第1章 燃煤机组单耗分析理论与能耗时空分布规律
1.1 概述
燃煤发电是将煤的化学能转变为电能的生产过程，包括煤的化学能转化释放、热能和机械能的传递、转换等多个环节，涉及流动、传热、能量转换等多个过程。燃煤发电机组的能效与能耗评价方法主要基于热力学第一定律和第二定律。
热力学第一定律分析法通常称为热平衡法，以热力循环和热力系统为对象，以热效率为评价指标，分析、评价用能设备和系统能量有效利用的状况与程度，通过热量平衡计算热效率和热损失，得到系统中热量有效利用的程度，找出热损失*大的部位和能量利用的薄弱环节，为改进系统的用能水平提供理论依据。为提高计算效率，研究人员提出等效热降法[1]、循环函数法[2]、矩阵法[3]、热(汽)耗变换系数法[4]等，应用于燃煤发电机组热力系统的热经济性评价和节能诊断，取得了较好的节能效果。然而，这些方法主要考虑能量的数量，未直接考虑能量的品质，未能深入细致地揭示能量不可逆损失的部位和原因。
热力学第二定律分析法以熵平衡法和平衡法[5-7]为代表，不再将热力系统当作一个黑箱，而以能量传递和转换过程为研究对象，引入熵和的概念，定量计算不可逆过程的熵增和损失，进而获得各过程的熵增和损分布，从而发现能量系统的薄弱环节。第二定律分析法既考虑整体系统，又注重内部过程，从能量的质和量两方面对能量系统进行综合评价。与能量不同，物流的可以因过程的不可逆性而损耗掉，也可能因与环境的交互而散失掉。分析的关键是明确系统内各过程或设备的燃料、产品、耗散、平衡方程式和效率。平衡方程式有多种形式，对于系统或设备k而言，其常可写为
(1-1)
(1-2)
式中，EF，sys为系统燃料总；EP，sys为系统产品总；ED，sys为系统耗损的总； EL，sys为系统流失到环境中的总；EF，k为单元设备燃料；EP，k为单元设备产品exex；ED，k为单元设备损失；为系统效率；为单元设备效率。
在分析的基础上，20世纪60年代兴起的热经济学将热力学分析与经济优化理论相结合，王加璇教授于20世纪80年代将热经济学系统地引入国内[8，9]。Tsatsaronis在1984年提出经济学概念，形成了经济学分析方法[10]，之后又发展了先进分析方法[11]，将设备或过程的损耗分为设备自身因素及系统拓扑因素引起的损耗、或可避免和不可避免损耗等。
长期以来，我国工程领域的能量利用系统多采用标准煤耗指标进行评价，宋之平教授将分析与工程界常用的燃料消耗指标相关联，提出了“单耗分析理论”[12-14]，确定了系统的理论*低单耗及设备的附加单耗，在得到总体能耗(产品能耗)的同时还能反映其空间分布特性。在此基础上，作者团队进一步发展和完善单耗分析理论，提出能耗时空分布概念和改进的单耗分析方法[15，16]，将各设备的附加单耗进一步分为由设备自身结构因素导致的附加单耗和由系统拓扑因素导致的附加单耗，并将其应用于燃煤发电机组的能耗分析、评价与诊断，在设计与运行层面评判其薄弱环节，进而提出过程改进措施和运行调整策略。
随着环保要求的日趋严格，污染物排放控制成为燃煤发电企业重要任务，污染物减排会增加煤电机组能耗。同时，我国北方地区水资源缺乏，建设大量空冷机组，虽然节水但煤耗较高。因此采用常规的热效率、煤耗率很难综合评价现代燃煤发电机组的性能，对电厂经济性综合评价提出新的课题。作者团队综合考虑能耗、水耗和污染物排放等，提出燃煤发电机组广义能耗的概念，并在广义能耗评价方法层面进行深入探索[17，18]。
本章阐述了单耗分析理论，将其应用于不同类型大型燃煤发电机组，得到各类型机组的能耗时空分布规律。从设备角度，锅炉侧附加单耗*大，占机组总体能耗的一半；汽机侧附加单耗较大的设备主要有凝汽器、低压缸、高压缸、中压缸、汽动给水泵组、末级低加(低压加热器)、3#高加(高压加热器)等。空冷机组能耗高于湿冷机组，主要原因为空冷凝汽器压力较高导致排汽散失大。从过程角度，燃烧、传热传质、排放流失能耗*大，且系统上游过程(比如燃烧和传热过程)受其他过程影响更大。传热过程本身的可避免部分*大，但过程越靠近*终产品，其改进对机组总体能耗降低的贡献也越大，因此热功转换过程的可避免能耗虽远小于传热传质过程，却有相当大的降耗时空效应。考虑到可操作性，传热传质过程更应当受到重视。排放流失对系统的贡献取决于余热利用方式，余热转化为功量越多，其降耗时空效应也相应越高，鉴于此提出机炉深度耦合集成优化技术、汽轮机排汽余热梯级利用技术，实现燃煤发电机组的深度节能降耗。
在广义能耗评价方面，本章分析了多目标评价(MOCE)方法在燃煤发电机组综合评价中的应用情况，通过深入研究相关评价模型及赋权方法，对评价过程中的几个关键技术问题做了深入探讨并提出了应对措施。基于MOCE方法对燃煤发电机组广义能耗评价场景进行了实例分析，提出了面向未来电力系统节能发电调度的机组发电序位表制定方法。
1.2 单耗分析理论
单耗分析将抽象的耗散以具体的燃料单耗表示，容易被理解和运用，增强了设备性能评价指标的实用性，对同一设备在不同系统状态下的性能变化的评价更加客观准确，为系统改进和节能降耗提供明确的指导。
任何能量系统都消耗燃料或原材料称之为“燃料”，*终产出的有用部分称之为“产品”，其余部分称为“耗散”。“产品量”与“燃料量”的比值称为效率，“耗散量”与“燃料量”的比值称为损失率，而“燃料量”与“产品量”的比值称为产品的燃料单耗，“耗散量”与“产品量”的比值称为产品的附加燃料单耗。产品的燃料单耗为理论*低单耗与附加燃料单耗之和，理论*低单耗是系统各过程完全可逆时产品的燃料单耗，附加燃料单耗是由于过程不可逆与排放至环境引起的燃料单耗之和。
1.2.1 燃煤发电机组的单耗
对于燃煤发电机组，消耗的“燃料”是煤，“产品”是电，效率和煤耗率常用作评价燃煤发电机组的主要热经济指标，而煤耗率与评价方法无关，都是消耗的标准煤量与生产电量的比值，产品的燃料单耗称为发电单耗，即发电煤耗率。燃煤机组发电单耗bs主要由理论*低单耗bmin和设备附加单耗bj组成。理论*低单耗为发电过程完全可逆(即产品总值P等于燃料总值F)情况下的发电单耗，而设备附加单耗为设备过程不可逆性与排放流失引起的附加燃料单耗。
(1-3)
式中，Bs为燃料量；W为产品量；F为燃料总值；eF为燃料比；P为产品总值；eP为产品比。对于燃煤发电机组，产品是电能，1kW h电能比等于3600kJ，消耗燃料是标准煤，其比近似等于其低位发热量，即292712kJ/kg，因此其理论*低单耗为
(1-4)
各设备附加单耗可表示为
(1-5)
式中，ED，j为设备过程不可逆性或排放流失引起的耗散。
式(1-6)反映单耗与效率、损失系数之间的关系：
(1-6)
式中，ηex为机组的效率；ξj为设备损失系数。
可见，理论*低单耗与发电煤耗率之比等于机组的效率，设备附加单耗与发电煤耗率之比等于设备的损失系数，附加单耗高对应损失系数大。
1.2.2 燃煤发电机组设备附加单耗
燃煤发电机组是一个复杂的能量系统，主要包括燃料化学能转化释放过程、换热过程、流动过程、膨胀做功过程、能量散失过程、机械能的传递与转化过程等。这些过程都与相应的设备或部件相关联，如从设备组成来看，燃煤发电系统主要包括锅炉、汽轮机、主再热蒸汽管道、回热加热器、除氧器(DEA)、回热抽汽管道、凝汽器、轴封加热器、凝结水泵、给水泵组等。锅炉还可进一步细分为各组成受热面，如省煤器、空气预热器、过热器、再热器等。管道系统可细分为主蒸汽管道、再热热段管道、再热冷段管道、给水管道、回热抽汽管道、疏水管道等。汽轮机本体可细分为各个汽缸或级组。典型燃煤发电机组热力系统如图1-1所示，相应计算各设备附加单耗损失的计算公式列于表1-1。
表1-1中，ED表示设备的损失，D表示工质流量，e表示工质比，W表示汽轮机各汽缸作功或者水泵耗功，h为工质比焓。
1.2.3 能耗敏度
能耗(单耗)敏度是系统能耗随决策变量的变化值，有绝对值和相对值之分。能耗敏度分析可确定决策变量变化导致机组总体能耗的变化量，以辅助分析设备设计、运行、检修等方面存在的问题。决策变量是由运行、检修、设计人员可以控制的，影响能量系统经济性能的参数。
假定能量系统的能耗(或产品单耗)为y，影响该系统热经济性的变量分别为，则该系统的能耗可表示成多元函数，即
(1-7)
假定各个变量之间相互独立，线性无关，且函数连续可导，则能量系统的能耗(或产品单耗)的全增量可表示为
式中，分别为能量系统第i个变量变化前后的值；为函数沿方向的偏导数；xi第i个变量的变化值。
(1-8)
或者
(1-9)
表1-1 典型燃煤机组主要设备
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