高位布置技术的发电机组系统图如图1所示，锅炉为一次中间再热、超临界压力、变压运行的π型直流锅炉；汽轮机为一次中间再热空冷式机组，主蒸汽压力及温度分别为25.8 MPa、600 ℃，一次再热蒸汽压力及温度分别为5.4 MPa、620 ℃，排汽压力为10.5 kPa。

图1

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图1 采用汽轮机高位布置技术的机组系统图

1—37为机组中各流股的编号；HT1—HT4为高压加热器，HT6—HT9为低压加热器，加热器按照抽汽压力由大到小编号；SCR为选择性催化还原。

Fig. 1 System diagram of the unit with high-level layout technology of turbine

2.2 汽轮机高位布置技术的模型验证

为了验证采用汽轮机高位布置技术的发电机组变工况计算模型的可靠性，在汽轮机热耗率验收(turbine heat acceptance，THA)、75%THA、50%THA、30%THA以及汽轮机额定功率(turbine rated power，TRL)工况下，对汽轮机变工况计算结果与原则性热力系统图进行对比，机组的主要参数如表2所示，回热系统相关参数如表3所示。

表2 机组的主要参数

Tab. 2 Main parameters of the unit

参数	数值
额定功率/MW	660
主蒸汽压力/MPa	25.823
主蒸汽温度/℃	600
再热蒸汽压力/MPa	5.427
再热蒸汽温度/℃	620
额定主蒸汽流量/(t⋅h^-1)	1 889.49
额定背压/kPa	10.5

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表3 机组100%THA工况下回热系统参数

Tab. 3 Parameters of regenerative system under 100%THA condition of the unit

参数	回热加热器
参数	HT2	HT3	HT4	HT5	HT6	HT7	HT8	HT9
温度/℃	464.10	422.20	365.10	501.60	386.30	294.00	243.20	130.10
压力/MPa	11.48	8.77	5.90	2.60	1.20	0.59	0.37	0.12

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汽轮机抽汽压力模拟数据和实际数据对比如表4所示。各级抽汽压力绝对误差均在0.1 MPa之内，模型计算精度满足要求。

表4 汽轮机抽汽压力模拟数据和实际数据对比

Tab. 4 Comparison of simulated and actual turbine pumping pressure data

工况	参数	汽轮机抽汽压力/MPa
工况	参数	p₁	p₂	p₃	p₄	p₅	p₆	p₇	p₈	p₉
THA	原始数据	11.477	8.769	5.899	2.600	1.197	0.591	0.371	0.117	0.046
	计算数据	11.477	8.769	5.899	2.600	1.197	0.591	0.371	0.117	0.046
	绝对误差	0	0	0	0	0	0	0	0	0
75%THA	原始数据	8.409	6.463	4.360	1.940	0.917	0.455	0.287	0.091	0.036
	计算数据	8.409	6.463	4.360	1.940	0.917	0.455	0.287	0.091	0.036
	绝对误差	0	0	0	0	0	0	0	0	0
50%THA	原始数据	5.675	4.383	2.959	1.330	0.643	0.321	0.203	0.064	0.025
	计算数据	5.675	4.383	2.959	1.330	0.643	0.321	0.203	0.064	0.025
	绝对误差	0	0	0	0	0	0	0	0	0
TRL	原始数据	11.477	8.769	5.899	2.600	1.197	0.591	0.371	0.117	0.046
	计算数据	11.477	8.769	5.899	2.600	1.197	0.591	0.371	0.117	0.046
	绝对误差	0	0	0	0	0	0	0	0	0

注：p₁, p₂, … , p₉分别为1—9级抽汽压力(数值由大到小排列)。

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3 结果与讨论

3.1 㶲分析

通过模拟得到了100%THA工况下采用汽轮机高位布置技术的燃煤机组的锅炉和汽轮机各设备的㶲效率变化情况(在该工况下运行时，去掉了最后一级高压加热器)。锅炉中各设备的温度和㶲效率变化如图2所示，可以看出，锅炉中炉膛的烟气和水换热的㶲效率最低，这是因为该过程中水由液态水转化为气态水，热量主要用于增加水的显热。回热加热器的温度和㶲效率变化如图3所示，可以看出，回热加热器中高压加热器的㶲效率明显低于低压加热器，存在较大的不可逆性，可通过优化高压加热器部分，减小系统的不可逆性，从而提高机组的效率。

图2

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图2 锅炉中各设备的温度和㶲效率变化

a—炉膛；b—屏式过热器；c—高温过热器；d—高温再热器；e—低温再热器垂直段；f—低温过热器；g—低过侧省煤器；h—低温再热器水平段；i—低再侧省煤器；j—分级省煤器；k—空气预热器。

Fig. 2 Change of temperature and exergy efficiency of each equipment in the boiler

图3

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图3 回热器加热器的温度和㶲效率变化

HT2—HT9为回热加热器；FP为给水泵。

Fig. 3 Change of temperature and exergy efficiency of regenerator heater

3.2 㶲经济性分析

选取的煤种为神华煤种，其特性参数如表5所示。根据2019—2021年的平均煤价^[31]，选取的煤价为0.03元/MJ。根据国华锦界电厂的数据建立成本模型，锅炉中各设备尺寸及材料参数^[32]如表6所示。不同类型组件的质量因子F_BM^[32]如表7所示。受限于地理环境因素，机组采用空冷凝汽器，具体的布置方案为8×8，每台机组共有640片换热管束，其中顺流管束480片，逆流管束160片。

表5 煤种特性参数

Tab. 5 Characteristic parameters of coal types

参数	设计煤种	校核煤种
低位发热量/(kJ/kg)	19 652	18 057
水分质量分数/%	16.01	21.00
灰分质量分数/%	17.32	16.02
干燥无灰基挥发分质量分数/%	37.66	33.33
C质量分数/%	52.50	49.10
H质量分数/%	3.03	2.86
O质量分数/%	9.96	9.82
N质量分数/%	0.54	0.51
S质量分数/%	0.64	0.68
可磨性系数	63	62

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表6 锅炉中各设备尺寸及材料参数

Tab. 6 Dimensions and material parameters of each equipment in the boiler

受热面名称		管道尺寸		受热面积/m²	材料	总质量/t	质量因子F_BM
受热面名称		直径/mm	壁厚/mm	受热面积/m²	材料	总质量/t	质量因子F_BM
炉膛	螺旋水冷壁	35.0	6.5	9 000	15CrMo	457	1.0
炉膛	垂直水冷壁	32.0	8.0	4 600	12CrMoG	238	1.0
屏式过热器		51.0	8.0/9.0	4 500	SA-213TP347H	300	3.0
高温过热器		51.0	6.0/8.0	6 500	SA-213TP347H	320	3.0
高温再热器		44.5	6.5/9.0	9 000	SA-213T92	350	3.0
低温再热器垂直段		51.0	6.9/9.0	3 000	SA-213T91	600	1.5
低温再热器水平段		51.0	6.9/10.0	2 000	SA-213T92	600	1.5
低温过热器		51.0	8.0/10.0	4 018	12CrMoVG， 15CrMoG	120	1.0
低过侧省煤器		51.0	9.0	15 000	SA-201C	900	0.8
低再侧省煤器		51.0	9.0	15 000	SA-202C	900	0.8
分级省煤器		51.0	9.0	30 000	SA-203C	1 000	0.8

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表7 机组中各设备的质量因子

Tab. 7 Quality factors of each equipment in the unit

设备名称	质量因子F_BM
锅炉及其各附件	2.8
汽轮机	6.0
电机	1.7
空气式凝汽器	2.5
泵	1.5

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整个燃煤机组的成本接近3 400元/kW，低于常规660 MW机组的成本。根据各组分C_PE,_k 的占比，得到平均工程费用C_EL、平均维修费用C_OML和平均年燃料费用C_FL占12亿元平均年支出的27%、7%和66%，最终的度电成本为0.332 4元/(kW⋅h)，这与电站公布的上网电价0.33元/(kW⋅h)^[4]相吻合。

各流股的㶲和㶲经济性数据如表8所示，各设备的㶲和㶲经济性分析如表9所示。在燃煤系统中，化学反应和传热过程一直是机组中熵产的最大来源。通过分析各流股的成本变化，得到优化程度最大的部件为低压加热器。

表8 机组的㶲和㶲经济性数据

Tab. 8 Exergy and exergy economic data of the unit

流股编号	压力/MPa	温度/℃	质量流量/(kg/s)	焓值/(kJ/kg)	㶲/MW	价格/(元/MJ)
2	25.820 0	600	521	3 486	833.78	1
3	11.480 0	464	0	3 259	0	1
4	8.770 0	422	37	3 186	46.87	1
5	5.900 0	365	485	3 088	572.32	1
6	5.900 0	365	51	3 088	60.40	1
7	5.900 0	365	434	3 088	511.92	1
8	5.430 0	620	434	3 710	670.40	0.374 3
9	2.600 0	502	23	3 465	29.80	0.374 3
10	1.200 0	386	20	3 232	20.95	0.374 3
11	0.590 0	294	12	3 050	10.07	0.374 3
12	0.580 0	294	379	2 952	325.79	0.374 3
13	0.370 0	243	23	2 952	17.47	0.374 3
14	0.120 0	130	17	2 735	8.87	0.374 3
15	0.050 0	79	18	2 594	6.68	0.374 3
16	0.010 5	47	230	2 410	35.41	0.374 3
17	0.010 5	47	390	200	4 736.47	0.465 4
18	3.710 0	75	390	316	1.32	0.466 1
19	3.710 0	100	390	421	7.52	0.228 9
20	3.710 0	136	390	575	14.57	0.228 4
21	3.710 0	153	390	648	28.81	0.088 3
22	1.130 0	185	521	787	37.03	0.296 2
23	38.740 0	191	521	829	93.98	0.296 2
24	38.740 0	223	521	971	121.97	0.203 1
25	38.740 0	273	521	1 194	171.72	0.271 8
26	38.740 0	301	521	1 331	205.20	0.115 4
27	10.990 0	307	0	1 381	0.00	1
28	8.520 0	278	37	1 226	11.79	1
29	5.730 0	229	88	985	18.99	1
30	2.470 0	196	111	835	17.32	0.406 6
31	0.560 0	142	12	596	0.91	0.406 6
32	0.350 0	105	35	442	1.36	0.406 6
33	0.110 0	80	17	336	0.33	0.406 6
34	0.040 0	52	35	219	0.17	0.406 6
35	38.740 0	273	521	1 194	171.72	0

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表9 各设备的㶲和㶲经济性分析

Tab. 9 Exergy and exergy economic analysis of each equipment

设备k	E_F,_k /kW	E_P,_k /kW	E_D,_k /kW	Z_k /(元/s)	c_F,_k /(元/kJ)	c_P,_k /(元/kJ)
HP1	125.57	118.45	7.12	1.53	1.000 0	1.073 0
HP2	39.15	37.73	1.41	0.65	1.000 0	1.054 7
HP3	49.87	47.55	2.32	0.77	1.000 0	1.065 0
IP1	111.20	106.31	4.89	1.41	0.374 3	0.404 8
IP2	98.80	95.63	3.17	1.33	0.374 3	0.400 6
IP3	68.22	65.74	2.49	1.00	0.374 3	0.403 7
LP1	36.48	34.26	2.22	0.60	0.374 3	0.416 0
LP2	75.71	70.53	5.17	1.04	0.374 3	0.416 5
LP3	47.61	43.61	4.00	0.72	0.374 3	0.425 1
LP4	61.95	53.60	8.35	0.43	0.374 3	0.448 2
HT1	0	0	0	0.53	1.000 0	0
HT2	34.95	33.47	1.48	0.53	1.000 0	0.115 4
HT3	53.01	49.75	3.26	0.87	1.000 0	0.271 8
HT4	31.30	27.99	3.31	0.55	0.374 3	0.203 1
HT5	36.23	34.96	1.26	1.28	0.374 3	0.296 2
HT6	9.07	8.22	0.85	0.21	0.374 3	0.088 3
HT7	16.84	14.24	2.60	0.45	0.374 3	0.228 4
HT8	8.42	7.05	1.37	0.30	0.374 3	0.228 9
HT9	6.67	6.21	0.47	0.34	0.374 3	0.466 1

注：c_F,_k 、c_P,_k 分别为燃料和产品的单位㶲成本；HP1—HP3、IP1—IP3、LP1—LP3分别为高、中、低压缸机组；HT1—HT9为回热加热器。

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3.3 变工况㶲经济性分析

采用汽轮机高位布置技术的燃煤机组变工况时，锅炉的㶲效率降低，但是回热加热器的㶲效率不变，如图4所示。当机组负荷为100%THA时，锅炉的㶲效率为48.3%；当机组负荷为40%THA时，锅炉的㶲效率为44.7%。

图4

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图4 变负荷工况下的㶲效率

Fig. 4 Exergy efficiency under variable load conditions

在变工况运行时，发电的平均㶲价格变化如图5所示。当机组负荷为100%THA时，发电㶲价格为0.030 2元/kJ；当机组负荷为40%THA时，发电㶲价格为0.075 8元/kJ。因此，当机组满负荷运行时，机组的经济性更优。

图5

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图5 变负荷工况下的发电㶲价格

Fig. 5 Exergy cost of electricity under variable load conditions

4 结论

建立了采用汽轮机高位布置技术的燃煤机组的㶲模型和㶲经济性模型，得到了机组不可逆性分布，分析了燃煤机组变工况下的流股、设备㶲效率变化以及成本变化，得到如下结论：

1）通过对锅炉各部件的㶲效率进行分析发现，炉膛的㶲效率最低，这主要是由化学反应以及辐射传热的损失过大导致的。

2）从机组的不可逆性分布可知，回热加热器中高压加热器的㶲效率存在较大的不可逆性，可通过优化该部分来减小系统的不可逆性，从而提高机组的效率。

3）通过对流股和设备的㶲成本进行分析，得到采用汽轮机高位布置技术的燃煤机组度电成本为0.332 4元/(kW⋅h)。

4）发电的㶲价格随着负荷的下降而升高，下一步可通过减小低负荷运行时机组的不可逆性来降低低负荷的发电㶲价格。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

， LIU

， WANG

，et al ．

Energy，exergy，exergoeconomic，and environmental analyses and multi-objective optimization of a biomass-to-energy integrated thermal power plant

[J]．Alexandria Engineering Journal，2022，61(7)：5629-5648． doi:10.1016/j.aej.2021.11.016