1、燃機與鍋爐機組耦合系統(tǒng) 降低火力發(fā)電廠廠用電率研究李建鋒中國電力企業(yè)聯(lián)合會科技開發(fā)效勞中心，北京市西城區(qū)，100055摘要： 通過移植渦扇航空發(fā)動機技術， 本文提出了一種燃機與鍋爐的耦合系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，燃機的燃燒室由一 個間壁式高溫換熱器取代.該系統(tǒng)的工作原理如下，風機出口的空氣分成兩個局部， 大局部空氣經(jīng)過空預器進入鍋 爐助燃；少局部空氣那么進入壓氣機，在壓氣機里面增壓以后進入間壁式換熱器中吸收熱量，升溫后的高溫高壓空氣 驅(qū)動透平做功，透平排出的熱風進入爐膛作為鍋爐的一次風或者二次風助燃，透平的輸出功除了驅(qū)動壓氣機以外， 剩余功率將可以驅(qū)動風機或者給水泵或者直接用來發(fā)電，因此廠用電率大大降

2、低。在該系統(tǒng)中，由于透平的排氣既 是放熱過程，但同時又是回熱過程，所以對于燃機系統(tǒng)來說，其熱效率與鍋爐的熱效率相同。計算結果說明，在透 平最高進口溫度為 700條件下，耦合了燃機系統(tǒng)以后，某350MW鍋爐機組的廠用電率最多可以降低3， 供電煤耗 最多可以降低10g/kWh以上， 系統(tǒng)的經(jīng)濟性大大提高。 初步的經(jīng)濟性分析結果說明，該系統(tǒng)的投資回收期約為5.4 年，該系統(tǒng)同時與采用汽泵降低廠用電率的方式做了比擬。關鍵詞：鍋爐機組;燃機;廠用電率;耦合系統(tǒng)第七屆全國電站鍋爐專業(yè)技術交流年會效率，所以推廣起來有很大的困難。隨著石油價格的一i斷上漲，在航空運輸領域，越來越多的飛機采用了渦輪風扇發(fā)動機或者

3、渦輪 螺旋槳發(fā)動機，其原理為利用燃氣輪機(即核心機)驅(qū)動風扇或者螺旋槳，從而使飛機狹得吏大的 推力。在渦輪風扇航空發(fā)動機rfl，流經(jīng)風扇或者螺旋槳的空氣流量較大，但是增壓比卻不高，兇此 如果能夠利用風扇或者螺旋槳替代一、二次風機用于電廠，而利用鍋爐燃煤釋放出來的熱量加熱燃 氣輪機內(nèi)的空氣，可能是降低廠用電的一個有效措施。這樣就構成了一個小型的外燃式燃機與鍋爐 的相互耦合系統(tǒng)。如果這個系統(tǒng)所發(fā)出的功率除了能夠提供一次、二次風機所消耗的功耗以外，還 有充裕，那么可以用來驅(qū)動其他輛機設備，從而進一步提高系統(tǒng)的效率。為此，2021年3月，q，電 聯(lián)科技開發(fā)效勞|J心提交了該技術的專利申請(申請?zhí)枺?0

4、2110048401O)。1燃機與鍋爐的耦合系統(tǒng)介紹在圖1a給出的渦扇航空發(fā)動機結構示意圖中，14分別為風扇、壓氣機、燃燒室和渦輪，如果 將航空發(fā)動機進行拆分并用于鍋爐機組上，那么風扇可以作為鍋爐機組的一次(或二次)風機；同 時利用一個高溫換熱器來替代燃燒室，壓氣機與透平直接移植，構成的新系統(tǒng)結構示意圖見圖lb， 該新系統(tǒng)可有望較大幅度的降低廠用電率。在圖1b所示的單獨耦合系統(tǒng)中，空氣從風扇風機里面出來以后分成兩局部，大局部的空氣經(jīng) 過空氣預熱器后作為鍋爐的一次風和二次風進入爐膛，而另-d,股氣流那么進入壓氣機，經(jīng)壓縮以后 首先進入空氣預熱器的低溫段受熱，然后進入布置在爐膛里面的高溫換熱器中進

5、一步受熱提高溫度， 高溫高壓的空氣在推動渦輪做功以后，乏氣作為二次風的一局部仍然排入爐膛，參與鍋爐燃燒。圖lc顯示的聯(lián)合循環(huán)型耦合系統(tǒng)，即全部的空氣都要經(jīng)過壓氣機的壓縮和膨脹做功，類似于增 壓流化床技術，但是利用高溫換熱器來加熱空氣，膨脹做功后的空氣再返回爐膛與燃料混合燃燒。 燃料釋放的熱量同時加熱蒸汽發(fā)電。a航空發(fā)動機原理圖b耦合系統(tǒng)圖c聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)圖 l、風扇風機2、壓氣機3、燃燒竄高溫換熱器4、渦輪5、外涵道6、尾噴管7、空預器低溫段8、空預器高溫段9、爐膛10、省煤器t1、蒸汽過熱器再熱器12、汽輪機13、凝汽器14、給水泵15、發(fā)電機網(wǎng)1耦合系統(tǒng)示意圖節(jié)能減排在-奉系統(tǒng)中，僅就空氣透

6、平系統(tǒng)而言，與高溫氣冷堆原理類似，或者說就是一個外燃式燃氣輪 機。只是高溫氣冷堆的工作介質(zhì)是氦氣，同時其熱量來源于核反響堆，而本空氣透jr系統(tǒng)的熱量來 源于高溫煙氣。2單獨型耦合系統(tǒng)熱力學模型在圖1b所示的耦合系統(tǒng)巾，渦輪的輸n功除了驅(qū)動風扇和壓氣機以外，剩余的功率帶動發(fā)電機 輸出電能，輸出的電能可以作為J用電驅(qū)動電廠輔機。燃機的熱力循環(huán)圖見圖2。在圖2中O1為空氣在壓氣機中被壓縮的過程；1-2為空氣在換熱器 中的受熱過程；23為高溫高壓空氣在渦輪中膨脹做功；3-0那么是放熱回熱過程。不過，由于渦輪的 排氣要再次進入鍋爐爐膛參與燃燒，因此3-0過程既是放熱過程，又是回熱過程。假定風扇的效率與壓

7、氣機相同，均為仉，那么燃氣輪機的壓氣機耗功為：心=靠(一t式中：砟為燃機的總增壓比，為壓氣機出口壓力Pl與環(huán)境壓力p0的比值：PlPo。丁五疋 五焉O于是壓氣機出口氣體溫度Tl為：H竿一，協(xié)過程l一2為吸熱過程，吸熱量為：q=C，(疋一巧)(3)式巾：T2為渦輪進LJ窄氣溫度，K： c。為空氣定壓比熱容，kJ(kg。C)。空氣在換熱管內(nèi)流動的時候，需要克服一定的流動阻力；另一方面，渦輪的排氣還要作為二次風排入爐膛，如果是流化床鍋爐，那么還需要具有較大的穿透力，所以還要預幫一定的排氣背壓，所以渦輪的做功量為：第七屆全國電站鍋爐專業(yè)技術交流年會w=螋k-1卜一(4)式中：碭為渦輪效率；乃為渦輪的降

8、壓比：萬：竺!旦i(5)PlP：式中：pb為渦輪排氣背壓，Pa：P：為空氣換熱器流動阻力，Pa。 同時可以求出渦輪的排氣溫度T3為：五=疋一(-一乃竿c6，于是，燃氣輪機的循環(huán)功Wg為：wg=W一心(7)或者：wg=cp(互一五一五十瓦)=gg(8)即燃機系統(tǒng)的輸出功與其從鍋爐的吸熱量相等。 所以燃機的循環(huán)熱效率為：專而系統(tǒng)的熱效率卻與鍋爐的熱效率相當。顯然，為了燃機能夠提供輸出功，不可能將全部的功量用來驅(qū)動風扇，假定參與燃機循環(huán)的空 氣質(zhì)量流量為m11D，沒有參與循環(huán)的燃機空氣質(zhì)量流量為mlp，那么燃機總的輸出功率為：睨=7K(10)驅(qū)動低壓空氣所需要的功率為：=葉(1 1)式中：Wf為單位

9、質(zhì)量窄氣流量風扇功耗，kJkg：w，一漲(一-，式巾：乃為風扇增壓比。_-_-_-_一一一一節(jié)能減排(13)p-mp|m h，那么燃機系統(tǒng)的凈輸m功為：形：朋咖(w。一w，)：掣(14)式中：M為總空氣質(zhì)量流量，kgs：M=7(1+)(15)為了降低系統(tǒng)的排煙熱損失，由風扇排出來的低壓窄氣需要經(jīng)過窄氣預熱器的預熱，與此同時， 當壓氣機出口的空氣溫度較低時，也需要經(jīng)過窄氣預熱器的預熱，也就是說，在式(3)中，高壓空 氣的吸熱量是分兩段進行的，窄氣預熱器的示意圖見圖3。在圖3中，高溫煙氣從省煤器出來以后進入空預器，在空預器內(nèi)加熱從壓氣機和風扇出來的高 低壓空氣。假定上下壓空氣從空預器流出時溫度相I

10、川，為T。，忽略掉因為燃煤引起的質(zhì)量差異，根 據(jù)能量守恒有：，飾(乃一弓)+坼(乃一石)=氣(+)(丐一毛)(16)式中：Tr為風扇出口空氣溫度，K； Tgi為空預器煙氣進口溫度，K： T90為空預器出口空氣溫度，K； cg為煙氣的定壓比熱容，ld(kg。C)。忽略掉煙氣和空氣的比熱差異，rh Jlh可以求出系統(tǒng)的排煙溫度：乙Tgi瓦+等，圖3至氣預熱器不恿罔蜘I果沒有耦合，那么鍋爐機組的排煙溫度為：乃=I，一To+t(18)如果燃煤總的放熱量為Q：Q=mcQ，“(19)二198第七屆全國電站鍋爐專業(yè)技術交流年會式中：lTlc為燃煤消耗量，kgs。Q。為燃煤低位發(fā)熱量，lOkg假設蒸汽動力循環(huán)

11、效率為r,，除排炯熱損失外的其他熱損失為Q。，對于排炯溫度為瓦的鍋爐機組來說，發(fā)電熱效率為：(20)仉：仉仉：竺呈二竺二壘a竺!壟二墨!式中琉為鍋爐熱效率。根據(jù)式(8)，燃機系統(tǒng)的效率與鍋爐的熱效率相同，因此增加了燃機的耦合系統(tǒng)的熱效率為：行：竺：竺竺二竺二壘竺!圣二墨婦。2，。Q+哌仉如果鍋爐的輸入熱量不變，那么耦合系統(tǒng)的熱效率也可以寫成：打：墜二竺坦二墾二壘竺!圣二圣2二竺，=：=。22)L ZZ，a進一步整理為：一+弘咖掣，從式(23)可以看出，等號右邊第二項肯定為正；對于實際的鍋爐機組來說，排煙溫度因為低 溫腐蝕的緣故不能太低，一般取120-1400C，所以如果耦合系統(tǒng)的排煙溫度仍不高

12、于這個溫度，意 味著等號右邊第三項為正或者為0，那么肯定有：1仇(24)不僅耦合系統(tǒng)發(fā)電熱效率提高，而且因為省掉了一、二次風機電耗，所以耦合系統(tǒng)最終的供電 煤耗更會大幅度降低。3聯(lián)合循環(huán)型耦合系統(tǒng)從前面的分析結果來看，采用燃機的偶合系統(tǒng)因為具有回熱的特性，所以相當于完傘的利用熱 能獲得了鍋爐送風功耗和局部電功。不過，相對于蒸汽系統(tǒng)，燃機所吸收的熱量比例很小。那么如 果進一步擴大燃機的吸熱比例，極端情況下為所有進入鍋爐的空氣都經(jīng)過燃機的渦輪參與循環(huán)，此 時渦輪排氣的余熱仍然進入了鍋爐，所以仍具有回熱特性。對于采用郎肯循環(huán)或者一次再熱郎肯循 環(huán)的機組來說，耦合了燃機系統(tǒng)肯定會提高系統(tǒng)效率，證明如下

13、。假定鍋爐總的輸入熱為Q，排炯熱損失為q。，那么忽略掉其他熱損失時，蒸汽系統(tǒng)吸收的熱量為：q，=O一吼(25)假設蒸汽動力循環(huán)系統(tǒng)的效率為rh。，那么常規(guī)鍋爐系統(tǒng)蒸汽動力循環(huán)中的做功量為：節(jié)能減排wsf 2q一st( 始 )對于耦合系統(tǒng)來說，因為仍然存在排炯散熱損失，所以有：Q=q+q口=wq s十q+q( 打 )式巾：qf為燃機系統(tǒng)釋放給蒸汽系統(tǒng)的熱量，kw； q。為禍合系統(tǒng)中蒸汽系統(tǒng)吸收的熱量，kW。結合式(25)，于是有：q。2Wg七qf七q sf( 勰 )那么整個系統(tǒng)的輸出功為：=wg十(緲+)鞏=w+(wg+g，+g盯一wg)7以，=心，+wg(1一)比，(29)亦即：瓏=+wg(1

14、一)q，(30)不過，因為目前的蒸汽動力循環(huán)多是采用一次再熱的回熱循環(huán)，同時利用入爐空氣來吸收排煙 熱量，而旦所有的空氣通過渦輪排入鍋爐，那么只能采用給水吸收來煙氣余熱，所以蒸汽動力循環(huán) 將變?yōu)橐淮卧贌崂煽涎h(huán)，這會降低系統(tǒng)循環(huán)熱效率。這樣對系統(tǒng)效率的影響將變得復雜，因為燃 機系統(tǒng)的回熱將提高效率，而變換蒸汽動力循環(huán)將降低效率。為了便于分析，假定蒸汽動力循環(huán)為 理想循環(huán)，即蒸汽動力循環(huán)為定壓加熱、定熵膨脹。但是考慮氣體與水或者蒸汽之間的換熱溫差。了0圖4蒸汽動力循環(huán)示意網(wǎng)采用次再熱的蒸汽動力循環(huán)如圖4所示， 存圖4中，給水將被鍋爐排氣加熱到7點，也就梢 當于被渦輪排氣加熱，然后在鍋爐中繼續(xù)受熱

15、， 所以可以求出給水蒸汽流量為：荔：壘!圣二墨二塑(31)5一縞式巾：丁為換熱溫差，K。第七屆全國電站鍋爐專業(yè)技術交流年會那么水蒸氣還將繼續(xù)吸收的熱量為：g。=，致(吃一島+魄一么)(32)汽輪機輸出功為：w。=，以(吃一么+繡一玩)(33)所以系統(tǒng)效率為：仇：Wg+w(34)q+g。，4計算結果與分析以某350MW鍋爐機組的設計參數(shù)為例，對耦合了燃機的系統(tǒng)性能進行了預測分析，計算過程中的根底參數(shù)如表1所示：表1計算根底數(shù)據(jù)表項H泳位參數(shù)工程單位參數(shù) 鍋爐保證熱效率(低位)925爐膛出口煙氣溫度oC l005 鍋爐送風機總流量th 104616 空預器進口煙氣量th 14792 鍋爐一次風機總

16、流量th38304空預器進口煙氣溫度oC3665鍋爐送風機總功率kW 1594換熱器換熱溫差oC 30鍋爐 次風機總功率kW3074 電動給水泵電動機效率967 空預器進口平均風溫oC25環(huán)境壓力(平均)kPa8959 鍋爐排煙溫度oC 125環(huán)境溫度(平均)oC79 燃煤消耗量th 1614燃煤低位發(fā)熱量kJkg202176豐蒸汽溫度oC538廠用電率53高排汽溫度oC3279發(fā)電機效率989再熱汽溫度oC538廠變效率995 豐蔥汽樂力M【Pa 1667小汽輪機進汽流量th420l 高排汽壓力MPa 403l小汽輪機進汽溫度oC 337再熱汽壓力MPa 3628小汽輪機進汽壓力MPa 08

17、3 主汽輪機排汽溫度 oC325小汽輪機排汽溫度oC518 豐汽輪機排汽壓力kPa49小汽輪機排汽壓力kPa 135 主汽輪機Il壓缸內(nèi)效率 92小汽輪機總功率kW 7142主汽輪機低壓缸內(nèi)效j簪 89壓氣機效率 85豐汽輪機熱耗kJkWh 77983 透平效率 884町節(jié)能減排41單獨循環(huán)系統(tǒng)計算結果與分析411降低風機電耗結果與分析 首先計算了利用燃機系統(tǒng)儀驅(qū)動一、二次風機的計算結果與性能預測。圖5給出了燃機的輸出功與效率曲線。從圖5中可以看出，隨著燃機最高工作溫度的提高，其循環(huán)功和效率也越來越高， 但在I州一最高工作溫度下，燃機的循環(huán)功和效率隨著壓比的變化有一個最大值。圖示巾的數(shù)守代表

18、燃機的最高工作溫度。結合圖5，從圖6中可以看出，因為一、二次風的驅(qū)動力來自于燃機系統(tǒng)，所以空氣流量曲線 與輸出功曲線的趨勢完全吻合，在燃機最高工作溫度為8000C、增壓比為6時，一、二次風總量達 到最大值，為1297kgkg，亦即燃機系統(tǒng)每有l(wèi)kg空氣參與循環(huán)，風扇提供的一、二次風總量即為 1297kg，相當于鍋爐的總風量為1397kg。當然，因為經(jīng)過空氣預熱器的煙氣流量相比擬空氣流量總要多，所以在鍋爐爐膛進口空氣溫度相I司的情況下，或者相同的換熱溫差條件下，必然引起排煙溫度的上升，見圖7。在圖7中，排煙溫度 隨著空氣燃機握比的提高而升高，在燃機壓比比擬小的時候，ma較小，但是壓氣機m口溫度較

19、低，所以鍋爐的排煙溫度也較?。浑S著燃機壓比增加，先增加后減小，但是壓氣機出IJ的空氣溫度卻一直增加，直到增加到超過空氣預熱器出口空氣溫度，所以導致用來冷卻煙氣的空氣流量減小，因此排煙溫度逐漸增加。在燃機最高工作溫度為600。C時，因為ma在燃機壓比擬高時太小，所以鍋爐 的排煙溫度高達2000C以上，因此在實際應用過程中，燃機的壓比有一個最正確值。160414021200亡vtClO 100i8雷80 丑 簿60型暑l丑捌蜒曠制6404200224681012142468l 0l 2 14壓比壓比圖5燃機的效率與壓比之問的滅系圖6、_次風流景與燃機壓比的關系第七屆全同電站鍋爐專業(yè)技術交流年會22

20、5360350200U，、o鑒340壙175樹330oo趟理墨冪囂 320氍150貓31030012529024681012142468101214壓比壓比圖 7排煙溫度與燃機壓比的關系圉8空預器出口空氣溫度不過，為了降低系統(tǒng)的熱損失，如果保持排煙溫度125。C不變，那么就相當于提高了空氣預熱 器出口空氣溫度，見圖8，圖8中原空氣預熱器出口溫度約在271左右。與圖7中所顯示的規(guī)律 相同，在圖8中，空氣預熱器的出口溫度隨著燃機壓比的增加而增加。此外，在燃機不同最高溫度 下，燃機最正確壓比約為4,-6，而在此范圍內(nèi)，空氣預熱器的出口空氣溫度缺乏3000C，與空預器進口 的煙氣溫度相差達700C以上

21、，因此換熱溫差較大，空預器的設計難度并沒有增加太多。存燃機最高工作溫度為6000C，在壓比到達14的時候，因為豫較小，而且壓氣機出口的空氣溫度很高，如果固定鍋爐的排煙溫度保持彳i變，理論上空預器出LJ空氣溫度將超過36650C，這當然是不可能的，因 此燃機在一定的工作溫度下，有一個最正確的增壓比。如果進一步增加燃氣輪機的輸出功，比方利用 燃氣輪機的輸出功取代全部的廠用電，那么必會增加通過核心機的空氣流率，降低空預器的換熱溫 差，也就會增加空預器的設計難度。412降低廠用電結果與分析在圖5巾可以看出，當燃機最高工作溫度為分別為8000C、7000C、6000C時，對應的最大輸n功 為分別為152

22、5kJkg、lJ8344kJkg、87kJkg，這些功量除了可以用來驅(qū)動一、二次風機之外，如果 增加流經(jīng)燃機的空氣質(zhì)量流量，那么燃機系統(tǒng)的輸出功會增加，兇此，充裕的功率可以用來驅(qū)動電 廠其他用電設備，實現(xiàn)進一步降低廠用電的目的。從前面的定義巾可以知道，衡量低雎空氣質(zhì)量與流經(jīng)燃機的空氣質(zhì)量干H對大小的參數(shù)是P，因此 如果P減少，即流經(jīng)燃機的空氣質(zhì)量增加，那么燃機的輸出功會增加，反之那么會減少，如圖9所示。 從圖9巾可以看出，增Np值會降低燃機的凈輸出功，因此p需要越小越好：但另一方面，如果P 值太小，那么低壓空氣從空氣預熱器ll吸收的熱量太少，這又會引起鍋爐排煙溫度的增加，從斯降低系統(tǒng)的熱效率，

23、見圖10、ll。圖lO給出了鍋爐排炯溫度與B值之問的關系。節(jié)能減排150170160120150140bo豈90 130互雷 120綞-3960鬯削噌里f 11010030908070123 4 5 6789 10 11 12 131357911低高壓空氣質(zhì)量比低高壓空氣質(zhì)量比圖9燃機的凈輸出功岡10排煙溫度與值的火系0 44230925Uo鬟心3200 43720贈6馨珀睜量櫥旺口世蹩3000 432，璧妊10刪52800 4270035791 l35791 l低高壓空氣質(zhì)量比骶高壓空氣質(zhì)量比罔Il系統(tǒng)效率、熱風溫度與價的火系罔12燃機的凈輸出功率與折昨J川電率為了4i給窄預器的設汁和制造帶

24、來很大的技術困難，假定計算過程巾牢預器的換熱溫差1i低于 300C，即神j圖10 rfl，固定窄氣預熱器的出I_j溫度為3365。C，那么隨著B值的增加，排炯溫度4i斷降低，存D值較大的時候，排炯溫度可以直降低到7080。C，當然，這已經(jīng)需要劉卒預器做一定的防 腐處理了，這也會增加空預器的設計與制造難度。因此，如果保持鍋爐的排炯溫度為1250C小變， 那么空氣預熱器fjl I的熱JxL溫度除了神：燃機最高工作溫度為800。C nB值較小的范圍內(nèi)會超過404第七屆全國電站鍋爐專業(yè)技術交流年會33650C以外，絕大局部的工作參數(shù)范圍內(nèi)是可以低于該數(shù)值的，見圖11，因此空預器的換熱溫差 的加大會降低

25、其設計與制造難度。此外，在圖ll巾可以看出，耦合燃機系統(tǒng)以后，系統(tǒng)的發(fā)電效率 行較大的提高，在圖1 I巾，原系統(tǒng)的發(fā)電效率為427，耦合燃機的系統(tǒng)存最高工作溫度超過8000C， H13值為2時，耦合系統(tǒng)的發(fā)電效率超過了437，此時系統(tǒng)效率提高幅度超過1。當然，因為13 值較小，所以排煙溫度較高，比照圖10，此時的鍋爐排炯溫度約為1300C。蜘l果D值為l，即流經(jīng)燃 機的窄氣質(zhì)量流量能夠占到整個鍋爐用風量的50，那么系統(tǒng)會因為排煙溫度較高效率下降，但是 此時的效率也會高于B值較大的范圍，因此，在綜合考慮了發(fā)電效率以后，在燃機最高工作溫度為 8000C和7000C兩個溫度條件下，有最正確的D值，約

26、為2?；蛘哒f，在能夠4i增加鍋爐排炯溫度的情 況下，可以盡可能小的降低D值。3 巧原機組供電燥耗3 加3 兮7，。?，=：乏3 2 季蓋瓣i15蛭2 如 絲境篡=。?j原機組發(fā)電煤耗2豁扣235791 1低高壓空氣質(zhì)量比圖13耦合系統(tǒng)的供電煤耗鍋爐機組耦合了燃機之后，燃機的輸出功除了驅(qū)動風機以外，充裕局部會替代一局部廠用電， 從而降低J用電率。燃機的凈輸出功率和燃機輸出折算J一用電率見圖12。在圖12中，在燃機的最高工作溫度為8000C、7000C、6000C時，值趨近于l時，考慮到燃時機自動抵消風機電耗，因此燃機的凈輸m功率最高可以到達2793MW、2116MW以及1494MW，折算J用電率

27、最高可以到達 865、671和493，考慮到目標機組53的J用電率，因此即使燃機的最高工作溫度儀為6000C， 電J的J用電率已接近為0，而如果燃機的最高工作溫度為7000C或8000C時，燃機所發(fā)出的電功 率4i儀能夠抵消J。用電，甚傘還能夠做到一局部上嗍，此時的發(fā)電煤耗與供電煤耗應該相等，見圖 13。在圖13巾可以看出，機組的原發(fā)電煤耗為2889kWh，供電煤耗為3109kWh。但耦合了燃機系統(tǒng)以后，發(fā)電煤耗與供電煤耗均有下降，尤其是供電煤耗，最高降幅接近309kWh。這充分說明，耦合了燃機系統(tǒng)以后，盡管系統(tǒng)的復雜性有所增加，tR是確實降低了系統(tǒng)的供電煤耗，在煤價不斷上漲的今天，大大提高了

28、電廠的經(jīng)濟效益。節(jié)能減排42聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)計算結果與分析在耦合系統(tǒng)中，渦輪的排氣進入鍋爐，對于單獨循環(huán)耦合系統(tǒng)，因為蒸汽動力循環(huán)與燃機循環(huán) 相互獨立，所以耦合了燃機之后并不會改變蒸汽動力循環(huán)。不過對于聯(lián)合循環(huán)型耦合系統(tǒng)，在壓氣 機壓比擬高的時候，其排氣溫度也較高，因此已經(jīng)1i能用壓氣機排氣來吸收鍋爐的排炯熱，所以鍋 爐的排煙熱只能用給水來吸收，所以系統(tǒng)的蒸汽循環(huán)將Il一次再熱回熱循環(huán)轉(zhuǎn)變成一次再熱朗肯循 環(huán)，即如前文中的圖4所示。043042041褂04饕瞧0390380370362468101 214低高壓空氣質(zhì)量比圖14聯(lián)合循環(huán)型耦合系統(tǒng)效率圖14給出了聯(lián)合循環(huán)型耦合系統(tǒng)的效率，為了比照，在

29、圖14中還給出了相同的主蒸汽和再熱 蒸汽參數(shù)條件下，回熱循環(huán)以及一次再熱朗肯循環(huán)的循環(huán)效率。從圖14中可以看出，在采用一次再熱回熱循環(huán)時，機組發(fā)電效率為427，但是一次再熱朗肯 循環(huán)的發(fā)電效率那么降低至366。如果耦合系統(tǒng)采用聯(lián)合循環(huán)的方式，意味著蒸汽將會從一次再熱 回熱循環(huán)轉(zhuǎn)變成一次再熱朗肯循環(huán)，因此蒸汽動力循環(huán)的效率大大降低。但是耦合了燃機之后，聯(lián) 合循環(huán)的總效率將超過一次再熱朗肯循環(huán)效率，但是低于回熱循環(huán)的效率，尤其是燃機最高工作溫 度較低的時候。迭l此只有當燃機的工作溫度足夠高，能夠使得燃機對系統(tǒng)效率的增益超過因為改變蒸汽動力循環(huán)方式所造成的效率損失，整體發(fā)電效率才會增加，也就變成了嚴

30、格意義上的聯(lián)合動力 循環(huán)。5、三種技術方案的比擬對于火力發(fā)電J來說，降低，。用電率的常用方式有變頻，即給水泉、風機等設備山電力驅(qū)動， 但是采用變頻技術以取得最正確能耗，見圖15a；此外，大型發(fā)電機組除了采用變頻以外，降低廠用電 的主要方式是采用小汽輪機驅(qū)動用電較大的設備的方式，比方利用小汽輪機驅(qū)動給水泵或者風機等， 見圖15b。而圖l 5c那么給出了利用空氣輪機降低廠用電率的示意圖。第七屆拿尉電站鍋爐專業(yè)技術交流年會a力。案1：J。_Lfj電亢接來自十汽輪機發(fā)電機b方案2：利州小汽輪機替代局部J刖電C力案3：利_l空氣輪機禱代局部J電網(wǎng)15一利一技術方案如果采用方案l，BU如圖15a巾的所示，

31、那么發(fā)電機發(fā)出的電力巾一局部作為J用電，這局部J 用電里面的一局部以功耗的方式返回鍋爐，比方給水泉、一次風機、二次風機等消耗的電能會返回 鍋爐：另外的局部那么無端的消耗掉了，比方引風機功耗、循環(huán)水泵功耗以及電除塵功耗等。而剝于方案2，那么利用小汽輪機驅(qū)動給水泵，這樣，如果主汽輪機的發(fā)電功率不變，那就年H當于 原來給水泵所需要消耗的電力那么可以上網(wǎng)，給電廠帶來一局部效益，當然，電廠需要多消耗一局部 燃煤。從總體能耗的角度來看，這種方式并不一定是經(jīng)濟的，豐要原兇是小汽輪機的效率較低。如果采用力案3，那么空氣輪機系統(tǒng)從鍋爐_里面取出一局部熱量并將這局部熱量全部轉(zhuǎn)換為功。同 樣的，如果一卜汽輪機的發(fā)電

32、功率不變，那么也會多消耗一部燃煤，不過與方案2不|一Jf內(nèi)是這局部燃煤 所發(fā)出n，J熱量轉(zhuǎn)換為功的效率將與鍋爐效率相等。下而吲樣以350MW機組為目標，以空氣輪機系統(tǒng)驅(qū)動給水泵來比擬三種技術力案的經(jīng)濟性，I刊 時，對規(guī)釘機組，假定高溫空氣換熱器放在爐外，從爐騰出LJ抽取高溫煙氣對高球空氣進行加熱， 考慮到空氣輪機高溫換熱器利料性能(兇為空氣壓力較低，J以采用一些耐熱不銹刑材料，比方super 304H)以及鍋爐爐膛出l-I煙氣溫度I，I勺限制，空氣透平入口空氣溫度設定為7000C，鍋爐排炯溫度仍為1250C。采盯方案對，兩臺小汽輪機的功率總和為7142kW，牛1當于增加消耗J用電為204。節(jié)能

33、減排當采用方案2時，與方案1相比擬，利用兩臺小汽輪機替代電動給水泵，相當于節(jié)省了7142kW 的電功率，因此可以增加上l捌電功率為7142kW。但是，小汽輪機發(fā)出這7142kW功率的同時消耗了 參數(shù)為083MPa、溫度為3370C的42Olth蒸汽，這局部蒸汽所含的熱功率為 313427*420136=3657519kW。顯然，如果主汽輪機的發(fā)電功率_i變，那么就相當于增加了鍋爐負 荷。而這局部蒸汽是通過煤燃燒所獲得的，弭考慮到鍋爐效率，也就多增加了486th標煤消耗，或 者多增加了708th的原煤消耗。在采用方案3時，即增加空氣輪機系統(tǒng)以后，同樣假定主汽輪機發(fā)電功率不變，I司時鍋爐排炯 溫度

34、不變?？諝廨啓C的輸出功全部用來驅(qū)動給水泵，那么這局部功量同樣由鍋爐的輸出熱量而獲取， 即鍋爐需要多輸出7142kW的熱量，這局部熱量同樣由燃煤燃燒所得，考慮進鍋爐效率兇素后相當 于增加了標煤消耗為095th。但另一方面，因為空氣輪機的排氣替代了一局部鍋爐用風，這局部的 最正確風量為6035kgs，所以還可以折算降低風機電耗70973kW。因此總的降低廠用電量為 785173kW。空氣輪機系統(tǒng)的局部運行參數(shù)見表2。另一方面，如果將流經(jīng)小汽輪機的蒸汽能夠在主汽輪機內(nèi)做功，那么主汽輪機可以增加輸出功 率到達4201+36x(313427223914)xO89=-929665kW，考慮到發(fā)電機效率和廠

35、變效率，經(jīng)過廠變后 這局部電功率變成929665x0989x0995=914841kW。另一方面，小汽輪機的輸出功為7142kW，考 慮到電動機的效率為0967，相當于消耗電功率為728573kw。因此，如果將這局部蒸汽在十汽輪機 中發(fā)電，那么系統(tǒng)將盈余914841728573=186268kW。盡管同樣多燒了486th的標煤，但卻多了 186268kW的電功率。由此看來，采用小型汽輪機驅(qū)動給水泵的方式并不節(jié)能，主要原因有3個， 一個是小汽輪機本身的相對內(nèi)效率較低，國產(chǎn)的小型汽輪機的相對內(nèi)效率一般在8085，遠低于大 型汽輪機中低壓缸90-92的相對內(nèi)效率；第二是供小型汽輪機用的蒸汽在抽汽中會

36、經(jīng)歷節(jié)流的過 程，因此會造成蒸汽的節(jié)流損失；第三是小汽輪機的排汽背壓往往要高于主汽輪機，比方工程機組的小汽輪機排汽背壓為135kPa，遠高于主汽輪機49kPa的排汽背壓，所以也導致了蒸汽在小汽輪 機內(nèi)并不能夠充分的膨脹，導致了小汽輪機的排汽熱損失高于主汽輪機的排汽熱損失。因此，在火 型電動機沒有采用變頻技術之前，利用汽輪機的調(diào)速性能，采用汽動給水泵的方式可能相比擬而言 是：肖能的，但隨著變頻技術的開展，采用汽動給水泵的方式的優(yōu)勢越來越小。但是由于主汽輪機的 發(fā)電銘牌功率一定，現(xiàn)有的火電調(diào)度方式下，一些電廠只好采用增Nd,汽輪機的方式來增加上網(wǎng)電 量。同樣的，如果利用主汽輪機多發(fā)電功率來取代空氣

37、透平，同時考慮到發(fā)電機的效率，即需要增 加主汽輪機輸出功為78517309890995=797895kW，因為主汽輪機的熱耗為77983kJkWh，相當 于汽輪機效率為4616,，于是發(fā)出797895kW的功率相當于消耗熱功率為1728396kW，折算多消 耗標煤23th。表2空氣輪機運行參數(shù)項H 單位 參數(shù)工程 簟位 參數(shù) 循環(huán)功kWkg 11834空氣質(zhì)量比558 輸出功 kW7142空預器出口空氣溫度oC31713空氣流景ks6035壓氣機出口溫度oC2228I透平排氣溫度oC38438壓氣機增壓比 5第七屆全國電站鍋爐專業(yè)技術交流年會表3幾種方式的比擬主汽輪機功率廠剛電率卜網(wǎng)電功率多消

38、耗標煤技術類型MWMWth方案I35073332435 0方案23505333145486方案33505133216O95主汽輪機替代小汽輪機35937143333l486主汽輪機替代空氣輪機357987173321623三種方式的比擬見表3。從表3中可以明顯看出采用技術方案3的優(yōu)勢，另外，該系統(tǒng)與鍋爐 機組耦合運行時，在機組運行期間可以不受機組負荷率的影響而實現(xiàn)滿負荷運行，因此按照我國目 前300MW級機組年運行平均7300小時計算，與采用小汽輪機降低J用電相比，年可增加上網(wǎng)電量 為5183萬kWh，同時節(jié)約標煤為285萬t。6系統(tǒng)的特點與可行性分析與本系統(tǒng)最接近的是增壓式流化床鍋爐系統(tǒng)，不

39、過與之相比，本系統(tǒng)由于渦輪進氣為干凈的空 氣，所以沒有渦輪透平磨損問題。當然，與增壓流化床相比，渦輪的進氣溫度較低，一定程度上降 低了系統(tǒng)的效率。就前述系統(tǒng)性能的分析而言，如果僅僅采用單獨循環(huán)耦合方式，那么耦合對于汽水系統(tǒng)沒有任 何影響。同時從理論上說，燃機從鍋爐里面吸收的熱量，最終又通過渦輪排氣和風扇驅(qū)動的一、二 次風全部送回鍋爐，因此防止了目前汽輪機發(fā)電后利用電力驅(qū)動風機所帶來的冷源損失，使得電廠 風機耗電量為0。同時如果進一步調(diào)整核心機的空氣流率、調(diào)整空氣預熱器的受熱面積，使得在不 增加排煙溫度情況下，增加燃機的輸出功，最終使得燃機的輸出功能夠和全廠的廠用電相匹配，那 么就有可能實現(xiàn)0廠

40、用電，更是大大提高了電廠的經(jīng)濟效益。而且與聯(lián)合循環(huán)型系統(tǒng)相比，因為燃 機的做功比例仍然很低，所以高溫受熱面較小，系統(tǒng)的本錢也較低。如果大幅度提高燃機的做功比例，即采用聯(lián)合循環(huán)型耦合系統(tǒng)，那么將會改變鍋爐原來的汽水 循環(huán)方式，只在有限條件下可以提高系統(tǒng)的效率，而且對于超(超)臨界機組時效率反而會降低。 如果要提高耦合高參數(shù)鍋爐時的系統(tǒng)效率，需要不斷增加渦輪透平的進口溫度，這樣會大大增加耐 高溫昂貴材料的使用，也會人大增加系統(tǒng)的投資費用，兇此，就目前的材料性能而言，采用聯(lián)合循 環(huán)型的耦合系統(tǒng)需要慎重考慮。這也從另一個方面說明了目前外燃式燃氣輪機技術開展緩慢的原因。本系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵是能夠制造出適合在

41、爐膛中jI：作的高溫空氣換熱器，而制造出jIj作可靠的高溫空氣換熱器又受到目前材料性能開展的限制。受目前材料開展的限制，超超臨界機組的Ii蒸汽溫度很少有超過6200C，但足在本系統(tǒng)中，由 于高溫空氣換熱器內(nèi)的空氣壓力儀有06-07MPa，所以對材料的耐壓要求“i是很高，因此空氣透平 用換熱器設計與制造相對容易。早在小世紀考u，意大利的研究人員就已經(jīng)制造出空氣出U溫度達 7000C的高溫換熱器用于一個輸卅功率為80kw的微型外燃式燃氣輪機系統(tǒng)。參考高溫氣冷反響堆使 用材料以及局部最新研制的耐高溫材料性能，比方高溫鎳綦合金(耐熱溫度約為12000C)、碳化硅 材料(12000C)、陶瓷和陶瓷纖維(

42、15000C)、碳碳復合材料(30000C以卜)等材料性能，所以算例 中渦輪入U空氣溫度最高取8000C。另一方面，考慮到現(xiàn)役材料的性能王見狀，那么即使渦輪進U溫節(jié)能減排度取與目前超超臨界機組的主蒸汽溫度年H同，uI600。C，也是可以存一定程度IJ|降低系統(tǒng)J用電率 的。兇為耐高溫材料一般比擬昂貴，所以最終選擇何種材料還需要做綜合的技術經(jīng)濟性評估。小過于總空氣量-fl儀仃一小局部風最流經(jīng)高溫換熱器，此土I體秋和州高溫材料的用量大大降低，也就大幅度降低了成木。7系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析為了能盡快示范推廣該系統(tǒng)，巾同電力企業(yè)聯(lián)合會科技開發(fā)效勞r11心與內(nèi)蒙古電力勘測設計院 對該技術方案進行了系統(tǒng)設計工作

43、。以某350MW機組為目標機組，并根據(jù)N內(nèi)千H關J商可以到達 的技術水jI，進行了系統(tǒng)的!：JJ步設計工作，并給出了系統(tǒng)的設計圖，見圖16，現(xiàn)場布置圖見圖17。在 圖16巾，換熱器仍被拆成兩個局部，分別是低溫換熱器和高溫換熱器。與圖l葉1所提方案不同的是， 第一級低溫換熱器并沒有像換熱器8那樣放置在省煤器的后面，l司樣的第二級換熱器也沒有放到爐 膛的里面，這豐要是考慮到想利用現(xiàn)有的機組進行系統(tǒng)改造，從而驗證整個系統(tǒng)的可行性。而現(xiàn)有的機組兇為原來設計的時候，結構比擬緊湊，所以在鍋爐里面并沒有預留空間，兇此才將系統(tǒng)設計 成圖16所示，即從鍋爐里面抽出一股熱炯氣，分別加熱兩級換熱器后冉送回到鍋爐的尾

44、部煙道l。 抽氣的位置初定在過熱器后，送回的位置初定在省煤器后，當然，這樣改造f內(nèi)結果可能會對鍋爐的 再熱器以及省煤器吸熱有一定的影響，但考慮到是做系統(tǒng)驗證，兇此影響nl以忍受。整個系統(tǒng)的投 資見表4，表4中的價格為相關設備制造商的初步報價。鬻。謹目焉妒空氣適麓l、軸流式壓氣機，2000Nm3min，功耗7462kW：2、第 +級換熱器，空氣進口溫度1820C，出口溫度5000C；3、第_級換熱器(高溫換熱器)，空氣進口溫度5000C， 出口溫度7000C：4、艤級空氣透平，輸出功11200kW岡16系統(tǒng)改造示意罔根據(jù)圖16可以計算m系統(tǒng)的總輸卅功率為112007462=3728kW，因此利用兩套系統(tǒng)即可替代原 來的小汽輪機，同時因為瞥代一次風折算功率約為980kW，因此系統(tǒng)總的輸出功率為8436kW，干H 當于降低350MW機組的廠用電率為241。410錒導爆烈*暈爿?套謄看尋匭剞墨甲妹函瓤梏螺垛受,ill表4系統(tǒng)投資預算(萬元)序號工程工程名稱設備購置費安裝上鞋費合計( )熱力系統(tǒng)35167864302l設備本體351690360711軸流壓縮機組131523 1338