燃煤机组降低供电煤耗率的思路与方法

朱小令

[摘要] 应用热力学及相关理论，阐述供电煤耗率与相关效率的关系。将看似复杂的事物，抽象岀共同的、本质性的特征，从而反映事物的本质和概念。为突出事物矛盾的主要方面，运用数学理论推导出相互联系。既便于定性分析问题，又可以定量计算其数值大小。可供降低供电煤耗率的技术改造确定思路与方向，并制定改造措施与方案时借鉴。/朱小令

[关键词] 热力学及相关理论 汽轮机组  供电煤耗率  热力过程与设备  影响因素

0.概述

1）扼要阐述基本理论和性能指标数学表达式及之间关系，式（1-1）~（1-4）。

2）分析各相关效率与厂用电率变化影响供电煤耗率的主要因素，表2.1。

3）定性和定量分析，不同机组设计性能与性能考核试验的主要结果，附表1~4。

4）既然是论降低供电煤耗率，对不同地域与条件的同类型机组，式（1-4）四个因素中，提高汽轮机相对内效率和工质动力循环热效率，从设计、制造、实施后性能考核试验结果表明，均可以达到理论设计水平。

5）对不同地域的同类型机组，因各地域资源及各种条件不同，锅炉效率与厂用电率，各电厂差异完全不同，则最终的结果导致供电煤耗迥然不同，附表5。

6）最后，理论结合实际，归纳了几点基本意见与建议。

1.基本理论

  热力学是传统学科，19世纪中期至今理论上没有突破，无论釆用何种改造方案，仍然在基本理论与定律范畴。

火电厂燃料中的化学能转变为机械能的热力过程，可概括为三个典型热力过程。

1.1热力过程

1）有温差的传热（或热交换）；

2）绝热节流；

3）有摩阻的膨胀（或压缩）。

1.2完成这三个热力过程的主要设备

而完成这三个热力过程，能量转换热变功或功变热，所对应的设备可归纳为三种类型的主要设备，即：

1）热交换器设备类。诸如：锅炉、凝汽器、冷却塔、空冷岛、空气预热器、加热器、冷却器等。

2）热力介质输送及控制类。诸如：管道与阀门。

3）热功转换设备类。诸如：汽轮机、泵类、风机。

降低供电煤耗率，应用热力学及相关基本理论，有N多种方式与方法。就是结合自身实际，综合分析燃煤火电厂功与热之间的能量转换，各设备效率与煤电机组供电煤耗率关系，提高这三类设备在完成实际热力过程中的使用效率而己。

影响供电煤耗率理论关系与计算分别为[1~5]：

1.3供电煤耗率

式（1-1）揭示了供电煤耗率与发电煤耗率、厂用电率之间关系。

1.4发电煤耗率

式（1-2）揭示了发电煤耗与热耗、锅炉与管道效率之间关系。

1.5汽轮机组热耗率

式（1-3）揭示了热耗率与流量、热量、功率，效率之间关系。

1.6 供电煤耗率与效率和厂用电率的变化关系

2.各相关效率与厂用电率变化影响供电煤耗率的主要因素

表 2.1 影响各相关效率变化的主要因素

2.1 锅炉效率 ηb 影响
    我国地域辽阔，煤炭资源分布不均， 煤种煤质差别很大。主要影响因素见表 2.1， B 列。

其一， 能源政策煤电不可能应用很好的煤种与煤质，即使煤炭资源丰富的地区，煤质也比较差。

其二， 以设计煤种煤质选型的锅炉，实际不可能燃烧设计煤种煤质等等因素。故此，实际运行中， 即使在额定工况下， 锅炉难以达到设计效率， 亦会导致厂用电率升高，是供电煤耗率达不到设计值，且实际运行供电煤耗率更高的主要矛盾。

2.2 单位工质动力循环热效率 ηt 影响
    “单位工质动力循环热效率 ηt”是指：单位工质热变功， 经过“热力学理论”三个热力过程，完成一个热力循环（ 即：水变为水蒸汽，再变为原来状态的水）的效率。表2.1 中 C 列，序号 1~9 属于工质动力循环热效率 ηt 范畴。

为直观分析起见， 应用水蒸汽温~熵（ T~S）图， 效率为：工质经过 1~2~3~4~5~6~1所包围的面积F1比上面积F1十F2。

 显然，F1的面积越大，循环效率则越高。而F1面积增大最有效的方法是：提高工质初参数，提高线段4~5~6，即：工质平均吸热温度。降低终参数，线段1～2，即：工质平均放热温度，图2.1。

图2.1热力循环在水蒸汽T~S图表示

而降低终参数，受到大气环境温度的制约。提高初参数，受到金属材料物理特性无法改变的制约，故：提高蒸汽初参数压力与温度在技术方面受到限制。

2.3汽轮机相对内效率η_oi影响

 对于三缸或者多缸结构设计的汽轮机，根据相关理论汽轮机相对内效率可用（2-1）式，计算成一个汽缸的相对內效率。

无论是亚临界300MW、600MW级容量还是超临界600MW级或者超超临界600MW级容量机组，以现今气动设计和加工技术，汽轮机相对内效率均可以达到89%～90%（见附表1）。总结已经实施通流改造后的机组使用实践经验来看，普遍存在的问题是表2.1中的序号1～9，使用者普遍反映70%及以下低负荷效率低、汽轮机相对内效率下降（老化）比较快。

2.4厂用电率ξ_ap影响

厂用电率：火电厂机组每发一度电，自身所需要消耗电量比率。导致厂用电率高的主要原因是表2.1中序号1～9。

综合分析，影响供电煤耗高的主要因素是：锅炉燃料的煤种与煤质。若锅炉效率因此而提不上去，又造成厂用电率居高不下，所造成的影响远远大于表2.1中C、D列影响。

例如：若纯凝湿冷亚临界机组，试验或者实际运行锅炉效率都达到94%，厂用电率达到4%，供电煤耗率都可以达到300g/kWh及以下。

再如：若锅炉效率比94%低4～6个百分点，厂用电率又比4%高出2~4个百分点的话，若依靠实施提高表2.1中C、D列效率的措施，如：汽轮机进汽分别提高主、再蒸汽温度到620℃。所能获得降低机组供电煤耗率的收益，无论是理论设计还是实践，远远弥补不回来6~10个百分点产生的损失。

3.降低供电煤耗率与相关效率

依据（1-4）式供电煤耗率与相关效率、厂用电率关系，表2.1又分别列出影响各相关效率、厂用电率变化的主要因素，依次分别列举其中几个问题，结合设计与考核试验结果进行定性与定量阐述。

3.1降低供电煤耗率与η_oi汽轮机相对内效率

通过提高汽轮机内效率，是降低供电煤耗率的主要措施之一。

（1）设计额定工况与考核试验主要结果[8~13]

为判定汽轮机组设计性能，依据相关汽轮机组热力性能试验规程[8]，在额定负荷工况进行性能试验，试验结果也难以达到设计的理论值。把偏离设计的试验值，依据试验规程进行修正到设计值之后，其性能基本可以达到或者接近理论设计值。

附表1列出五台不同初参数、做功形式、调节方式300MW、600MW级机组设计与额定工况考核试验结果，汽轮机内效率具有以下共性。

1）汽轮机进汽参数对汽轮机相对内效率影响不大。

2）以现代的气动设计和加工工艺与技术，汽轮机相对内效率均可以达到90%，试验结果亦达到了设计值。

3）中压缸、低压缸效率设计值基本相同，试验结果亦可以达到设计值。

4）由于调节方式不同，节流调节，高压缸率设计与试验都可以达到90%。喷嘴调节，设计可以达到87%～88%，而试验结果未必都能达到设计值。

（2）部分负荷工况考核试验主要结果[8~13]

 由于电能不像其他产品，难以具有大量存储性。机组实际运行的发电负荷随电网的调度，几乎时刻是变化的，机组实际运行负荷几乎不可能随时处于设计工况，供电煤耗率偏离设计值，是升高的。

附表2列出上述五台不同初参数、做功形式、调节方式300MW、600MW级机组考核50%工况考核试验结果，汽轮机内效率具有以下共性。

1）无论釆用节流或者喷嘴调节汽轮机中、低压缸效率均可以达到额定工况设计值。

2）高压缸效率，节流调节的汽轮机可以达到85%以上。喷嘴调节的汽轮机只能达到80%以下，二者高压缸效率相差5个百分点。

3）汽轮机相对內效率，节流调节的汽轮机可以达到90%左右，喷嘴调节的汽轮机只能达到87%左右。二者相差约3个百分点。

3.2汽轮机两种调节方式的差别

 1）二者之间的差别如图3.1、.3.2所示。其中，图3.1是汽轮机两种调节方式热力过程在焓～熵（h～S）图中，做功与阀门节流损失（指理想过程），在过程线1～  2（设阀门节流为零）相当是节流调节汽轮机。过程线1^，～2^，，相当是喷嘴调节汽轮机。

其一，喷嘴调节等焓节流造成的损失为：理想焓降（做功能力）相对节流调节1～2过程线段长度减小（△Hi＞△Hi^，）。

其二，喷嘴调节等焓节流熵增S₃＞S₁，损失大小为：S₁～2～1～1^，～2^，～S₃～S₁所围成的面积，其损失直接添加在工质循环热效率，造成热效率下降，供电煤耗率上升的结果。

其三，依据《汽轮机原理》，喷嘴调节汽轮机变功况运行，调节级的特性：

（1）机组功率越大，调节级效率越高，则调节级做功比率越小，高压缸效率越高。

（2）反之，机组功率越小，调节级效率越低，则调节级做功比率越大，高压缸效率越低。

调节级效率直接影响高压缸效率，这与调节汽门的开度、节流后的压损，调节级的进汽度、喷嘴组的加工、安装工艺等因素（表2.1，D列）有关。试验结果见附表4，序号9～11。

2）喷嘴调节汽轮机不同工况下，由于主汽门与调门开度的影响程度见附表3序号5-12、附表4序号6~11。

3.3降低电煤耗率与η_t单位工质动力循环热效率

 降低供电煤耗率，与表2.1中C列η_t单位工质动力循环热效率相关项目有关。其中，提高汽轮机进汽初参数，降低排汽终参数，是提高动力循环热效率的有效措施之一。但前者受到金属材料物理特性的制约，后者则受到大气环境温度的限制。

提高轮机进汽的主、再热蒸汽温度，属于提高ηt单位工质动力循环热效率范畴，对汽轮机相对内效率基本没有影响。分别提高10℃，汽轮机热耗率降低约0.5%。

以亚临界300MW、600MW级容量机组设计额定工况或者考核试验THA工况为例，设计供电煤耗率310g/kWh计（锅炉效率92%、厂用电率6%），主、再热蒸汽温度分别提高10℃，供电煤耗率将下降约1.6g/kWh。

3.4降低供电煤耗率与η_b锅炉效率、ξ_ap厂用电率

既然是讲供电煤耗率，必须考虑到受不同地域和资源条件等因素的影响，在不同地域，既使是同类型、初参数、容量的汽轮机，设计额定或试验工况下，η_oi汽轮机相对内效率和η_t单位工质动力循环热效率已经达到设计值，但由于锅炉效率和厂用电率设计与实际不同，供电煤耗率亦大不相同。

例如：设计锅炉效率92%，实际运行88%及以下。亦导致厂用电率比设计值5%，升高2~3个百分点及以上，实际二者之和与设计偏差7个百分点及以上，依据（1-4）式，机组额定工况下，则供电煤耗率要比设计值升高24g/kWh及以上。

4、结束语

  1）应用热力学及学科相关理论和数学逻辑与方法，把供电煤耗率与四个因素联系起来，突出主要矛盾，推导出（1-4）式之间的相互逻辑关系，并由表2.1分别给出影响四个因素的主要问题，可以为定性分析原因，定量计算效果，亦可供确定降低供电煤耗率的技术改造思路与方法，以及改造的措施与方案借鉴。

 2）式（1-4），对汽轮机组实施改造，其中汽轮机相对内效率和工质循环热效率两个因素，对于相同类型与容量汽轮机，以现在的气动设计与制造技术和热力学理论，实践证明，既使汽轮机组无论安装在不同的地域，对机组热耗率的效果都是基本相同的。

 3）但是，既然是强调降低供电煤耗率，不得不考虑锅炉效率和厂用电率高低与大小。由于不同的地域和资源条件等因素，其存在有较大差异，因此，最终供电煤耗率迥然不同。若设计或实际锅炉效率偏低，厂用电率偏高，既使是超临界参数机组，热耗率可以达到设计值，而供电煤耗率理论与实践也难以达到期望值。

4）热力学理论创立至今，理论方面没有产生颠覆性突破，降低汽轮机组供电煤耗率，实践中岂能有颠覆性的下降。虽然有多种不同的措施与方案，但仍然均脱离不了热力学基本理论。结合自身的实际，综合分析、系统地采取措施，可以取得较好的实际效果，贯彻与落实“经济高质量发展”。

附表

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