蒸汽-有机工质联合循环发电热经济性分析

2011-09-13李慧君吴凯槟房林铁关秀红高丽莎杨继明

华北电力大学学报(自然科学版) 2011年4期

李慧君，吴凯槟，杜威，房林铁，关秀红，高丽莎，杨继明

(华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北保定 071003)

0 引言

国内外对低温余热的利用研究主要开始于20世纪70年代石油危机时期［1］。低温余热种类繁多、数量巨大，充分利用这些能源，可以达到缓解能源危机，减少余热热污染的目的［2］。

以水为工质的火电厂的余热主要包括锅炉余热与冷源余热。大型火电厂的效率一般是在42%左右，核电不及35%，50%［3］以上的热量被释放到环境中 (空冷或水冷)。由于大量的余热未得到利用，火电厂的效率提高遇到瓶颈。如何利用这些余热，使火电厂的发电热效率提高，成为目前亟待解决的问题。为了利用这些余热，就要从目前的火电厂发电模型入手，优化当前的发电模型，以提高火电厂的发电热效率。本文主要从改进火电厂发电模型，利用有机工质热力特性降低冷源损失，来提高发电热效率。本文所提出的方法与燃气－蒸汽轮机联合循环类似，但又有不同之处。目前国内外资料尚未有介绍这样的联合循环系统。

1 水蒸汽循环发电的优点和局限性

现代大型火电厂的输出功率较大，所需工质量较大，而水蒸汽是一种相对廉价的工质，自然界中大量存在，容易得到，无毒无害。而且水具有沸点高，汽化潜热大，流动性好，热稳定性很强等热力特性［4］。这样水就很自然的成为火电厂运行中的理想工质。在火电厂中做完功的工质还是汽态 (有一定的湿度)，密度小，体积非常大，为了保持循环的安全性和经济性，必须转化成液态后再加热升压。在汽态转化为液态的过程中，释放出大量的汽化潜热，这部分未得到利用的热量约占到机组热耗的50%以上，水的这一特性［5］限制了火电厂效率的提升。

2 有机工质循环发电的特性

有机工质循环的研究工作正在大力进行［6］，它是利用低温热源的热量输出机械能或电能的理想方式，可以利用的热源种类包括:太阳能、海洋能、生物质能、地热能以及工厂余热等［7］。与水蒸汽动力循环原理相似，不同的是该循环使用的工质是有机物。相对于水工质，有机工质的蒸发温度较低，汽化潜热较小。循环工质的热力学性质决定了有机工质循环的热经济性，因此要根据有机工质的热力学、物理化学特性及安全性能综合考虑，选择合适的做功工质。

现在的火电厂中的能量转换系统基于水蒸汽朗肯循环的再热循环和回热抽汽，工质为水，主要设备由锅炉、汽轮机、凝汽器、加热器和给水泵等组成，工质在能量转换过程中，进行定压吸热、绝热膨胀、定温放热和绝热压缩4个过程，完成能量转换。而有机工质循环则可由蒸发器获取做了一部分功的具有一定热力学参数的热量。有机工质与水蒸汽相比，主要优点在于:在相同的热力学参数下，有机工质的汽化潜热远小于水蒸汽，更能充分利用低品位热量，可以使汽轮机冷源损失减少。

相比水工质，有机工质的优势如下［8］:

(1)有机工质的蒸发潜热比水小很多，因此在汽轮机低压缸排汽温度和压力相同的条件下，与水循环相比，有机工质循环排汽焓降低，余热的排放量减少，冷源系统缩小。

(2)有机工质沸点较低，给予较低品位的能量，就可以沸腾变为做功蒸汽。

(3)有机工质凝固点较低，可以在较低温度下释放出能量。在寒冷天气可增加出力，冷凝器也不需要增加防冻设施。

(4)由于有机工质本身的热力特性，系统的工作压力低，对设备的性能要求低。

(5)有机工质基本都是等熵工质或干流体，不会有液滴在高速情况下对透平机械的叶片造成冲击损害，也不会腐蚀透平机械。

有机工质循环的局限性在于:有机工质由于本身的热力学特性，基本只适合中低温热源发电;成本较水工质高;由于焓差变化比水小，发同样的电，所需工质量比水多;目前还没有实现大型化的有机循环电厂。

本文所讨论的有机工质循环拟选甲苯，该工质的热力特性参数如表1所示。

表1 甲苯的热力特性Tab.1 Thermal properties of Toluene

3 新联合循环发电模型的建立

通过对水蒸汽和有机工质的特性比较分析，把二者结合起来。以NZK660－24.2/566/566机组为例，设锅炉保持原负荷，高中压缸和低压缸1参数，№1～7号加热器参数和原参数一致，将原机组的低压缸1排汽引入余热换热器，通过该余热换热器使水蒸汽凝结放热，液态的水送入锅炉吸热，水蒸汽放出的热量加热具有一定热力学参数的液态有机工质，使有机工质成为过热汽进入低压缸2做功。改造后蒸汽－有机工质联合发电模型如图1所示。将整机模型分为两个模块，水蒸汽循环单元和有机工质循环单元。

图1 660 MW超临界蒸汽－有机工质联合循环热力系统Fig.1 Thermal system of steam－organic fluid combined cycle of a 660 MW supercritical unit

3.1 水蒸汽循环单元

水工质在热力循环过程中的工作过程为

(1)给水进入锅炉，经过加热以后，由液态变为过热蒸汽，进入高压缸做功;

(2)高压缸排汽经过锅炉再热后，进入中压缸做功，在中压缸做功以后，排汽进入低压缸1做功，低压缸1排汽进入余热换热器，与有机工质进行换热，换热后，蒸汽释放出汽化潜热，变为液体，经过回热系统升温并由给水泵升压后，进入锅炉，完成水蒸汽循环。

3.2 有机工质循环单元

有机工质在余热换热器中，与水蒸汽进行热交换，由液态变为过热汽，然后进入加入的低压缸2做功，在低压缸2做功后进入凝汽器，由循环冷却水将热量带走，有机工质由汽态变为液态。此时，经由升压泵升压后，进入余热换热器，完成了有机工质循环。

改造前与改造后设备比较，如表2所示。

表2 两模型设备比较Tab.2 Equipment comparison of two models

在新循环中，加入了余热换热器、低压缸2、升压泵，冷源系统变小。其余设备不发生变化，参数亦不发生变化。在目前的条件下，该模型可以实现。

4 热经济性比较

4.1 新旧模型热经济性指标计算

由于系统发生了改变 (图1所示)，所以该机组的热经济性指标［9，10］发生变化，下面选取 THA，75%THA，50%THA三个设计工况(详细数据)进行计算(设计系统参数维持厂用电量不发生变化)［11］。

4.1.1 原模型的高中低压缸做功计算

高中压缸和低压缸1做功WII

式中:W 为功，kW;下角标:II、JQ、ZF、CQ、PQ 分别为汽缸、总进汽、轴封漏汽、抽汽和排汽。

式(1)中的各功量计算如下

式中:G 为流量，t/h;h 为焓，kJ/kg;下角标 0、i、j、c分别新汽进汽点、轴封漏汽点、加热器抽汽点和排汽点。

机组热耗率qcp在参考文献［11］中已经给出，所以机组热效率

机组热耗

机组标准煤耗

式中:η为热效率，%;P为发电量，kW;B为锅炉热量，kW;b为煤耗，［g(kW·h)－1］;下角标 cp、e、q1分别代表机组的、电的、低位发热量。

4.1.2 新模型下的计算

新模型下，全厂热耗B'q1与原机组相同，高中缸和低压缸1做功量不变。

确定余热换热器参数:设定低压缸2排汽压力为6.2 kPa，则温度为35℃。排汽在凝汽器中凝结以后，流经升压泵升高压力至0.012 MPa。进入余热换热器与水蒸汽进行换热，换热以后，有机工质出口温度为52℃左右，水蒸汽的进口温度为55.3℃，出口温度为55.3℃左右。

低压缸2做功

新模型总做功

有机工质流量

新模型机组效率

新模型热耗率

新模型标煤耗

式中:W为功，kW;G为流量，t/h;h为焓，kJ/kg;η为热效率，%;B'为锅炉热量，kW;q为热耗率，kJ/(kW·h);b'为煤耗，［g(kw·h)－1］;下角标 D2、yj、dj、dp*、X、II、dp、hrp、yjj、cp'、q1 分别代表低压缸2、有机工质、低压缸2排汽、新模型、汽缸、低压缸1排汽、低压缸1换热后的排汽、经升压泵升压后的有机工质、新机组的、低位发热量。

由于是对液体进行升压，升压泵的耗功很小，可以忽略不计。

4.2 新旧模型热经济性比较

通过对改造前、后，机组热力循环的热经济性计算及比较，结果如表3所示。

表3 原机组和蒸汽-有机工质循环机组热经济性指标以及两模型经济指标变化量Tab.3 Thermal economic indicators of original unit，steam－organic fluid combined cycle unit and two models'variation of thermal economic indicators

由表中数据知:对于计算所用到的三种设计工况，在维持机组热耗不变的情况下:

(1)与原机组相比，新模型的发电效率提高热耗、煤耗降低。

(2)不同工况节能程度不同。50%THA的工况节能程度最大，THA的工况下最小，75%THA工况居中;这是因为，改造前机组THA工况的整机效率已经较高且煤耗率较低，所以改造后热效率的提升及煤耗率的下降较偏离THA工况的小，即机组工况偏离(变小)THA工况的程度越大，改造后机组节能幅度越大。

(3)有机工质流量THA工况最大，50%THA工况最小，75%THA工况居中;有机工质的流量随着发电量的增加而增加。