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燃煤發電機組能耗及污染物時空分布與調控 版權信息
- ISBN：9787030679703
- 條形碼：9787030679703 ; 978-7-03-067970-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
燃煤發電機組能耗及污染物時空分布與調控 內容簡介
燃煤發電是我國電力供應的主要來源，也是國家節能減排以及“碳中和”戰略實施的關鍵。本書以燃煤發電系統為對象，深入探討其節能理論與方法，并提出新穎節能技術。本書章闡述燃煤機組單耗分析理論與能耗時空分布規律；第2章介紹燃煤機組節能診斷方法及應用；第3章揭示燃煤機組污染物生成機制；第4章討論燃煤機組熱力系統流程重構與機爐耦合；第5章介紹燃煤機組空冷系統優化設計與全工況高效運行；第6章闡述綠色供熱理論及其在大機組熱電聯產節能中的應用；第7章討論太陽能輔助燃煤發電技術。
燃煤發電機組能耗及污染物時空分布與調控 目錄
目錄
序
前言
第1章 燃煤機組單耗分析理論與能耗時空分布規律 1
1.1 概述 1
1.2 單耗分析理論 3
1.2.1 燃煤發電機組的單耗 3
1.2.2 燃煤發電機組設備附加單耗 4
1.2.3 能耗敏度 4
1.2.4 改進的單耗分析 7
1.3 單耗分析理論的應用及能耗時空分布規律 11
1.3.1 鍋爐作為整體時機組單耗分析及能耗時空分布規律 11
1.3.2 鍋爐細化為多個設備過程時機組單耗分析及能耗時空分布規律 15
1.4 大型燃煤發電機組廣義能耗評價 28
1.4.1 多目標綜合評價方法 29
1.4.2 案例分析—面向節能發電調度的燃煤機組 35
參考文獻 45
第2章 燃煤機組節能診斷方法及應用 47
2.1 概述 47
2.2 機組實際狀態的確定 47
2.2.1 機組實際狀態與能耗表征 47
2.2.2 關鍵能耗特征變量的可控性分類解析 48
2.3 機組基準狀態的確定 49
2.3.1 設計目標值 50
2.3.2 維修可達目標值 50
2.3.3 運行可達目標值 51
2.3.4 機組各類目標值之間的關系 52
2.4 機組節能潛力診斷 52
2.4.1 基于能耗時空分布的節能診斷方法 53
2.4.2 基于降耗時空效應的燃煤機組節能診斷方法 57
2.4.3 數據驅動的燃煤發電機組節能診斷 66
2.5 燃煤機組節能診斷應用案例分析 76
2.5.1 燃煤機組初、終參數的能耗敏度 76
2.5.2 汽輪機缸效率的能耗敏度 81
2.5.3 燃煤發電機組部件性能診斷 84
參考文獻 89
第3章 燃煤機組污染物生成機制 92
3.1 概述 92
3.2 燃料氮遷移轉化生成NOx前驅體的機理 93
3.2.1 氫自由基對吡咯熱解生成HCN的影響 94
3.2.2 水分對吡咯熱解生成NH3/HCN的影響 98
3.3 NOx前驅體向含氮產物的轉化機制 106
3.3.1 HCN、NH3和HNCO在CaO(100)表面向含氮產物的轉化機制 106
3.3.2 NOx污染物的分解還原機制 116
參考文獻 133
第4章 燃煤機組熱力系統流程重構與機爐耦合 136
4.1 概述 136
4.2 汽輪機熱力系統流程重構 138
4.2.1 二次再熱機組回熱系統流程重構 138
4.2.2 外置式蒸汽冷卻器系統 149
4.2.3 回熱式汽輪機系統 154
4.3 鍋爐低品位熱量高效利用與流程重構 159
4.3.1“串聯式”鍋爐尾部受熱面流程重構 159
4.3.2“并聯式”鍋爐尾部受熱面流程重構 172
4.3.3 煙氣余熱驅動原煤預干燥流程重構 176
4.4 機爐深度耦合流程重構及其應用 188
4.4.1“機爐耦合”概念的提出 188
4.4.2“機爐耦合”流程重構案例分析 190
參考文獻 195
第5章 燃煤機組空冷系統優化設計與全工況高效運行 197
5.1 概述 197
5.2 直接空冷系統發展現狀 198
5.3 直接空冷系統輸運性能 199
5.3.1 研究對象及模型 199
5.3.2 流動傳熱分析 201
5.3.3 軸流風機性能分析 203
5.3.4 熱力性能變化規律 205
5.4 直接空冷系統優化設計與運行 206
5.4.1 空冷凝汽器單元豎直布置策略 206
5.4.2 空冷凝汽器單元引風式“V”型結構布置 213
5.5 間接空冷系統發展現狀 223
5.6 間接空冷系統輸運性能 225
5.6.1 研究對象及模型 225
5.6.2 流動傳熱性能分析 227
5.6.3 空冷散熱器扇段熱力性能變化規律 231
5.6.4 空冷系統總體熱力性能變化規律 232
5.7 間接空冷系統優化設計與運行 233
5.7.1 冷卻空氣流場調控 233
5.7.2 改進型空氣流場調控 247
5.7.3 冬季防凍運行調控 266
參考文獻 274
第6章 綠色供熱理論及其在大機組熱電聯產節能中的應用 278
6.1 概述 278
6.2 綠色供熱理論與熱電聯產能耗評價 280
6.2.1 供熱系統的理論*低燃料單耗 280
6.2.2 綠色供熱系統的建立及其指標 282
6.2.3 熱電聯產能耗評價模型 284
6.2.4 綠色供熱系統評價應用及分析 288
6.3 熱電聯產系統全過程聯合特性 292
6.3.1 熱網系統性能分析 292
6.3.2 熱網加熱器特性分析 293
6.3.3 低壓缸性能分析 296
6.3.4 供熱系統聯合性能分析 297
6.3.5 *佳冷凝熱網加熱器及其參數的確定方法 299
6.4 熱電聯產機組節能技術 300
6.4.1 供熱抽汽可用能高效回收 300
6.4.2 汽輪機低品位余熱能梯級利用 305
6.4.3 高背壓供熱汽輪機低壓部分性能優化 313
6.4.4 汽輪機低品位能分級加熱 319
6.5 汽輪機排汽與抽汽耦合的梯級供熱系統 327
6.5.1 梯級供熱系統的熱負荷分配 327
6.5.2 DCK梯級供熱系統案例分析 329
參考文獻 336
第7章 太陽能輔助燃煤發電技術 338
7.1 概述 338
7.2 太陽能輔助燃煤發電系統性能評價 339
7.3 太陽能輔助燃煤發電系統典型集成方案與熱力特性 351
7.3.1 太陽能輔助燃煤發電系統典型集成方案 351
7.3.2 太陽能輔助燃煤發電系統熱力特性分析 355
7.4 太陽能輔助燃煤發電系統通用優化集成方法及全工況優化 377
7.4.1 通用方法系統集成優化 377
7.4.2 算例研究：一次再熱超臨界機組 381
7.4.3 太陽能輔助燃煤發電系統全工況優化成本模型 392
7.4.4 多目標優化算法 394
7.4.5 太陽能輔助燃煤發電系統全工況優化 395
參考文獻 410
索引 412
序
前言
第1章 燃煤機組單耗分析理論與能耗時空分布規律 1
1.1 概述 1
1.2 單耗分析理論 3
1.2.1 燃煤發電機組的單耗 3
1.2.2 燃煤發電機組設備附加單耗 4
1.2.3 能耗敏度 4
1.2.4 改進的單耗分析 7
1.3 單耗分析理論的應用及能耗時空分布規律 11
1.3.1 鍋爐作為整體時機組單耗分析及能耗時空分布規律 11
1.3.2 鍋爐細化為多個設備過程時機組單耗分析及能耗時空分布規律 15
1.4 大型燃煤發電機組廣義能耗評價 28
1.4.1 多目標綜合評價方法 29
1.4.2 案例分析—面向節能發電調度的燃煤機組 35
參考文獻 45
第2章 燃煤機組節能診斷方法及應用 47
2.1 概述 47
2.2 機組實際狀態的確定 47
2.2.1 機組實際狀態與能耗表征 47
2.2.2 關鍵能耗特征變量的可控性分類解析 48
2.3 機組基準狀態的確定 49
2.3.1 設計目標值 50
2.3.2 維修可達目標值 50
2.3.3 運行可達目標值 51
2.3.4 機組各類目標值之間的關系 52
2.4 機組節能潛力診斷 52
2.4.1 基于能耗時空分布的節能診斷方法 53
2.4.2 基于降耗時空效應的燃煤機組節能診斷方法 57
2.4.3 數據驅動的燃煤發電機組節能診斷 66
2.5 燃煤機組節能診斷應用案例分析 76
2.5.1 燃煤機組初、終參數的能耗敏度 76
2.5.2 汽輪機缸效率的能耗敏度 81
2.5.3 燃煤發電機組部件性能診斷 84
參考文獻 89
第3章 燃煤機組污染物生成機制 92
3.1 概述 92
3.2 燃料氮遷移轉化生成NOx前驅體的機理 93
3.2.1 氫自由基對吡咯熱解生成HCN的影響 94
3.2.2 水分對吡咯熱解生成NH3/HCN的影響 98
3.3 NOx前驅體向含氮產物的轉化機制 106
3.3.1 HCN、NH3和HNCO在CaO(100)表面向含氮產物的轉化機制 106
3.3.2 NOx污染物的分解還原機制 116
參考文獻 133
第4章 燃煤機組熱力系統流程重構與機爐耦合 136
4.1 概述 136
4.2 汽輪機熱力系統流程重構 138
4.2.1 二次再熱機組回熱系統流程重構 138
4.2.2 外置式蒸汽冷卻器系統 149
4.2.3 回熱式汽輪機系統 154
4.3 鍋爐低品位熱量高效利用與流程重構 159
4.3.1“串聯式”鍋爐尾部受熱面流程重構 159
4.3.2“并聯式”鍋爐尾部受熱面流程重構 172
4.3.3 煙氣余熱驅動原煤預干燥流程重構 176
4.4 機爐深度耦合流程重構及其應用 188
4.4.1“機爐耦合”概念的提出 188
4.4.2“機爐耦合”流程重構案例分析 190
參考文獻 195
第5章 燃煤機組空冷系統優化設計與全工況高效運行 197
5.1 概述 197
5.2 直接空冷系統發展現狀 198
5.3 直接空冷系統輸運性能 199
5.3.1 研究對象及模型 199
5.3.2 流動傳熱分析 201
5.3.3 軸流風機性能分析 203
5.3.4 熱力性能變化規律 205
5.4 直接空冷系統優化設計與運行 206
5.4.1 空冷凝汽器單元豎直布置策略 206
5.4.2 空冷凝汽器單元引風式“V”型結構布置 213
5.5 間接空冷系統發展現狀 223
5.6 間接空冷系統輸運性能 225
5.6.1 研究對象及模型 225
5.6.2 流動傳熱性能分析 227
5.6.3 空冷散熱器扇段熱力性能變化規律 231
5.6.4 空冷系統總體熱力性能變化規律 232
5.7 間接空冷系統優化設計與運行 233
5.7.1 冷卻空氣流場調控 233
5.7.2 改進型空氣流場調控 247
5.7.3 冬季防凍運行調控 266
參考文獻 274
第6章 綠色供熱理論及其在大機組熱電聯產節能中的應用 278
6.1 概述 278
6.2 綠色供熱理論與熱電聯產能耗評價 280
6.2.1 供熱系統的理論*低燃料單耗 280
6.2.2 綠色供熱系統的建立及其指標 282
6.2.3 熱電聯產能耗評價模型 284
6.2.4 綠色供熱系統評價應用及分析 288
6.3 熱電聯產系統全過程聯合特性 292
6.3.1 熱網系統性能分析 292
6.3.2 熱網加熱器特性分析 293
6.3.3 低壓缸性能分析 296
6.3.4 供熱系統聯合性能分析 297
6.3.5 *佳冷凝熱網加熱器及其參數的確定方法 299
6.4 熱電聯產機組節能技術 300
6.4.1 供熱抽汽可用能高效回收 300
6.4.2 汽輪機低品位余熱能梯級利用 305
6.4.3 高背壓供熱汽輪機低壓部分性能優化 313
6.4.4 汽輪機低品位能分級加熱 319
6.5 汽輪機排汽與抽汽耦合的梯級供熱系統 327
6.5.1 梯級供熱系統的熱負荷分配 327
6.5.2 DCK梯級供熱系統案例分析 329
參考文獻 336
第7章 太陽能輔助燃煤發電技術 338
7.1 概述 338
7.2 太陽能輔助燃煤發電系統性能評價 339
7.3 太陽能輔助燃煤發電系統典型集成方案與熱力特性 351
7.3.1 太陽能輔助燃煤發電系統典型集成方案 351
7.3.2 太陽能輔助燃煤發電系統熱力特性分析 355
7.4 太陽能輔助燃煤發電系統通用優化集成方法及全工況優化 377
7.4.1 通用方法系統集成優化 377
7.4.2 算例研究：一次再熱超臨界機組 381
7.4.3 太陽能輔助燃煤發電系統全工況優化成本模型 392
7.4.4 多目標優化算法 394
7.4.5 太陽能輔助燃煤發電系統全工況優化 395
參考文獻 410
索引 412
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燃煤發電機組能耗及污染物時空分布與調控 節選
第1章 燃煤機組單耗分析理論與能耗時空分布規律 1.1 概述 燃煤發電是將煤的化學能轉變為電能的生產過程，包括煤的化學能轉化釋放、熱能和機械能的傳遞、轉換等多個環節，涉及流動、傳熱、能量轉換等多個過程。燃煤發電機組的能效與能耗評價方法主要基于熱力學**定律和第二定律。 熱力學**定律分析法通常稱為熱平衡法，以熱力循環和熱力系統為對象，以熱效率為評價指標，分析、評價用能設備和系統能量有效利用的狀況與程度，通過熱量平衡計算熱效率和熱損失，得到系統中熱量有效利用的程度，找出熱損失*大的部位和能量利用的薄弱環節，為改進系統的用能水平提供理論依據。為提高計算效率，研究人員提出等效熱降法[1]、循環函數法[2]、矩陣法[3]、熱(汽)耗變換系數法[4]等，應用于燃煤發電機組熱力系統的熱經濟性評價和節能診斷，取得了較好的節能效果。然而，這些方法主要考慮能量的數量，未直接考慮能量的品質，未能深入細致地揭示能量不可逆損失的部位和原因。 熱力學第二定律分析法以熵平衡法和平衡法[5-7]為代表，不再將熱力系統當作一個黑箱，而以能量傳遞和轉換過程為研究對象，引入熵和的概念，定量計算不可逆過程的熵增和損失，進而獲得各過程的熵增和損分布，從而發現能量系統的薄弱環節。第二定律分析法既考慮整體系統，又注重內部過程，從能量的質和量兩方面對能量系統進行綜合評價。與能量不同，物流的可以因過程的不可逆性而損耗掉，也可能因與環境的交互而散失掉。分析的關鍵是明確系統內各過程或設備的燃料、產品、耗散、平衡方程式和效率。平衡方程式有多種形式，對于系統或設備k而言，其常可寫為 (1-1) (1-2) 式中，EF，sys為系統燃料總；EP，sys為系統產品總；ED，sys為系統耗損的總； EL，sys為系統流失到環境中的總；EF，k為單元設備燃料；EP，k為單元設備產品exex；ED，k為單元設備損失；為系統效率；為單元設備效率。 在分析的基礎上，20世紀60年代興起的熱經濟學將熱力學分析與經濟優化理論相結合，王加璇教授于20世紀80年代將熱經濟學系統地引入國內[8，9]。Tsatsaronis在1984年提出經濟學概念，形成了經濟學分析方法[10]，之后又發展了先進分析方法[11]，將設備或過程的損耗分為設備自身因素及系統拓撲因素引起的損耗、或可避免和不可避免損耗等。 長期以來，我國工程領域的能量利用系統多采用標準煤耗指標進行評價，宋之平教授將分析與工程界常用的燃料消耗指標相關聯，提出了“單耗分析理論”[12-14]，確定了系統的理論*低單耗及設備的附加單耗，在得到總體能耗(產品能耗)的同時還能反映其空間分布特性。在此基礎上，作者團隊進一步發展和完善單耗分析理論，提出能耗時空分布概念和改進的單耗分析方法[15，16]，將各設備的附加單耗進一步分為由設備自身結構因素導致的附加單耗和由系統拓撲因素導致的附加單耗，并將其應用于燃煤發電機組的能耗分析、評價與診斷，在設計與運行層面評判其薄弱環節，進而提出過程改進措施和運行調整策略。 隨著環保要求的日趨嚴格，污染物排放控制成為燃煤發電企業重要任務，污染物減排會增加煤電機組能耗。同時，我國北方地區水資源缺乏，建設大量空冷機組，雖然節水但煤耗較高。因此采用常規的熱效率、煤耗率很難綜合評價現代燃煤發電機組的性能，對電廠經濟性綜合評價提出新的課題。作者團隊綜合考慮能耗、水耗和污染物排放等，提出燃煤發電機組廣義能耗的概念，并在廣義能耗評價方法層面進行深入探索[17，18]。 本章闡述了單耗分析理論，將其應用于不同類型大型燃煤發電機組，得到各類型機組的能耗時空分布規律。從設備角度，鍋爐側附加單耗*大，占機組總體能耗的一半；汽機側附加單耗較大的設備主要有凝汽器、低壓缸、高壓缸、中壓缸、汽動給水泵組、末級低加(低壓加熱器)、3#高加(高壓加熱器)等。空冷機組能耗高于濕冷機組，主要原因為空冷凝汽器壓力較高導致排汽散失大。從過程角度，燃燒、傳熱傳質、排放流失能耗*大，且系統上游過程(比如燃燒和傳熱過程)受其他過程影響更大。傳熱過程本身的可避免部分*大，但過程越靠近*終產品，其改進對機組總體能耗降低的貢獻也越大，因此熱功轉換過程的可避免能耗雖遠小于傳熱傳質過程，卻有相當大的降耗時空效應。考慮到可操作性，傳熱傳質過程更應當受到重視。排放流失對系統的貢獻取決于余熱利用方式，余熱轉化為功量越多，其降耗時空效應也相應越高，鑒于此提出機爐深度耦合集成優化技術、汽輪機排汽余熱梯級利用技術，實現燃煤發電機組的深度節能降耗。 在廣義能耗評價方面，本章分析了多目標評價(MOCE)方法在燃煤發電機組綜合評價中的應用情況，通過深入研究相關評價模型及賦權方法，對評價過程中的幾個關鍵技術問題做了深入探討并提出了應對措施。基于MOCE方法對燃煤發電機組廣義能耗評價場景進行了實例分析，提出了面向未來電力系統節能發電調度的機組發電序位表制定方法。 1.2 單耗分析理論 單耗分析將抽象的耗散以具體的燃料單耗表示，容易被理解和運用，增強了設備性能評價指標的實用性，對同一設備在不同系統狀態下的性能變化的評價更加客觀準確，為系統改進和節能降耗提供明確的指導。 任何能量系統都消耗燃料或原材料稱之為“燃料”，*終產出的有用部分稱之為“產品”，其余部分稱為“耗散”。“產品量”與“燃料量”的比值稱為效率，“耗散量”與“燃料量”的比值稱為損失率，而“燃料量”與“產品量”的比值稱為產品的燃料單耗，“耗散量”與“產品量”的比值稱為產品的附加燃料單耗。產品的燃料單耗為理論*低單耗與附加燃料單耗之和，理論*低單耗是系統各過程完全可逆時產品的燃料單耗，附加燃料單耗是由于過程不可逆與排放至環境引起的燃料單耗之和。 1.2.1 燃煤發電機組的單耗 對于燃煤發電機組，消耗的“燃料”是煤，“產品”是電，效率和煤耗率常用作評價燃煤發電機組的主要熱經濟指標，而煤耗率與評價方法無關，都是消耗的標準煤量與生產電量的比值，產品的燃料單耗稱為發電單耗，即發電煤耗率。燃煤機組發電單耗bs主要由理論*低單耗bmin和設備附加單耗bj組成。理論*低單耗為發電過程完全可逆(即產品總值P等于燃料總值F)情況下的發電單耗，而設備附加單耗為設備過程不可逆性與排放流失引起的附加燃料單耗。 (1-3) 式中，Bs為燃料量；W為產品量；F為燃料總值；eF為燃料比；P為產品總值；eP為產品比。對于燃煤發電機組，產品是電能，1kW h電能比等于3600kJ，消耗燃料是標準煤，其比近似等于其低位發熱量，即292712kJ/kg，因此其理論*低單耗為 (1-4) 各設備附加單耗可表示為 (1-5) 式中，ED，j為設備過程不可逆性或排放流失引起的耗散。 式(1-6)反映單耗與效率、損失系數之間的關系： (1-6) 式中，ηex為機組的效率；ξj為設備損失系數。 可見，理論*低單耗與發電煤耗率之比等于機組的效率，設備附加單耗與發電煤耗率之比等于設備的損失系數，附加單耗高對應損失系數大。 1.2.2 燃煤發電機組設備附加單耗 燃煤發電機組是一個復雜的能量系統，主要包括燃料化學能轉化釋放過程、換熱過程、流動過程、膨脹做功過程、能量散失過程、機械能的傳遞與轉化過程等。這些過程都與相應的設備或部件相關聯，如從設備組成來看，燃煤發電系統主要包括鍋爐、汽輪機、主再熱蒸汽管道、回熱加熱器、除氧器(DEA)、回熱抽汽管道、凝汽器、軸封加熱器、凝結水泵、給水泵組等。鍋爐還可進一步細分為各組成受熱面，如省煤器、空氣預熱器、過熱器、再熱器等。管道系統可細分為主蒸汽管道、再熱熱段管道、再熱冷段管道、給水管道、回熱抽汽管道、疏水管道等。汽輪機本體可細分為各個汽缸或級組。典型燃煤發電機組熱力系統如圖1-1所示，相應計算各設備附加單耗損失的計算公式列于表1-1。 表1-1中，ED表示設備的損失，D表示工質流量，e表示工質比，W表示汽輪機各汽缸作功或者水泵耗功，h為工質比焓。 1.2.3 能耗敏度 能耗(單耗)敏度是系統能耗隨決策變量的變化值，有絕對值和相對值之分。能耗敏度分析可確定決策變量變化導致機組總體能耗的變化量，以輔助分析設備設計、運行、檢修等方面存在的問題。決策變量是由運行、檢修、設計人員可以控制的，影響能量系統經濟性能的參數。 假定能量系統的能耗(或產品單耗)為y，影響該系統熱經濟性的變量分別為，則該系統的能耗可表示成多元函數，即 (1-7) 假定各個變量之間相互獨立，線性無關，且函數連續可導，則能量系統的能耗(或產品單耗)的全增量可表示為 式中，分別為能量系統第i個變量變化前后的值；為函數沿方向的偏導數；xi第i個變量的變化值。 (1-8) 或者 (1-9) 表1-1 典型燃煤機組主要設備
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