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朱小令 原西安热工研究院研究员 [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，并为制定改造措施与方案时借鉴。 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ξap厂用电率变化影响bg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）既然是强调降低bg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ηoi汽轮机相对内效率和ηt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，附表1。 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，ηb锅炉效率与ξap厂用电率，各电厂差异完全不同，则最终的结果导致bg供电煤耗率迥然不同，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（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、风机等。 降低bg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bg供电煤耗率之间关系，提高这三类设备在完成实际热力过程中的能量转换效率而己。 影响供电煤耗率理论关系与计算分别为[1~5]： 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。
式中：bg-供电煤耗率g/kWh；b-发电煤耗率g/kWh；ξap-厂用电率%。 式（1-2）揭示了发电煤耗与热耗率、锅炉与管道效率之间关系。
式中：b-发电煤耗率g/kWh；HR-热耗率kJ/kWh；ηb-锅炉效率%；ηp-管道效率%（设99.0）。 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。
式中：HR-热耗率kJ/kWh；D-工质质量流量kg/h；Δq-单位质量流量工质吸热量kJ/kg；N -汽轮发电机输出功率kW；ηt-单位工质动力循环热效率%；ηoi-汽轮机相对内效率%；ηg-发电机效率%；ηm-机械效率%。 等式的等号二中分母，ηg发电机效率、ηm机械效率，一般比较高，二者之乘积可以达到0.98及以上，即使汽轮发电机组实施技术改造，这两个效率变化亦非常之小。为突出重点，便于分析问题，可认为二者之乘积为常数A，便可得到式（1-3）HR热耗率与第三个等号的关系式。 将式（1-2）、（1-3）代入（1-1）式，便可得到（1-4）。式（1-4）揭示了bg供电煤耗率变化与ηbb锅炉效率、ηt工质动力循环热效率、ηoi汽轮机相对内效率变化成反比关系；与ξap厂用电率变化成正比关系；即：其中任一个效率升高，则bg供电煤耗率下降，而厂用电率ξap下降，则bg供电煤耗率亦下降。反之，bg供电煤耗率呈上升。
综上所述：应用热力学及相关学科理论，公式（1-1）~（1-3）分别给出：火力发电厂相关经济指标：bg供电煤耗率；b发电煤耗率，HR热耗率；ξap厂用电率的计算方法，并且给出与这些经济指标相关的效率关系。 为突出重点，便于分析问题，结合式（1-1）~（1-3），便得出（1-4）式，更加直观的反映出bg供电煤耗率与这些效率的关系，为燃煤机组实施降低bg供电煤耗率的技术改造方式与方法提供了思路与方向，也是降低bg供电煤耗率的具体措施与方案，可供结合本厂生产实际，制定具体措施与方案时借鉴。 2. 各相关效率与ξap厂用电率变化影响bg供电煤耗率的主要因素 应用（1-4）分析亚临界及上参数汽轮机组，锅炉效率ηb、单位工质动力循环热效率ηt；汽轮机相对内效率ηoi；厂用电率ξap变化，影响供电煤耗率bg的主要因素，具体见表2.1。
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ξap厂用电率升高，是bg供电煤耗率达不到设计值，且实际运行bg供电煤耗率更高的主要矛盾。 “ηt单位工质动力循环热效率”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ηt工质动力循环热效率范畴。 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。 对于三缸或者多缸结构设计的汽轮机，根据相关理论ηoi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，ηoi汽轮机相对内效率均可以达到89%～90%（见附表1）。总结现役和已经实施通流改造后的机组使用实践经验，普遍存在的问题是表2.1中D列，序号1～9，使用者普遍反映70%及以下低负荷工况效率低、ηoi汽轮机相对内效率下降（老化）比较快。 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ξap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bg供电煤耗率高的主要因素是：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ηb锅炉效率都达到94%，ξap厂用电率达到4%，bg供电煤耗率都可以达到300g/kWh及以下。 再如：若ηb锅炉效率比94%低4～6个百分点，ξap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bg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bg 供电煤耗率与相关效率 依据（1-4）式bg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、ξap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。 通过提高ηoi汽轮机相对内效率，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ηoi汽轮机相对内效率影响不大，采取表2.1，D列措施提高ηoi汽轮机相对内效率是降低bg供电煤耗率措施之一。 2）以现代的气动设计和加工工艺与技术，ηoi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，高压缸效率设计与试验都可以达到90%。喷嘴调节，设计高压缸效率可以达到87%～88%，但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，bg供电煤耗率偏离设计值，是升高的。影响因素主要是：为减少汽门节流损失，进汽参数降低，导致ηt工质循环热效率下降和汽门节流导致高压缸效率降低，从而ηoi汽轮机相对內效率亦随之降低，见附表2。 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）ηoi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。 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h～S（焓～熵）图中的表示。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）是节流调节方式汽轮机。过程线1，～2，，是喷嘴调节方式汽轮机。 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，bg供电煤耗率上升的结果。
图3.1 节流与喷嘴调节热力过程
图3.2 喷嘴调节三缸、调节级效率与流量 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） 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。 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ηoi汽轮机相对内效率基本没有影响。分别提高10℃，汽轮机HR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bg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℃，bg供电煤耗率将下降约1.6g/kWh。 既然是强调bg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，设计额定或额定试验工况下，ηoi汽轮机相对内效率和ηt单位工质动力循环热效率已经达到设计值，但由于ηb锅炉效率和ξap厂用电率设计或者设计与实际不同，bg供电煤耗率亦大不相同。 1）机组额定功率，设计和考核试验。若锅炉效率94%、厂用电率4%。 （1）据附表1，G、H列和附表5，D、E列，序号7。亚临界300、600MW级汽轮机，实施通流改造之后，机组bg供电煤耗率分别为：298.9g/kWh和299.4g/kWh。 （2）实施通流改造并将主、再热蒸汽温度分别提高到600℃，附表5，D、E列，序号13，机组bg供电煤耗率分别为：289.2 g/kWh和290.1g/kWh。 2）若机组额定功率，设计或者实际ηb锅炉效率92%、ξap厂用电率6%。 （1）汽轮机实施通流改造并将主、再热蒸汽温度分别提高到600℃，附表5，D、E列，序号14，则机组bg供电煤耗率分别为：301.8 g/kWh和302.7g/kWh。 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bg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bg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）对现役或者实施改造的汽轮机组，只需把设计各种工况或对应设计各种工况试验所得到的数据，分别代入式（1-4），便可以校核设计值或设计与实际值，从而定量判断理论值与实际值的差距，分析出所存在的问题原因所在。式（1-4），其中ηoi汽轮机相对内效率和ηt工质循环热效率两个因素，对于相同初、终参数和类型与容量汽轮机组，以现在的气动设计与制造技术和热力学理论，实践证明，均可以达到设计值（见附表1），那么，既使汽轮机组无论安装在不同的地域，对机组HR热耗率的效果都是基本相同的。 3）但是，既然是强调降低bg供电煤耗率，那么不得不考虑ηb锅炉效率和ξap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bg供电煤耗率迥然不同。若设计或实际ηb锅炉效率偏低，ξap厂用电率偏高，既使是超临界参数机组，HR热耗率可以达到设计值，而bg供电煤耗率理论与实践也未必能达到期望值，主要矛盾的主要方面是ηb锅炉效率。 4）热力学理论创立至今，理论方面没有产生颠覆性突破，汽轮机组降低bg供电煤耗率，实践中岂能有颠覆性地下降。无论采用何种改造措施与方案，但仍然均脱离不了热力学基本理论。 贯彻与落实“经济高质量发展”，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，技术经济性才能真正达到预期的水平。
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