朱小令  原西安熱工研究院研究員

0概述

      1）扼要闡述基本理論和性能指標(biāo)數(shù)學(xué)表達(dá)式及之間關(guān)系，式（1-1）~（1-4）。

      2）分析各相關(guān)效率與ξ_ap廠用電率變化影響b_g供電煤耗率的主要因素，表2.1。

      3）定性和定量分析，不同機(jī)組設(shè)計(jì)性能與性能考核試驗(yàn)的主要結(jié)果，附表1~4。

      4）既然是強(qiáng)調(diào)降低b_g供電煤耗率，對(duì)不同地域與條件的同類型機(jī)組，式（1-4）四個(gè)因素中，提高η_oi汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率和η_t工質(zhì)動(dòng)力循環(huán)熱效率，從設(shè)計(jì)、制造、實(shí)施后性能考核試驗(yàn)結(jié)果表明，均可以達(dá)到理論設(shè)計(jì)水平，附表1。

      5）對(duì)不同地域的同類型機(jī)組，因各地域資源及各種條件不同，η_b鍋爐效率與ξ_ap廠用電率，各電廠差異完全不同，則最終的結(jié)果導(dǎo)致b_g供電煤耗率迥然不同，附表5。

      6）最后，理論結(jié)合實(shí)際，歸納了幾點(diǎn)基本意見與建議。

1.基本理論

   熱力學(xué)是傳統(tǒng)學(xué)科，19世紀(jì)中期至今理論上沒有突破，無(wú)論釆用何種改造方案，仍然在基本理論與定律范疇。

   火電廠燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的熱力過程，可概括為三個(gè)典型熱力過程。

1.1熱力過程

    1）有溫差的傳熱（熱交換）；

    2）絕熱節(jié)流；

    3）有摩阻的膨脹或壓縮。

1.2 完成這三個(gè)熱力過程的主要設(shè)備

   而完成這三個(gè)熱力過程，能量轉(zhuǎn)換熱變功或功變熱，所對(duì)應(yīng)的設(shè)備可歸納為三種類型的主要設(shè)備，即：

1）熱交換器設(shè)備類。諸如：鍋爐、凝汽器、冷卻塔、空冷島、空氣預(yù)熱器、加熱器、冷卻器等。

2）熱力介質(zhì)輸送及控制類。諸如：管道與閥門。

3）熱功轉(zhuǎn)換設(shè)備類。諸如：汽輪機(jī)、泵類、風(fēng)機(jī)等。

降低b_g供電煤耗率，應(yīng)用熱力學(xué)及相關(guān)基本理論，有N多種方式與方法。就是結(jié)合自身實(shí)際，綜合分析燃煤火電廠功與熱之間的能量轉(zhuǎn)換，各設(shè)備效率與煤電機(jī)組b_g供電煤耗率之間關(guān)系，提高這三類設(shè)備在完成實(shí)際熱力過程中的能量轉(zhuǎn)換效率而己。

影響供電煤耗率理論關(guān)系與計(jì)算分別為^[1~5]：

式（1-1）揭示了供電煤耗率與發(fā)電煤耗率、廠用電率之間關(guān)系。

式中：b_g-供電煤耗率g/kWh；b-發(fā)電煤耗率g/kWh；ξ_ap-廠用電率%。

      式（1-2）揭示了發(fā)電煤耗與熱耗率、鍋爐與管道效率之間關(guān)系。

式中：b-發(fā)電煤耗率g/kWh；HR-熱耗率kJ/kWh；η_b-鍋爐效率%；η_p-管道效率%（設(shè)99.0）。

1.5 汽輪機(jī)組熱耗率

式（1-3）揭示了熱耗率與流量、熱量、功率，效率之間關(guān)系。

式中：HR-熱耗率kJ/kWh；D-工質(zhì)質(zhì)量流量kg/h；Δq-單位質(zhì)量流量工質(zhì)吸熱量kJ/kg；N -汽輪發(fā)電機(jī)輸出功率kW；η_t-單位工質(zhì)動(dòng)力循環(huán)熱效率%；η_oi-汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率%；η_g-發(fā)電機(jī)效率%；η_m-機(jī)械效率%。

等式的等號(hào)二中分母，η_g發(fā)電機(jī)效率、η_m機(jī)械效率，一般比較高，二者之乘積可以達(dá)到0.98及以上，即使汽輪發(fā)電機(jī)組實(shí)施技術(shù)改造，這兩個(gè)效率變化亦非常之小。為突出重點(diǎn)，便于分析問題，可認(rèn)為二者之乘積為常數(shù)A，便可得到式（1-3）HR熱耗率與第三個(gè)等號(hào)的關(guān)系式。

將式（1-2）、（1-3）代入（1-1）式，便可得到（1-4）。式（1-4）揭示了b_g供電煤耗率變化與η_bb鍋爐效率、η_t工質(zhì)動(dòng)力循環(huán)熱效率、η_oi汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率變化成反比關(guān)系；與ξ_ap廠用電率變化成正比關(guān)系；即：其中任一個(gè)效率升高，則b_g供電煤耗率下降，而廠用電率ξ_ap下降，則b_g供電煤耗率亦下降。反之，b_g供電煤耗率呈上升。

綜上所述：應(yīng)用熱力學(xué)及相關(guān)學(xué)科理論，公式（1-1）~（1-3）分別給出：火力發(fā)電廠相關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：b_g供電煤耗率；b發(fā)電煤耗率，HR熱耗率；ξ_ap廠用電率的計(jì)算方法，并且給出與這些經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相關(guān)的效率關(guān)系。

為突出重點(diǎn)，便于分析問題，結(jié)合式（1-1）~（1-3），便得出（1-4）式，更加直觀的反映出b_g供電煤耗率與這些效率的關(guān)系，為燃煤機(jī)組實(shí)施降低b_g供電煤耗率的技術(shù)改造方式與方法提供了思路與方向，也是降低b_g供電煤耗率的具體措施與方案，可供結(jié)合本廠生產(chǎn)實(shí)際，制定具體措施與方案時(shí)借鑒。

2. 各相關(guān)效率與ξ_ap廠用電率變化影響b_g供電煤耗率的主要因素

應(yīng)用（1-4）分析亞臨界及上參數(shù)汽輪機(jī)組，鍋爐效率η_b、單位工質(zhì)動(dòng)力循環(huán)熱效率η_t；汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率η_oi；廠用電率ξ_ap變化，影響供電煤耗率b_g的主要因素，具體見表2.1。

2.1鍋爐效率η_b影響

我國(guó)地域遼闊，煤炭資源分布不均，煤種煤質(zhì)差別很大。主要影響因素見表2.1，B列。

其一，能源政策煤電不可能應(yīng)用很好的煤種與煤質(zhì)，即使煤炭資源豐富的地區(qū)，煤質(zhì)也比較差。

其二，以設(shè)計(jì)煤種、煤質(zhì)選型的鍋爐，實(shí)際不可能燃燒設(shè)計(jì)煤種、煤質(zhì)等等因素。故此，實(shí)際運(yùn)行中，即使在額定工況下，鍋爐難以達(dá)到設(shè)計(jì)效率，亦會(huì)導(dǎo)致ξ_ap廠用電率升高，是b_g供電煤耗率達(dá)不到設(shè)計(jì)值，且實(shí)際運(yùn)行b_g供電煤耗率更高的主要矛盾。

“η_t單位工質(zhì)動(dòng)力循環(huán)熱效率”是指：?jiǎn)挝还べ|(zhì)熱變功，經(jīng)過“熱力學(xué)”理論三個(gè)熱力過程，完成一個(gè)熱力循環(huán)（即：水變?yōu)樗羝?，再變?yōu)樵瓉?lái)狀態(tài)的水）的效率。表2.1中C列，序號(hào)1~9屬于η_t工質(zhì)動(dòng)力循環(huán)熱效率范疇。

為直觀分析起見，應(yīng)用水蒸汽溫~熵（T~S）圖，效率為：工質(zhì)經(jīng)過1~2~3~4~5~6~1所包圍的面積F₁比上面積F₁十F₂。

顯然，F₁的面積越大，循環(huán)效率則越高。而F₁面積增大最有效的方法是：提高工質(zhì)初參數(shù)，提高線段4~5~6，即：工質(zhì)平均吸熱溫度。降低終參數(shù)，線段1～2，即：工質(zhì)平均放熱溫度，圖2.1。

圖2.1熱力循環(huán)在水蒸汽T~S圖表示

而降低終參數(shù)，受到大氣環(huán)境溫度的制約。提高初參數(shù)，受到金屬材料物理特性無(wú)法改變的制約，故：提高蒸汽初參數(shù)壓力與溫度在技術(shù)方面受到限制。

對(duì)于三缸或者多缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的汽輪機(jī)，根據(jù)相關(guān)理論η_oi汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率可用（2-1）式，計(jì)算成一個(gè)汽缸的相對(duì)內(nèi)效率。

無(wú)論是亞臨界300MW、600MW級(jí)容量還是超臨界600MW級(jí)或者超超臨界600MW級(jí)容量機(jī)組，以現(xiàn)今氣動(dòng)設(shè)計(jì)和加工技術(shù)，η_oi汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率均可以達(dá)到89%～90%（見附表1）?？偨Y(jié)現(xiàn)役和已經(jīng)實(shí)施通流改造后的機(jī)組使用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，普遍存在的問題是表2.1中D列，序號(hào)1～9，使用者普遍反映70%及以下低負(fù)荷工況效率低、η_oi汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率下降（老化）比較快。

廠用電率：火電廠機(jī)組每發(fā)一度電，自身所需要消耗電量比率。導(dǎo)致ξ_ap廠用電率高的主要原因是表2.1中序號(hào)1～9。

綜合分析，影響b_g供電煤耗率高的主要因素是：鍋爐燃料的煤種與煤質(zhì)。若鍋爐效率因此而提不上去，又造成廠用電率居高不下，所造成的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表2.1中C、D列影響。

例如：若純凝濕冷亞臨界機(jī)組，試驗(yàn)或者實(shí)際運(yùn)行η_b鍋爐效率都達(dá)到94%，ξ_ap廠用電率達(dá)到4%，b_g供電煤耗率都可以達(dá)到300g/kWh及以下。

再如：若η_b鍋爐效率比94%低4～6個(gè)百分點(diǎn)，ξ_ap廠用電率又比4%高出2～4個(gè)百分點(diǎn)的話，若依靠實(shí)施提高表2.1中C、D列效率的措施，如：汽輪機(jī)進(jìn)汽分別提高主、再蒸汽溫度到620℃。所能獲得降低機(jī)組b_g供電煤耗率的收益，無(wú)論是理論設(shè)計(jì)還是實(shí)踐，遠(yuǎn)遠(yuǎn)彌補(bǔ)不回來(lái)6～10個(gè)百分點(diǎn)產(chǎn)生的損失。

3. 降低b_g 供電煤耗率與相關(guān)效率

依據(jù)（1-4）式b_g供電煤耗率與相關(guān)效率、廠用電率關(guān)系，表2.1又分別列出影響各相關(guān)效率、ξ_ap廠用電率變化的主要因素，依次分別列舉其中幾個(gè)問題，結(jié)合設(shè)計(jì)與考核試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定性與定量闡述。

通過提高η_oi汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率，是降低供電煤耗率的主要措施之一。

（1）設(shè)計(jì)額定工況與考核試驗(yàn)主要結(jié)果^[8~13]

為判定汽輪機(jī)組設(shè)計(jì)性能，依據(jù)相關(guān)汽輪機(jī)組熱力性能試驗(yàn)規(guī)程^[8]，在額定負(fù)荷工況進(jìn)行性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果也難以達(dá)到設(shè)計(jì)的理論值。把偏離設(shè)計(jì)的試驗(yàn)值，依據(jù)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行修正到設(shè)計(jì)值之后，其性能基本可以達(dá)到或者接近理論設(shè)計(jì)值。

附表1列出五臺(tái)不同初參數(shù)、做功形式、調(diào)節(jié)方式300MW、600MW級(jí)機(jī)組設(shè)計(jì)與額定工況考核試驗(yàn)結(jié)果，汽輪機(jī)內(nèi)效率具有以下共性。

1）汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)對(duì)η_oi汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率影響不大，采取表2.1，D列措施提高η_oi汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率是降低b_g供電煤耗率措施之一。

2）以現(xiàn)代的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和加工工藝與技術(shù)，η_oi汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率均可以達(dá)到90%，試驗(yàn)結(jié)果亦達(dá)到了設(shè)計(jì)值。

3）中壓缸、低壓缸效率設(shè)計(jì)值基本相同，試驗(yàn)結(jié)果亦可以達(dá)到設(shè)計(jì)值。

4）由于調(diào)節(jié)方式不同，節(jié)流調(diào)節(jié)，高壓缸效率設(shè)計(jì)與試驗(yàn)都可以達(dá)到90%。噴嘴調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)高壓缸效率可以達(dá)到87%～88%，但試驗(yàn)結(jié)果未必都能達(dá)到設(shè)計(jì)值。

（2）部分負(fù)荷工況考核試驗(yàn)主要結(jié)果^[8~13]

由于電能不像其他產(chǎn)品，難以具有大量存儲(chǔ)性。機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的發(fā)電負(fù)荷隨電網(wǎng)的調(diào)度，幾乎時(shí)刻是變化的，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷幾乎不可能隨時(shí)處于設(shè)計(jì)工況，b_g供電煤耗率偏離設(shè)計(jì)值，是升高的。影響因素主要是：為減少汽門節(jié)流損失，進(jìn)汽參數(shù)降低，導(dǎo)致η_t工質(zhì)循環(huán)熱效率下降和汽門節(jié)流導(dǎo)致高壓缸效率降低，從而η_oi汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率亦隨之降低，見附表2。

附表2，列出上述五臺(tái)不同初參數(shù)、做功形式、調(diào)節(jié)方式300MW、600MW級(jí)機(jī)組50%工況考核試驗(yàn)結(jié)果，汽輪機(jī)內(nèi)效率具有以下共性。

1）無(wú)論釆用節(jié)流或者噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機(jī)，中、低壓缸效率均可以達(dá)到額定工況設(shè)計(jì)值。

2）高壓缸效率，節(jié)流調(diào)節(jié)的汽輪機(jī)可以達(dá)到85%以上。噴嘴調(diào)節(jié)的汽輪機(jī)只能達(dá)到80%以下，二者高壓缸效率相差5個(gè)百分點(diǎn)。

3）η_oi汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率，節(jié)流調(diào)節(jié)的汽輪機(jī)可以達(dá)到90%左右，噴嘴調(diào)節(jié)的汽輪機(jī)只能達(dá)到87%左右。二者相差約3個(gè)百分點(diǎn)。

1）二者之間的差別如圖3.1、.3.2所示。其中，圖3.1是汽輪機(jī)兩種調(diào)節(jié)方式熱力過程在h～S（焓～熵）圖中的表示。做功與閥門節(jié)流損失（指理想過程），在過程線1～2（設(shè)閥門節(jié)流為零）是節(jié)流調(diào)節(jié)方式汽輪機(jī)。過程線1^，～2^，，是噴嘴調(diào)節(jié)方式汽輪機(jī)。

其一，噴嘴調(diào)節(jié)等焓節(jié)流造成的損失為：理想焓降（做功能力）相對(duì)節(jié)流調(diào)節(jié)1～2過程線段長(zhǎng)度減小（△Hi＞△Hi^，）。

其二，噴嘴調(diào)節(jié)等焓節(jié)流熵S₃＞S₁，損失大小為：S₁～2～1～1^，～2^，～S₃～S₁所圍成的面積，其損失直接添加在工質(zhì)循環(huán)熱效率，造成熱效率下降，b_g供電煤耗率上升的結(jié)果。

圖3.1  節(jié)流與噴嘴調(diào)節(jié)熱力過程

圖3.2  噴嘴調(diào)節(jié)三缸、調(diào)節(jié)級(jí)效率與流量

其三，依據(jù)《汽輪機(jī)原理》，噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機(jī)變功況運(yùn)行，調(diào)節(jié)級(jí)的特性：

（1）機(jī)組功率越大，調(diào)節(jié)級(jí)效率越高，則調(diào)節(jié)級(jí)做功比率越小，高壓缸效率越高。

（2）

調(diào)節(jié)級(jí)效率直接影響高壓缸效率，這與調(diào)節(jié)汽門的開度、節(jié)流后的壓損，調(diào)節(jié)級(jí)的進(jìn)汽度、噴嘴組的加工、安裝工藝等因素（表2.1，D列）有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果見附表4，序號(hào)9～11。

2）噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機(jī)不同工況下，由于主汽門與調(diào)門開度的影響程度見附表3序號(hào)5-12、附表4序號(hào)6~11。

提高輪機(jī)進(jìn)汽的主、再熱蒸汽溫度，屬于提高η_t單位工質(zhì)動(dòng)力循環(huán)熱效率范疇，對(duì)η_oi汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率基本沒有影響。分別提高10℃，汽輪機(jī)HR熱耗率降低約0.5%。

以亞臨界300MW、600MW級(jí)容量機(jī)組設(shè)計(jì)額定工況或者考核試驗(yàn)THA工況為例，設(shè)計(jì)b_g供電煤耗率310g/kWh計(jì)（鍋爐效率92%、廠用電率6%），主、再熱蒸汽溫度分別提高10℃，b_g供電煤耗率將下降約1.6g/kWh。

既然是強(qiáng)調(diào)b_g供電煤耗率，必須考慮到受不同地域和資源條件等因素的影響，在不同地域，既使是同類型、初參數(shù)、容量的汽輪機(jī)，設(shè)計(jì)額定或額定試驗(yàn)工況下，η_oi汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率和η_t單位工質(zhì)動(dòng)力循環(huán)熱效率已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)值，但由于η_b鍋爐效率和ξ_ap廠用電率設(shè)計(jì)或者設(shè)計(jì)與實(shí)際不同，b_g供電煤耗率亦大不相同。

1）機(jī)組額定功率，設(shè)計(jì)和考核試驗(yàn)。若鍋爐效率94%、廠用電率4%。

（1）據(jù)附表1，G、H列和附表5，D、E列，序號(hào)7。亞臨界300、600MW級(jí)汽輪機(jī)，實(shí)施通流改造之后，機(jī)組b_g供電煤耗率分別為：298.9g/kWh和299.4g/kWh。

（2）實(shí)施通流改造并將主、再熱蒸汽溫度分別提高到600℃，附表5，D、E列，序號(hào)13，機(jī)組b_g供電煤耗率分別為：289.2 g/kWh和290.1g/kWh。

2）若機(jī)組額定功率，設(shè)計(jì)或者實(shí)際η_b鍋爐效率92%、ξ_ap廠用電率6%。

（1）汽輪機(jī)實(shí)施通流改造并將主、再熱蒸汽溫度分別提高到600℃，附表5，D、E列，序號(hào)14，則機(jī)組b_g供電煤耗率分別為：301.8 g/kWh和302.7g/kWh。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）應(yīng)用熱力學(xué)及學(xué)科相關(guān)理論和數(shù)學(xué)邏輯與方法，把b_g供電煤耗率與四個(gè)因素聯(lián)系起來(lái)，突出主要矛盾，推導(dǎo)出（1-4）式之間的相互邏輯關(guān)系，并由表2.1分別給出影響四個(gè)因素的主要問題，可以為定性分析原因，定量計(jì)算效果，亦可供確定降低b_g供電煤耗率的技術(shù)改造思路與方法，以及改造的措施與方案借鑒。

 2）對(duì)現(xiàn)役或者實(shí)施改造的汽輪機(jī)組，只需把設(shè)計(jì)各種工況或?qū)?yīng)設(shè)計(jì)各種工況試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)，分別代入式（1-4），便可以校核設(shè)計(jì)值或設(shè)計(jì)與實(shí)際值，從而定量判斷理論值與實(shí)際值的差距，分析出所存在的問題原因所在。式（1-4），其中η_oi汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率和η_t工質(zhì)循環(huán)熱效率兩個(gè)因素，對(duì)于相同初、終參數(shù)和類型與容量汽輪機(jī)組，以現(xiàn)在的氣動(dòng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)和熱力學(xué)理論，實(shí)踐證明，均可以達(dá)到設(shè)計(jì)值（見附表1），那么，既使汽輪機(jī)組無(wú)論安裝在不同的地域，對(duì)機(jī)組HR熱耗率的效果都是基本相同的。

3）但是，既然是強(qiáng)調(diào)降低b_g供電煤耗率，那么不得不考慮η_b鍋爐效率和ξ_ap廠用電率高低與大小。由于不同的地域和資源條件等因素，其存在有較大差異，因此，最終b_g供電煤耗率迥然不同。若設(shè)計(jì)或?qū)嶋Hη_b鍋爐效率偏低，ξ_ap廠用電率偏高，既使是超臨界參數(shù)機(jī)組，HR熱耗率可以達(dá)到設(shè)計(jì)值，而b_g供電煤耗率理論與實(shí)踐也未必能達(dá)到期望值，主要矛盾的主要方面是η_b鍋爐效率。

4）熱力學(xué)理論創(chuàng)立至今，理論方面沒有產(chǎn)生顛覆性突破，汽輪機(jī)組降低b_g供電煤耗率，實(shí)踐中豈能有顛覆性地下降。無(wú)論采用何種改造措施與方案，但仍然均脫離不了熱力學(xué)基本理論。

貫徹與落實(shí)“經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展”，結(jié)合自身的實(shí)際，綜合分析、系統(tǒng)地采取措施，可以取得較好的實(shí)際效果，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性才能真正達(dá)到預(yù)期的水平。

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