PDF《一种超超临界二次再热发电系统及其热经济性分析》

收稿日期:

2 0

1 2

0 5

2 0 基金项目:国家自然科学基金资助项目(

5 1

1 0

6 0

1 4 ) ;

陕西省自然科学基础研究计划基金资助项目(

2 0

1 2 J Q

7 0

2 2 ) ;

西安市 建设科技计划基金资助项目( S J W2

0 1

2 0

4 ) .

作者简介:谷雅秀, 女, 博士, 讲师, 研究方向为动力工程及工程热物理多相流传热传质性能研究.E m a i l : g u y x

2 0

0 7 @ c h d . e d u . c n . 文章编号:

1 0

0 6

4 7

1 0 (

2 0

1 3 )

0 3

0 3

5 7

0 5 一种超超临界二次再热发电系统及其热经济性分析 谷雅秀1 ,王生鹏2 (

1 .长安大学 环境科学与工程学院,陕西 西安

7 1

0 0

5 4 ;

2 .西安热工研究院有限公司,陕西 西安

7 1

0 0

3 2 ) 摘要:超超临界二次再热发电技术是提高电厂燃煤机组发电效率的重要技术方向.通过朗肯循环 与理想再热循环循环效率的计算比较, 理想一次再热循环可比朗肯循环效率提高

1 .

9 6个百分点, 采用理想二次再热循环可比朗肯循环效率提高

3 .

2 7个百分点.针对一种蒸汽参数为

3 1 M P a /

6 0

0 ℃/

6 2

0 ℃/

6 2

0 ℃的1000M W 超超临界二次再热机组的热力系统方案, 进行了机组热经济性分 析与计算, 并与蒸汽参数为

2 6 .

2 5 M P a /

6 0

0 ℃/

6 0

0 ℃的一次再热机组进行了经济性计算对比.通过 热平衡计算, 二次再热机组相对于一次再热的超超临界机组可降低供电煤耗率约

9 .

2 2g / ( k W・ h ) , 热耗率降低了

3 .

3 4 %, 机组净效率提高了约

1 .

5 4个百分点.节能与环保效益显著. 关键词:超超临界机组;

二次再热;

热耗率 中图分类号:T K

2 1

2 . +

4 , T K

2 6

2 文献标志码:A T h e r ma l E c o n o mi cA n a l y s i s o f aD o u b l eR e h e a t U l t r aS u p e r c r i t i c a l P r e s s u r eU n i t G UY a x i u

1 ,WA N GS h e n g p e n g

2 (

1 .S c h o o l o f E n v i r o n m e n t a l S c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ,C h a n g '

a nU n i v e r s i t y ,X i '

a n7

1 0

0 5

4 ,C h i n a ;

2 .X i '

a nT h e r m a l P o w e r R e s e a r c hI n s t i t u t eC o m p a n y ,X i '

a n7

1 0

0 3

2 ,C h i n a ) A b s t r a c t :D o u b l er e h e a t u l t r a s u p e r c r i t i c a l p o w e r g e n e r a t i o nt e c h n o l o g y i s a ni m p o r t a n t t e c h n o l o g y t o e n h a n c et h ee f f i c i e n c yo f e l e c t r i c i t yg e n e r a t i o ni nc o a l f i r e dp o w e r p l a n t .B yc o m p a r i n gt h ec y c l ee f f i c i e n c y o f i d e a l r e h e a t c y c l e w i t ht h a t o f R a n k i n e C y c l e ,t h e i d e a l s i n g l e r e h e a t t e c h n o l o g y c a ni n c r e a s e t h e c y c l e e f f i c i e n c ya b o u t

1 .

9 6 %,w h i l e t h e i d e a l d o u b l e r e h e a t t e c h n o l o g y c a ni n c r e a s e t h e c y c l e e f f i c i e n c y a b o u t

3 .

2 7 %.T h e t h e r m a l e c o n o m y o f a

3 1 M P a /

6 0

0 ℃/

6 2

0 ℃/

6 2

0 ℃

1 0

0 0M W d o u b l e r e h e a t u l t r a s u p e r c r i t i c a l p r e s s u r e u n i t w a s a n a l y z e da n dc a l c u l a t e d .C o m p a r e dw i t ha

2 6 .

2 5M P a /

6 0

0 ℃/

6 0

0 ℃

1 0

0 0M W u l t r as u p e r c r i t i c a l p r e s s u r eu n i t w i t hs i n g l e r e h e a t ,t h e n e t c o a l c o n s u m p t i o no f t h e

1 0

0 0M W d o u b l e r e h e a t u l t r as u p e r c r i t i c a l p r e s s u r eu n i t d e c r e a s e s

9 .

2 2g / ( k W・h ) ,t h eh e a t r a t ed e c r e a s e s

3 .

3 4 %,a n dt h e n e t e f f i c i e n c y i n c r e a s e s

1 .

5 4 %.I t h a s p r o m i s i n g e n e r g y s a v i n g p e r f o r m a n c e a n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n b e n e f i t . K e yw o r d s :u l t r as u p e r c r i t i c a l p r e s s u r eu n i t ;

d o u b l er e h e a t ;

h e a t r a t e 中国工业能源消耗在

2 0

0 2-

2 0

1 0年快速增长, 同时能源需求量和废气排放量也大幅增加, 有学者 研究指出工业产出效应是导致我国能源消耗量和二 氧化碳排放增长的主要因素, 而工业结构调整并未 明显影响能源消耗量的变化, 因此, 节能和环保技术 的应用可大大降低能源的消耗和碳排放[

1 ] .火力 发电是工业耗能和碳排放较大的产业, 因此, 优化产 业结构、 促进产业绿色发展、 提高能源利用效率事关 重要.同时节能和环保的二次再热发电技术也日益 引起业界更为广泛的关注. 二次再热机组可在一次再热机组的主蒸汽压 力、 主蒸汽温度、 再热蒸汽温度保持不变的基础上,

7 5

3 西安理工大学学报 J o u r n a l o f X i '

a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y (

2 0

1 3 )V o l .

2 9N o .

3 进一步降低汽轮机的热耗率, 提高机组效率, 同时二 次再热还可降低低压缸排汽湿度, 有利于提高汽轮 机运行的安全性.本研究从理论上简要分析了

一、 二次再热对循环效率的影响, 计算并给出了二次再 热机组最佳第一次再热蒸汽压力和第二次再热蒸汽 压力的范围, 针对某超超临界二次再热机组计算了 其热经济性, 为发展二次再热发电技术提供技术 参考.

1 国内外二次再热发电技术现状 目前, 国外已有数十台二次再热机组的运行业 绩, 这些机组多在上世纪

7 0-

9 0年代投运, 其中采 用超超临界参数的有 6台.国际上容量最大的二次 再热机组是日本川越电厂的

1 、 2号700M W 机组, 机组 参数为31MPa/566℃/

5 6

6 ℃/

5 6

6 ℃.1

9 9 8年 投运的丹麦 N O R D J Y L L A N D电厂 3号410M W 机组, 参数为

2 9 M P a /

5 8

2 ℃/

5 8

0 ℃/

5 8

0 ℃, 机组热效率 高达

4 7 %.国外二次再热机组的运行业绩表明, 超 超临界二次再热机组运行可靠、 经济性较好, 是可实 现规模化商业应用的发电技术. 我国目前尚无二次再热机组的运行业绩.国内 的三大主机厂、 部分高校和科研院所正在进行二次 再热技术研发.部分学者对二次再热机组热经济性 分析方法进行了研究[

2

6 ] .我国目前正在研究的超 超临 界二次再热发电机组蒸汽参数为31MPa/600℃/

6 2

0 ℃/

6 2

0 ℃.根据我国现有技术储备, 有能 力解决超超临界二次再热机组的关键技术问题, 实 现自主设计和国产化.

2 超超临界二次再热发电机组热力系统 方案 图1(a)为理想超临界参数一次再热蒸汽动力 循环的温熵图.图1(a)中过程 0- 1- 4- 5- 6-

0 为朗肯循环.过程 0- 1- 2- 3- 5- 6- 0为一次再 热循环, 一次再热循环可认为是在朗肯循环基础上 附加了循环 1- 2- 3- 4-

1 .在主蒸汽压力、 温度 和再热蒸汽温度不变时, 随着再热蒸汽压力的提高, 附加循环 1- 2- 3- 4- 1的效率提高, 但作功增量 和再热吸热量在整个再热循环 0- 1- 2- 3- 5-

6 - 0中所占比重逐渐减小, 即对整个再热循环效率 提升的影响逐渐减弱;

随着再热蒸汽压力的降低, 附 加循环 1- 2- 3- 4- 1引起的作功增量和再热吸热 量在整个再热循环 0- 1- 2- 3- 5- 6- 0中所占比 重逐渐增加, 但附加循环 1- 2- 3- 4- 1的效率降 低, 对整个再热循环效率提升的影响也将逐渐减弱;

如再热蒸汽压力继续降低, 将使整个再热循环 0-

1 - 2- 3- 5- 6- 0的效率降低.因此, 存在一个最 佳的再热蒸汽压力, 使得整个再热循环的效率达到 最大.该结论对二次再热循环同样适用. 图1(b)为理想超临界参数二次再热蒸汽动力 循环的温熵图.过程 0- 1- 2- 3- 4- 5- 8- 9-

0 为二次再热循环, 二次再热循环可认为是在朗肯循 环基础上附加了循环 1- 2- 6- 7- 1和循环 3-

4 - 5- 6-

3 . 图1理想超临界一次再热与二次再热蒸汽 动力循环系统温熵图 F i g .

1 T h et e p h i g r a mo f i d e a l s i n g l er e h e a t &

d o u b l e r e h e a t s u p e r c r i t i c a l s t e a mp o w e r c y c l e 理想一次再热循环或二次再热循环的最佳再热 蒸汽 压力的求取可以循环净效率ηc为目标函数, 即: η c= ( W- Wp ) / Q c (

1 ) 式中, W为汽轮机轴功率, Wp 为给水泵功率, Q c为 循环吸热量. (

1 ) 式中, 分子与分母均是再热前、 后蒸汽焓的 函数, 而再热前、 后蒸汽的焓又由水蒸汽物性和循环 中蒸汽的膨胀过程线所决定.理论上可对(

1 ) 式通

8 5

3 西安理工大学学报(

2 0

1 3 ) 第29卷第 3期 过求导数的方式来求得 η c的极大值, 但由于水蒸汽 的物性是以高阶分段函数给出的, 通常通过软件计 算或查表获得, 求导数的方法难以简便的求出最佳 再热蒸汽压力.本研究通过编制软件, 利用数值计 算方法求出最佳再热蒸汽压力. 图 2显示了主蒸汽压力

2 6M P a 、 温度

6 0

0 ℃、 背压4.9k P a 的理想再热循环的再热蒸汽压力对循环 效率的影响.当再热蒸汽压力与主蒸汽压力的比值 为0.214时, 再热循环效率与朗肯循环效率的比值 达到最大, 约为

1 .

0 4

3 . 图2理想一次再热循环的再热压力对 再热循环效率的影响 F i g .

2 T h ei n f l u e n c eo f r e h e a t p r e s s u r et ou n i t e f f i c i e n c yo f i d e a l s i n g l er e h e a t s t e a mp o w e r c y c l e 在实际循环中最佳再热蒸汽压力还与汽轮机相 对内效率、 给水回热系统、 再热器及管道压损等因素 有关, 实际再热压力可比无回热的理想再热循环的 理论最佳再热压力值略高.对于主蒸汽压力为

2 4 ~

3 2M P a 的二次再热机组, 最佳的第一次再热蒸汽 压力可取为主蒸汽压力的

2 5 % ~

3 0 %, 最佳的第二 次再热蒸汽压力可取为主蒸汽压力的

5 % ~

1 0 %. 表 1给出了主蒸汽压力为

2 6M P a 、 主蒸汽温度 为600℃的朗肯循环效率与再热蒸汽温度为

6 0

0 ℃ 的理想一次再热和理想二次再热循环效率的计算结 果.表 1中的再热压力为经优化计算所得的最佳 值.由表 1可看出, 在该热源参数和冷源参数之间 的理想一次再热循环效率相对朗肯循环提高了1 .

9 6 个百分点, 而采用理想二次再热循环后, 循环效率可 再提高

1 .

3 1个百分点. 表1朗肯循环与理想再热循环的循环效率比较 T a b .

1 T h ec o m p a r i s o no f t h ec y c l ee f f i c i e n c yb e t w e e n t h eR a n k i nc y c l ea n di d e a l r e h e a t c y c l e s 参数 朗肯循环 一次再热 二次再热 主蒸汽压力/ M P a

2 6

2 6

2 6........