CN110307129A - 地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能发电量评估方法 - Google Patents

地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能发电量评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能发电量评估方法，步骤1：设置汽轮机系统的抽汽级数为N级，将汽轮机系统分为N+1级汽轮机子系统，N+1级汽轮机子系统内的通流量相等，将回热系统分为N级回热子系统，N级回热子系统分别对应N级给水加热器。步骤2：根据地热集热系统和燃煤机组的设计工况数据与设计运行数据，确定N级给水加热器的能量平衡并联矩阵关系式，计算N级抽汽中每一级抽汽的流量，然后计算N+1级汽轮机子系统到发电机（10）的机械能输出。

Description

地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能发电量评估方法
技术领域
本发明涉及新能源与燃煤的多能源综合利用系统技术领域，具体涉及地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能发电量评估方法。
背景技术
随着世界能源的消耗水平的不断攀升，煤炭、天然气等传统能源的储量不断被消耗，面临枯竭的危险。同时，化石能源的过量使用已经导致了严重的环境与气候问题。近几年来，太阳能、风能、地热能等可再生能源具有客观的前景，可以从一定程度上缓解人类的能源危机。
作为清洁环保的新型可再生能源，我国地热能资源储量大、分布广，同时可以实现能量的稳定输出，然而地热能的温度很低，因而其能量品位较低，严重限制了地热能的发电潜能。将地热能与燃煤机组进行耦合，可以一定程度提高地热能的发电潜能。一方面，地热能与燃煤机组都以热作为中间介质参与热力循环，另一方面，地热能可以借助火电机组大容量、高参数的火力发电设备实现更高效的能量转化。
地热能辅助燃煤互补发电系统通常由地热能换热器和燃煤机组两部分构成，地热能产生的能量用于预热低压加热器的给水，同时，汽轮机末级抽汽减少并继续在汽轮机中做功，从而达到多发电的效果。
然而，地热能辅助燃煤互补发电系统是一个多能量输入输出的系统，地热能与煤是两种不同的能源，两者的能量数量与能量品位差异很大，因此，在地热能辅助燃煤互补发电系统的发电总量中，地热能与燃煤各自的贡献度是制定地热能辅助燃煤互补发电系统的补贴方案的重要参考依据，而区分地热能发电量与燃煤发电量是目前遇到的重要难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能发电量评估方法。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：本发明提供地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能发电量评估方法，所述地热能辅助燃煤互补发电系统包括地热集热系统和燃煤机组，所述燃煤机组包括汽轮机系统、锅炉系统、回热系统、凝汽器系统19和发电机10；所述汽轮机系统包括汽轮机高压缸、汽轮机中压缸和汽轮机低压缸，所述汽轮机高压缸具有N1级高压缸子系统，所述汽轮机中压缸具有N2级中压缸子系统，所述汽轮机低压缸具有N3级低压缸子系统；所述锅炉系统包括锅炉过热子系统20和锅炉再热子系统21；所述回热系统包括多级回热子系统，每级回热子系统对应一级给水加热器；给水是指经过所述凝汽器系统19冷凝后的凝结水，给水经过多级所述给水加热器加热后进入所述锅炉过热子系统20，疏水是指抽汽经过多级所述给水加热器放热后形成的凝结水；从所述凝汽器系统19而来的给水依次被最后一级给水加热器至第一级给水加热器加热到达所述锅炉系统，其中，最靠近所述凝汽器系统19的给水加热器为最后一级给水加热器，最远离所述凝汽器系统的给水加热器为第一级给水加热器11，所述锅炉系统将给水加热为高温高压的过热蒸汽，并进入所述汽轮机高压缸做功，所述汽轮机高压缸中的第一部分抽汽被分级抽取，分别进入第一级给水加热器11和第二级给水加热器12中加热，所述汽轮机高压缸中的第二部分抽汽以排汽的形式进入所述锅炉再热子系统21再热后形成再热蒸汽，然后进入所述汽轮机中压缸和所述汽轮机低压缸做功，做功后的第一部分抽汽被分级抽取分别进入第三级给水加热器13至最后一级给水加热器中加热给水，做功后的第二部分抽汽以乏汽的形式进入所述凝汽器系统19冷却；
所述地热集热系统包括地热井、地热/给水换热器22、热用户及多个阀门，所述地热集热系统负责收集地热能并通过所述地热/给水换热器22传递到所述燃煤机组，在所述地热井中，地下水被地热能加热形成高温地热蒸汽，并通过所述地热/给水换热器22预热所述凝汽器系统19出口的给水，以提高最末级给水加热器中入口给水的温度，最后，所述地热/给水换热器22把冷却的地热蒸汽输送给附近的热用户，以实现能量的梯级利用；
本发明的地热能发电量评估方法包括以下步骤：
步骤1：设置所述汽轮机系统的抽汽级数为N级，且所述N为正整数，将所述汽轮机系统分为N+1级汽轮机子系统，即N1+N2+N3＝N+1，其中，前N级汽轮机子系统用于抽汽，最后一级汽轮机子系统用于排汽，所述N+1级汽轮机子系统内的通流量相等，将所述回热系统分为N级回热子系统，所述N级回热子系统分别对应N级给水加热器；
步骤2：根据所述地热集热系统和所述燃煤机组的设计工况数据与设计运行数据，确定N级所述给水加热器的能量平衡并联矩阵关系式，并根据N级所述给水加热器的能量平衡并联矩阵关系式计算N级抽汽中每一级抽汽的流量，然后根据N级抽汽中每一级抽汽的流量计算N+1级所述汽轮机子系统到所述发电机10的机械能输出；
步骤3：对各能量流编号，结合N+1级所述汽轮机子系统到所述发电机10的机械能输出，建立所述地热能辅助燃煤互补发电系统的事件矩阵、输入能量事件矩阵以及能量流的流向量，得到各部件的损向量；
步骤4：建立地热能份额向量和部件地热能输入份额向量，通过建立所述事件矩阵、所述输入能量事件矩阵、所述能量流的流向量、各部件的损向量、所述地热能份额向量和所述部件地热能输入份额向量之间的关系，算出所述地热能份额向量和所述部件地热能输入份额向量的具体数值；
步骤5：输出结果，即根据各部件的损向量和所述部件地热能输入份额向量，算出所述地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能损分布和燃煤损分布。
较佳地，在所述步骤1中，设定所述N为8，即所述回热系统包括8级回热子系统，所述8级回热子系统分别对应8级给水加热器，且所述8级给水加热器分别为3级高压加热器、1级除氧器和4级低压加热器，所述3级高压加热器分别为第一级给水加热器11、第二级给水加热器12和第三级给水加热器13，所述除氧器为第四级给水加热器14，所述4级低压加热器为第五级给水加热器15至第八级给水加热器18；所述汽轮机系统共有8级抽汽，分为9个所述汽轮机子系统，所述N1为2，所述N2为2，所述N3为5，所述汽轮机高压缸中具有第一级汽轮机子系统1和第二级汽轮机子系统2，所述汽轮机中压缸中具有第三级汽轮机子系统3和第四级汽轮机子系统4，所述汽轮机低压缸中具有第五级汽轮机子系统5至第九级汽轮机子系统9；从所述凝汽器系统19而来的给水通过所述回热系统被所述8级给水加热器加热到达所述锅炉系统，所述锅炉系统将给水加热为高温高压蒸汽进入所述汽轮机高压缸做功，所述汽轮机高压缸中的第一部分抽汽被分级抽取，分别进入第一级给水加热器11和第二级给水加热器12中加热，所述汽轮机高压缸中的第二部分抽汽以排汽的形式进入所述锅炉再热子系统21再热后形成再热蒸汽，并进入所述汽轮机中压缸和所述汽轮机低压缸做功，做功后的第一部分抽汽被分级抽取分别进入第三级给水加热器13至第八级给水加热器18中加热给水，做功后的第二部分抽汽以乏汽的形式进入所述凝汽器系统19冷却。
进一步地，在所述步骤2中，所述8级回热子系统的能量平衡并联矩阵关系式为式(1)：
为所述凝汽器系统19的给水流量；
为单位质量给水和疏水放热量的能量矩阵，其中，qi表示抽汽在第i级给水加热器的放热，γi表示疏水在第i级给水加热器的放热量，πi表示给水在第i级给水加热器的吸热量，i表示不大于8的正整数；
为所述汽轮机系统的抽汽量向量，其中，表示第i级抽汽的抽气量；
为地热能在各级所述给水加热器中的放热量矩阵，其中，表示所述凝汽器系统(19)出口的给水吸收的来自所述地热/给水换热器22的放热量；
Π＝[π1 π2 π3 π4 π5 π6 π7 π8]T为给水的得热量矩阵，πi表示给水在第i级给水加热器的吸热量；
根据式(1)算出所述汽轮机系统的各级抽汽量，即
计算9级所述汽轮机子系统到所述发电机的机械能输出为：其中，Wt表示第t级汽轮机子系统到所述发电机的机械能输出，t表示不大于9的正整数，hsh为所述汽轮机高压缸中的蒸汽的焓值，heh为乏汽的焓值，hex,i为第i级抽汽的焓值，hrho表示所述再热蒸汽的焓值。
进一步地，在所述步骤3中，所述地热能辅助燃煤互补发电系统中有45股能量流，将所述45股能量流编号并定义如下：
能量流1：从第一级汽轮机子系统1到第一级给水加热器11的汽轮机第一级抽汽；
能量流2：从第二级汽轮机子系统2到第二级给水加热器12的汽轮机第二级抽汽；
能量流3：从第三级汽轮机子系统3到第三级给水加热器13的汽轮机第三级抽汽；
能量流4：从第四级汽轮机子系统4到第四级给水加热器14的汽轮机第四级抽汽；
能量流5：从第五级汽轮机子系统5到第五级给水加热器15的汽轮机第五级抽汽；
能量流6：从第六级汽轮机子系统6到第六级给水加热器16的汽轮机第六级抽汽；
能量流7：从第七级汽轮机子系统7到第七级给水加热器17的汽轮机第七级抽汽；
能量流8：从第八级汽轮机子系统8到第八级给水加热器18的汽轮机第八级抽汽；
能量流9：从第九级汽轮机子系统9到凝汽器系统19的汽轮机排汽；
能量流10：从锅炉过热子系统20出并进入第一级汽轮机子系统1的蒸汽；
能量流11：从第一级汽轮机子系统1出并进入第二级汽轮机子系统2的蒸汽；
能量流12：从第二级汽轮机子系统2出并进入锅炉再热子系统21的蒸汽；
能量流13：从锅炉再热子系统21出并进入第三级汽轮机子系统3的蒸汽；
能量流14：从第三级汽轮机子系统3出并进入第四级汽轮机子系统4的蒸汽；
能量流15：从第四级汽轮机子系统4出并进入第五级汽轮机子系统5的蒸汽；
能量流16：从第五级汽轮机子系统5出并进入第六级汽轮机子系统6的蒸汽；
能量流17：从第六级汽轮机子系统6出并进入第七级汽轮机子系统7的蒸汽；
能量流18：从第七级汽轮机子系统7出并进入第八级汽轮机子系统8的蒸汽；
能量流19：从第八级汽轮机子系统8出并进入第九级汽轮机子系统9的蒸汽；
能量流20：从凝汽器系统19出并进入地热/给水换热器22的给水；
能量流21：从地热/给水换热器22出并进入第八级给水加热器18的给水；
能量流22：从第八级给水加热器18出并进入第七级给水加热器17的给水；
能量流23：从第七级给水加热器17出并进入第六级给水加热器16的给水；
能量流24：从第六级给水加热器16出并进入第五级给水加热器15的给水；
能量流25：从第五级给水加热器15出并进入第四级给水加热器14的给水；
能量流26：从第四级给水加热器14出并进入第三级给水加热器13的给水；
能量流27：从第三级给水加热器13出并进入第二级给水加热器12的给水；
能量流28：从第二级给水加热器12出并进入第一级给水加热器11的给水；
能量流29：从第一级给水加热器11出并进入锅炉过热子系统20的给水；
能量流30：从第一级给水加热器11出并进入第二级给水加热器12的疏水；
能量流31：从第二级给水加热器12出并进入第三级给水加热器13的疏水；
能量流32：从第三级给水加热器13出并进入第四级给水加热器14的疏水；
能量流33：从第五级给水加热器15出并进入第六级给水加热器16的疏水；
能量流34：从第六级给水加热器16出并进入第七级给水加热器17的疏水；
能量流35：从第七级给水加热器17出并进入第八级给水加热器18的疏水；
能量流36：从第八级给水加热器18出并进入凝汽器系统19的疏水；
能量流37：从第一级汽轮机子系统1到发电机10的机械能输出；
能量流38：从第二级汽轮机子系统2到发电机10的机械能输出；
能量流39：从第三级汽轮机子系统3到发电机10的机械能输出；
能量流40：从第四级汽轮机子系统4到发电机10的机械能输出；
能量流41：从第五级汽轮机子系统5到发电机10的机械能输出；
能量流42：从第六级汽轮机子系统6到发电机10的机械能输出；
能量流43：从第七级汽轮机子系统7到发电机10的机械能输出；
能量流44：从第八级汽轮机子系统8到发电机10的机械能输出；
能量流45：从第九级汽轮机子系统9到发电机10的机械能输出；
建立所述事件矩阵F，F是一个22×45的矩阵，行数为22，代表22个部件，包括9级汽轮机子系统、8级给水加热器、凝汽器系统19、锅炉过热子系统20、锅炉再热子系统21、地热/给水换热器22和发电机10，列数为45，代表45股能量流；所述事件矩阵F的元素Fxy表示第x行第y列的数，Fxy是0、1、-1的其中一个数，Fxy＝1表示第y股能量流进入第x个部件，Fxy＝-1表示第y股能量流出第x个部件，Fxy＝0表示第y股能量流未进入或流出第x个部件，其中，x表示不大于22的正整数，y表示不大于45的正整数；
建立所述输入能量事件矩阵Fin，Fin是一个22×45的矩阵，所述输入能量事件矩阵Fin的元素Fin,xy示第x行第y列的数，Fin,xy是0或1，Fin,xy＝1表示第y股能量流进入第x个部件，Fin,xy＝0表示第y股能量流未进入第x个部件，
建立所述能量流的流向量Es＝[Es1,Es2,Es3,...,Es45]T，其中，Esy表示第y股能量流的值，Esy＝msy[hsy-h0-T0(ssy-s0)]，其中，msy表示第y股能量流的质量，hsy表示第y股能量流的焓值，ssy表示第y股能量流的熵值，T0表示环境的绝对温度，s0表示环境的绝对熵值，h0表示环境温度的绝对焓值，22个部件的损向量为Ir＝FEs。
进一步地，在所述步骤4中，建立所述地热能份额向量G＝[G1，G2，G3，...，G45]T，其中，Gy表示第y股能量流的地热能份额；
建立所述部件地热能输入份额向量Gin＝[Gin，1，Gin,2,Gin,3,...，Gin,22]T，其中，Gin,x表示第x个部件的地热能输入份额，所述地热能份额向量G与所述部件地热能输入份额向量Gin的关系如下：
式(2)：(FinEs)·Gin＝Fin(Es·G)，
式(3)：Ir·Gin＝F(Es·G)；
除此之外，所述地热能份额向量G的部分元素还满足如下条件：
式(4)：
G1＝G2＝G11＝G12＝G30＝G31＝G37＝G38，
式(5)：
G3＝G4＝G5＝G6＝G7＝G8＝G9＝G13＝G14＝G15＝G16＝G17＝G18＝G19
＝G33＝G34＝G35＝G36＝G37＝G39＝G40＝G41＝G42＝G43＝G44＝G45，
式(6)：
Es,20(1-G20)＝Es,21(1-G21)；
根据式(2)、式(3)、式(4)、式(5)和式(6)计算出所述地热能份额向量G与所述部件地热能输入份额向量Gin。
进一步地，在所述步骤5中，输出结果：
向量Ir·Gin的各元素表示各部件的地热能损；
向量Ir-Ir·Gin的各元素表示各部件的燃煤损；
由此即得到所述地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能损分布和燃煤损分布。
与现有技术相比，本发明的地热能发电量评估方法不仅结合了热力学第一定律和热力学第二定律，从能量的质和量来衡量地热能与燃煤的输入量，而且，可以通过定量描述系统内的传递过程与传输机理，对系统内各流、系统各部件损的地热能份额进行评估，从而揭示地热能、燃煤在系统中的传递过程及损分布，其结果进一步成为地热能辅助燃煤互补发电系统节能诊断的理论依据。
附图说明
图1是本发明一实施例的地热能辅助燃煤互补发电系统的结构示意图；
图中：1-第一级汽轮机子系统；2-第二级汽轮机子系统；3-第三级汽轮机子系统；4-第四级汽轮机子系统；5-第五级汽轮机子系统；6-第六级汽轮机子系统；7-第七级汽轮机子系统；8-第八级汽轮机子系统；9-第九级汽轮机子系统；10-发电机；11-第一级给水加热器；12-第二级给水加热器；13-第三级给水加热器；14-第四级给水加热器；15-第五级给水加热器；16-第六级给水加热器；17-第七级给水加热器；18-第八级给水加热器；19-凝汽器系统；20-锅炉过热子系统；21-锅炉再热子系统；22-地热/给水换热器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
请参见图1，图1是本发明一实施例的地热能辅助燃煤互补发电系统的结构示意图。本发明涉及地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能发电量评估方法，地热能辅助燃煤互补发电系统包括地热集热系统和燃煤机组，燃煤机组包括汽轮机系统、锅炉系统、回热系统、凝汽器系统19和发电机10。
汽轮机系统包括汽轮机高压缸、汽轮机中压缸和汽轮机低压缸，汽轮机高压缸具有N1级高压缸子系统，汽轮机中压缸具有N2级中压缸子系统，汽轮机低压缸具有N3级低压缸子系统。锅炉系统包括锅炉过热子系统20和锅炉再热子系统21。回热系统包括多级回热子系统，每级回热子系统对应一级给水加热器。
给水是指经过凝汽器系统19冷凝后的凝结水，给水经过多级给水加热器加热后进入锅炉过热子系统20，疏水是指抽汽经过多级给水加热器放热后形成的凝结水。从凝汽器系统19而来的给水依次被最后一级给水加热器至第一级给水加热器加热到达锅炉系统，其中，最靠近凝汽器系统19的给水加热器为最后一级给水加热器，最远离凝汽器系统的给水加热器为第一级给水加热器11。
锅炉系统将给水加热为高温高压的过热蒸汽，并进入汽轮机高压缸做功。汽轮机高压缸中的第一部分抽汽被分级抽取，分别进入第一级给水加热器11和第二级给水加热器12中加热；汽轮机高压缸中的第二部分抽汽以排汽的形式进入锅炉再热子系统21再热后形成再热蒸汽，然后进入汽轮机中压缸和汽轮机低压缸做功。做功后的第一部分抽汽被分级抽取分别进入第三级给水加热器13至最后一级给水加热器中加热给水；做功后的第二部分抽汽以乏汽的形式进入凝汽器系统19冷却。
地热集热系统包括地热井、地热/给水换热器22、热用户及多个阀门，地热集热系统负责收集地热能并通过地热/给水换热器22传递到燃煤机组，在地热井中，地下水被地热能加热形成高温地热蒸汽，并通过地热/给水换热器22预热凝汽器系统19出口的给水，以提高最末级给水加热器中入口给水的温度，最后，地热/给水换热器22把冷却的地热蒸汽输送给附近的热用户，以实现能量的梯级利用。
本发明的地热能发电量评估方法包括以下步骤：
步骤1：设置汽轮机系统的抽汽级数为N级，且N为正整数，将汽轮机系统分为N+1级汽轮机子系统，即N1+N2+N3＝N+1，其中，前N级汽轮机子系统用于抽汽，最后一级汽轮机子系统用于排汽，N+1级汽轮机子系统内的通流量相等，将回热系统分为N级回热子系统，N级回热子系统分别对应N级给水加热器。
步骤2：根据地热集热系统和燃煤机组的设计工况数据与设计运行数据，确定N级给水加热器的能量平衡并联矩阵关系式，并根据N级给水加热器的能量平衡并联矩阵关系式计算N级抽汽中每一级抽汽的流量，然后根据N级抽汽中每一级抽汽的流量计算N+1级汽轮机子系统到发电机10的机械能输出。
步骤3：对各能量流编号，结合N+1级汽轮机子系统到发电机10的机械能输出，建立地热能辅助燃煤互补发电系统的事件矩阵、输入能量事件矩阵以及能量流的流向量，得到各部件的损向量。
步骤4：建立地热能份额向量和部件地热能输入份额向量，通过建立事件矩阵、输入能量事件矩阵、能量流的流向量、各部件的损向量、地热能份额向量和部件地热能输入份额向量之间的关系，算出地热能份额向量和部件地热能输入份额向量的具体数值。
步骤5：输出结果，即根据各部件的损向量和部件地热能输入份额向量，算出地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能损分布和燃煤损分布。
较佳地，在步骤1中，设定N为8，即回热系统包括8级回热子系统，8级回热子系统分别对应8级给水加热器，且8级给水加热器分别为3级高压加热器、1级除氧器和4级低压加热器，3级高压加热器分别为第一级给水加热器11、第二级给水加热器12和第三级给水加热器13，除氧器为第四级给水加热器14，4级低压加热器为第五级给水加热器15至第八级给水加热器18。
汽轮机系统共有8级抽汽，分为9个汽轮机子系统，N1为2，N2为2，N3为5，汽轮机高压缸中具有第一级汽轮机子系统1和第二级汽轮机子系统2，汽轮机中压缸中具有第三级汽轮机子系统3和第四级汽轮机子系统4，汽轮机低压缸中具有第五级汽轮机子系统5至第九级汽轮机子系统9。
从凝汽器系统19而来的给水通过回热系统被8级给水加热器加热到达锅炉系统，锅炉系统将给水加热为高温高压蒸汽进入汽轮机高压缸做功。图1中的一至八表示第一级抽汽至第八级抽汽，汽轮机高压缸中的第一部分抽汽被分级为第一级抽汽和第二级抽汽并被抽取，第一级抽汽进入第一级给水加热器11中加热，第二级抽汽进入第二级给水加热器12中加热；汽轮机高压缸中的第二部分抽汽以排汽的形式进入锅炉再热子系统21再热后形成再热蒸汽，并进入汽轮机中压缸和汽轮机低压缸做功。做功后的第一部分抽汽被分级为第三级抽汽、第四级抽汽、第五级抽汽、第六级抽汽、第七级抽汽和第八级抽汽，并被抽取，分别进入8级给水加热器中加热给水，具体的分配方式为：第三级抽汽进入第三级给水加热器13，第四级抽汽进入第四级给水加热器14，第五级抽汽进入第五级给水加热器15，第六级抽汽进入第六级给水加热器16，第七级抽汽进入第七级给水加热器17，第八级抽汽进入第八级给水加热器18；做功后的第二部分抽汽以乏汽的形式进入凝汽器系统19冷却。
进一步地，在步骤2中，8级回热子系统的能量平衡并联矩阵关系式为式(1)：
为凝汽器系统19的给水流量。
为单位质量给水和疏水放热量的能量矩阵，其中，qi表示抽汽在第i级给水加热器的放热，γi表示疏水在第i级给水加热器的放热量，πi表示给水在第i级给水加热器的吸热量，i表示不大于8的正整数。
为汽轮机系统的抽汽量向量，其中，表示第i级抽汽的抽气量。
为地热能在各级给水加热器中的放热量矩阵，其中，表示凝汽器系统(19)出口的给水吸收的来自地热/给水换热器22的放热量。
Π＝[π1 π2 π3 π4 π5 π6 π7 π8]T为给水的得热量矩阵，πi表示给水在第i级给水加热器的吸热量。
根据式(1)算出汽轮机系统的各级抽汽量，即
计算9级汽轮机子系统到发电机的机械能输出为：其中，Wt表示第t级汽轮机子系统到发电机的机械能输出，t表示不大于9的正整数，hsh为汽轮机高压缸中的蒸汽的焓值，heh为乏汽的焓值，hex,i为第i级抽汽的焓值，hrho表示再热蒸汽的焓值。
进一步地，在步骤3中，地热能辅助燃煤互补发电系统中有45股能量流，将45股能量流编号并定义如下：
能量流1：从第一级汽轮机子系统1到第一级给水加热器11的汽轮机第一级抽汽。
能量流2：从第二级汽轮机子系统2到第二级给水加热器12的汽轮机第二级抽汽。
能量流3：从第三级汽轮机子系统3到第三级给水加热器13的汽轮机第三级抽汽。
能量流4：从第四级汽轮机子系统4到第四级给水加热器14的汽轮机第四级抽汽。
能量流5：从第五级汽轮机子系统5到第五级给水加热器15的汽轮机第五级抽汽。
能量流6：从第六级汽轮机子系统6到第六级给水加热器16的汽轮机第六级抽汽。
能量流7：从第七级汽轮机子系统7到第七级给水加热器17的汽轮机第七级抽汽。
能量流8：从第八级汽轮机子系统8到第八级给水加热器18的汽轮机第八级抽汽。
能量流9：从第九级汽轮机子系统9到凝汽器系统19的汽轮机排汽。
能量流10：从锅炉过热子系统20出并进入第一级汽轮机子系统1的蒸汽。
能量流11：从第一级汽轮机子系统1出并进入第二级汽轮机子系统2的蒸汽。
能量流12：从第二级汽轮机子系统2出并进入锅炉再热子系统21的蒸汽。
能量流13：从锅炉再热子系统21出并进入第三级汽轮机子系统3的蒸汽。
能量流14：从第三级汽轮机子系统3出并进入第四级汽轮机子系统4的蒸汽。
能量流15：从第四级汽轮机子系统4出并进入第五级汽轮机子系统5的蒸汽。
能量流16：从第五级汽轮机子系统5出并进入第六级汽轮机子系统6的蒸汽。
能量流17：从第六级汽轮机子系统6出并进入第七级汽轮机子系统7的蒸汽。
能量流18：从第七级汽轮机子系统7出并进入第八级汽轮机子系统8的蒸汽。
能量流19：从第八级汽轮机子系统8出并进入第九级汽轮机子系统9的蒸汽。
能量流20：从凝汽器系统19出并进入地热/给水换热器22的给水。
能量流21：从地热/给水换热器22出并进入第八级给水加热器18的给水。
能量流22：从第八级给水加热器18出并进入第七级给水加热器17的给水。
能量流23：从第七级给水加热器17出并进入第六级给水加热器16的给水。
能量流24：从第六级给水加热器16出并进入第五级给水加热器15的给水。
能量流25：从第五级给水加热器15出并进入第四级给水加热器14的给水。
能量流26：从第四级给水加热器14出并进入第三级给水加热器13的给水。
能量流27：从第三级给水加热器13出并进入第二级给水加热器12的给水。
能量流28：从第二级给水加热器12出并进入第一级给水加热器11的给水。
能量流29：从第一级给水加热器11出并进入锅炉过热子系统20的给水。
能量流30：从第一级给水加热器11出并进入第二级给水加热器12的疏水。
能量流31：从第二级给水加热器12出并进入第三级给水加热器13的疏水。
能量流32：从第三级给水加热器13出并进入第四级给水加热器14的疏水。
能量流33：从第五级给水加热器15出并进入第六级给水加热器16的疏水。
能量流34：从第六级给水加热器16出并进入第七级给水加热器17的疏水。
能量流35：从第七级给水加热器17出并进入第八级给水加热器18的疏水。
能量流36：从第八级给水加热器18出并进入凝汽器系统19的疏水。
能量流37：从第一级汽轮机子系统1到发电机10的机械能输出。
能量流38：从第二级汽轮机子系统2到发电机10的机械能输出。
能量流39：从第三级汽轮机子系统3到发电机10的机械能输出。
能量流40：从第四级汽轮机子系统4到发电机10的机械能输出。
能量流41：从第五级汽轮机子系统5到发电机10的机械能输出。
能量流42：从第六级汽轮机子系统6到发电机10的机械能输出。
能量流43：从第七级汽轮机子系统7到发电机10的机械能输出。
能量流44：从第八级汽轮机子系统8到发电机10的机械能输出。
能量流45：从第九级汽轮机子系统9到发电机10的机械能输出。
建立事件矩阵F，F是一个22×45的矩阵，行数为22，代表22个部件，包括9级汽轮机子系统、8级给水加热器、凝汽器系统19、锅炉过热子系统20、锅炉再热子系统21、地热/给水换热器22和发电机10，列数为45，代表45股能量流。
事件矩阵F的元素Fxy表示第x行第y列的数，Fxy是0、1、-1的其中一个数，Fxy＝1表示第y股能量流进入第x个部件，Fxy＝-1表示第y股能量流出第x个部件，Fxy＝0表示第y股能量流未进入或流出第x个部件，其中，x表示不大于22的正整数，y表示不大于45的正整数。
建立输入能量事件矩阵Fin，Fin是一个22×45的矩阵，输入能量事件矩阵Fin的元素Fin,xy示第x行第y列的数，Fin,xy是0或1，Fin,xy＝1表示第y股能量流进入第x个部件，Fin,xy＝0表示第y股能量流未进入第x个部件，
建立能量流的流向量Es＝[Es1,Es2,Es3,...,Es45]T，其中，Esy表示第y股能量流的值，Esy＝msy[hsy-h0-T0(ssy-s0)]，其中，msy表示第y股能量流的质量，hsy表示第y股能量流的焓值，ssy表示第y股能量流的熵值，T0表示环境的绝对温度，s0表示环境的绝对熵值，h0表示环境温度的绝对焓值，22个部件的损向量为Ir＝FEs。
进一步地，在步骤4中，建立地热能份额向量G＝[G1，G2，G3，...，G45]T，其中，Gy表示第y股能量流的地热能份额。
建立部件地热能输入份额向量Gin＝[Gin，1，Gin,2,Gin,3,...，Gin,22]T，其中，Gin,x表示第x个部件的地热能输入份额，地热能份额向量G与部件地热能输入份额向量Gin的关系如下：
式(2)：(FinEs)·Gin＝Fin(Es·G)，
式(3)：Ir·Gin＝F(Es·G)。
除此之外，地热能份额向量G的部分元素还满足如下条件：
式(4)：
G1＝G2＝G11＝G12＝G30＝G31＝G37＝G38，
式(5)：
G3＝G4＝G5＝G6＝G7＝G8＝G9＝G13＝G14＝G15＝G16＝G17＝G18＝G19
＝G33＝G34＝G35＝G36＝G37＝G39＝G40＝G41＝G42＝G43＝G44＝G45，
式(6)：
Es,20(1-G20)＝Es,21(1-G21)。
根据式(2)、式(3)、式(4)、式(5)和式(6)计算出地热能份额向量G与部件地热能输入份额向量Gin。
进一步地，在步骤5中，输出结果：
向量Ir·Gin的各元素表示各部件的地热能损。
向量Ir-Ir·Gin的各元素表示各部件的燃煤损。
由此即得到地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能损分布和燃煤损分布。
与现有技术相比，本发明的地热能发电量评估方法不仅结合了热力学第一定律和热力学第二定律，从能量的质和量来衡量地热能与燃煤的输入量，而且，可以通过定量描述系统内的传递过程与传输机理，对系统内各流、系统各部件损的地热能份额进行评估，从而揭示地热能、燃煤在系统中的传递过程及损分布，其结果进一步成为地热能辅助燃煤互补发电系统节能诊断的理论依据。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能发电量评估方法，所述地热能辅助燃煤互补发电系统包括地热集热系统和燃煤机组，所述燃煤机组包括汽轮机系统、锅炉系统、回热系统、凝汽器系统(19)和发电机(10)；所述汽轮机系统包括汽轮机高压缸、汽轮机中压缸和汽轮机低压缸，所述汽轮机高压缸具有N1级高压缸子系统，所述汽轮机中压缸具有N2级中压缸子系统，所述汽轮机低压缸具有N3级低压缸子系统；所述锅炉系统包括锅炉过热子系统(20)和锅炉再热子系统(21)；所述回热系统包括多级回热子系统，每级回热子系统对应一级给水加热器；给水是指经过所述凝汽器系统(19)冷凝后的凝结水，给水经过多级所述给水加热器加热后进入所述锅炉过热子系统(20)，疏水是指抽汽经过多级所述给水加热器放热后形成的凝结水；从所述凝汽器系统(19)而来的给水依次被最后一级给水加热器至第一级给水加热器加热到达所述锅炉系统，其中，最靠近所述凝汽器系统(19)的给水加热器为最后一级给水加热器，最远离所述凝汽器系统的给水加热器为第一级给水加热器(11)，所述锅炉系统将给水加热为高温高压的过热蒸汽，并进入所述汽轮机高压缸做功，所述汽轮机高压缸中的第一部分抽汽被分级抽取，分别进入第一级给水加热器(11)和第二级给水加热器(12)中加热，所述汽轮机高压缸中的第二部分抽汽以排汽的形式进入所述锅炉再热子系统(21)再热后形成再热蒸汽，然后进入所述汽轮机中压缸和所述汽轮机低压缸做功，做功后的第一部分抽汽被分级抽取分别进入第三级给水加热器(13)至最后一级给水加热器中加热给水，做功后的第二部分抽汽以乏汽的形式进入所述凝汽器系统(19)冷却；
所述地热集热系统包括地热井、地热/给水换热器(22)、热用户及多个阀门，所述地热集热系统负责收集地热能并通过所述地热/给水换热器(22)传递到所述燃煤机组；
其特征在于包括以下步骤：
步骤1：设置所述汽轮机系统的抽汽级数为N级，且所述N为正整数，将所述汽轮机系统分为N+1级汽轮机子系统，即N1+N2+N3＝N+1，其中，前N级汽轮机子系统用于抽汽，最后一级汽轮机子系统用于排汽，所述N+1级汽轮机子系统内的通流量相等，将所述回热系统分为N级回热子系统，所述N级回热子系统分别对应N级给水加热器；
步骤2：根据所述地热集热系统和所述燃煤机组的设计工况数据与设计运行数据，确定N级所述给水加热器的能量平衡并联矩阵关系式，并根据N级所述给水加热器的能量平衡并联矩阵关系式计算N级抽汽中每一级抽汽的流量，然后根据N级抽汽中每一级抽汽的流量计算N+1级所述汽轮机子系统到所述发电机(10)的机械能输出；
步骤3：对各能量流编号，结合N+1级所述汽轮机子系统到所述发电机(10)的机械能输出，建立所述地热能辅助燃煤互补发电系统的事件矩阵、输入能量事件矩阵以及能量流的流向量，得到各部件的损向量；
步骤4：建立地热能份额向量和部件地热能输入份额向量，通过建立所述事件矩阵、所述输入能量事件矩阵、所述能量流的流向量、各部件的损向量、所述地热能份额向量和所述部件地热能输入份额向量之间的关系，算出所述地热能份额向量和所述部件地热能输入份额向量的具体数值；
步骤5：输出结果，即根据各部件的损向量和所述部件地热能输入份额向量，算出所述地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能损分布和燃煤损分布。
2.根据权利要求1所述的地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能发电量评估方法，其特征在于：在所述步骤1中，设定所述N为8，即所述回热系统包括8级回热子系统，所述8级回热子系统分别对应8级给水加热器，且所述8级给水加热器分别为3级高压加热器、1级除氧器和4级低压加热器，所述3级高压加热器分别为第一级给水加热器(11)、第二级给水加热器(12)和第三级给水加热器(13)，所述除氧器为第四级给水加热器(14)，所述4级低压加热器为第五级给水加热器(15)至第八级给水加热器(18)；所述汽轮机系统共有8级抽汽，分为9个所述汽轮机子系统，所述N1为2，所述N2为2，所述N3为5，所述汽轮机高压缸中具有第一级汽轮机子系统(1)和第二级汽轮机子系统(2)，所述汽轮机中压缸中具有第三级汽轮机子系统(3)和第四级汽轮机子系统(4)，所述汽轮机低压缸中具有第五级汽轮机子系统(5)至第九级汽轮机子系统(9)；从所述凝汽器系统(19)而来的给水通过所述回热系统被所述8级给水加热器加热到达所述锅炉系统，所述锅炉系统将给水加热为高温高压蒸汽进入所述汽轮机高压缸做功，所述汽轮机高压缸中的第一部分抽汽被分级抽取，分别进入第一级给水加热器(11)和第二级给水加热器(12)中加热，所述汽轮机高压缸中的第二部分抽汽以排汽的形式进入所述锅炉再热子系统(21)再热后形成再热蒸汽，并进入所述汽轮机中压缸和所述汽轮机低压缸做功，做功后的第一部分抽汽被分级抽取分别进入第三级给水加热器(13)至第八级给水加热器(18)中加热给水，做功后的第二部分抽汽以乏汽的形式进入所述凝汽器系统(19)冷却。
3.根据权利要求2所述的地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能发电量评估方法，其特征在于：在所述步骤2中，所述8级回热子系统的能量平衡并联矩阵关系式为式(1)：
为所述凝汽器系统(19)的给水流量；
为单位质量给水和疏水放热量的能量矩阵，其中，qi表示抽汽在第i级给水加热器的放热，γi表示疏水在第i级给水加热器的放热量，πi表示给水在第i级给水加热器的吸热量，i表示不大于8的正整数；
为所述汽轮机系统的抽汽量向量，其中，表示第i级抽汽的抽气量；
为地热能在各级所述给水加热器中的放热量矩阵，其中，表示所述凝汽器系统(19)出口的给水吸收的来自所述地热/给水换热器(22)的放热量；
Π＝[π1 π2 π3 π4 π5 π6 π7 π8]T为给水的得热量矩阵，πi表示给水在第i级给水加热器的吸热量；
根据式(1)算出所述汽轮机系统的各级抽汽量，即
计算9级所述汽轮机子系统到所述发电机的机械能输出为：其中，Wt表示第t级汽轮机子系统到所述发电机的机械能输出，t表示不大于9的正整数，hsh为所述汽轮机高压缸中的蒸汽的焓值，heh为乏汽的焓值，hex,i为第i级抽汽的焓值，hrho表示所述再热蒸汽的焓值。
4.根据权利要求3所述的地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能发电量评估方法，其特征在于：在所述步骤3中，所述地热能辅助燃煤互补发电系统中有45股能量流，将所述45股能量流编号并定义如下：
能量流1：从第一级汽轮机子系统(1)到第一级给水加热器(11)的汽轮机第一级抽汽；
能量流2：从第二级汽轮机子系统(2)到第二级给水加热器(12)的汽轮机第二级抽汽；
能量流3：从第三级汽轮机子系统(3)到第三级给水加热器(13)的汽轮机第三级抽汽；
能量流4：从第四级汽轮机子系统(4)到第四级给水加热器(14)的汽轮机第四级抽汽；
能量流5：从第五级汽轮机子系统(5)到第五级给水加热器(15)的汽轮机第五级抽汽；
能量流6：从第六级汽轮机子系统(6)到第六级给水加热器(16)的汽轮机第六级抽汽；
能量流7：从第七级汽轮机子系统(7)到第七级给水加热器(17)的汽轮机第七级抽汽；
能量流8：从第八级汽轮机子系统(8)到第八级给水加热器(18)的汽轮机第八级抽汽；
能量流9：从第九级汽轮机子系统(9)到凝汽器系统(19)的汽轮机排汽；
能量流10：从锅炉过热子系统(20)出并进入第一级汽轮机子系统(1)的蒸汽；
能量流11：从第一级汽轮机子系统(1)出并进入第二级汽轮机子系统(2)的蒸汽；
能量流12：从第二级汽轮机子系统(2)出并进入锅炉再热子系统(21)的蒸汽；
能量流13：从锅炉再热子系统(21)出并进入第三级汽轮机子系统(3)的蒸汽；
能量流14：从第三级汽轮机子系统(3)出并进入第四级汽轮机子系统(4)的蒸汽；
能量流15：从第四级汽轮机子系统(4)出并进入第五级汽轮机子系统(5)的蒸汽；
能量流16：从第五级汽轮机子系统(5)出并进入第六级汽轮机子系统(6)的蒸汽；
能量流17：从第六级汽轮机子系统(6)出并进入第七级汽轮机子系统(7)的蒸汽；
能量流18：从第七级汽轮机子系统(7)出并进入第八级汽轮机子系统(8)的蒸汽；
能量流19：从第八级汽轮机子系统(8)出并进入第九级汽轮机子系统(9)的蒸汽；
能量流20：从凝汽器系统(19)出并进入地热/给水换热器(22)的给水；
能量流21：从地热/给水换热器(22)出并进入第八级给水加热器(18)的给水；
能量流22：从第八级给水加热器(18)出并进入第七级给水加热器(17)的给水；
能量流23：从第七级给水加热器(17)出并进入第六级给水加热器(16)的给水；
能量流24：从第六级给水加热器(16)出并进入第五级给水加热器(15)的给水；
能量流25：从第五级给水加热器(15)出并进入第四级给水加热器(14)的给水；
能量流26：从第四级给水加热器(14)出并进入第三级给水加热器(13)的给水；
能量流27：从第三级给水加热器(13)出并进入第二级给水加热器(12)的给水；
能量流28：从第二级给水加热器(12)出并进入第一级给水加热器(11)的给水；
能量流29：从第一级给水加热器(11)出并进入锅炉过热子系统(20)的给水；
能量流30：从第一级给水加热器(11)出并进入第二级给水加热器(12)的疏水；
能量流31：从第二级给水加热器(12)出并进入第三级给水加热器(13)的疏水；
能量流32：从第三级给水加热器(13)出并进入第四级给水加热器(14)的疏水；
能量流33：从第五级给水加热器(15)出并进入第六级给水加热器(16)的疏水；
能量流34：从第六级给水加热器(16)出并进入第七级给水加热器(17)的疏水；
能量流35：从第七级给水加热器(17)出并进入第八级给水加热器(18)的疏水；
能量流36：从第八级给水加热器(18)出并进入凝汽器系统(19)的疏水；
能量流37：从第一级汽轮机子系统(1)到发电机(10)的机械能输出；
能量流38：从第二级汽轮机子系统(2)到发电机(10)的机械能输出；
能量流39：从第三级汽轮机子系统(3)到发电机(10)的机械能输出；
能量流40：从第四级汽轮机子系统(4)到发电机(10)的机械能输出；
能量流41：从第五级汽轮机子系统(5)到发电机(10)的机械能输出；
能量流42：从第六级汽轮机子系统(6)到发电机(10)的机械能输出；
能量流43：从第七级汽轮机子系统(7)到发电机(10)的机械能输出；
能量流44：从第八级汽轮机子系统(8)到发电机(10)的机械能输出；
能量流45：从第九级汽轮机子系统(9)到发电机(10)的机械能输出；
建立所述事件矩阵F，F是一个22×45的矩阵，行数为22，代表22个部件，包括9级汽轮机子系统、8级给水加热器、凝汽器系统(19)、锅炉过热子系统(20)、锅炉再热子系统(21)、地热/给水换热器(22)和发电机(10)，列数为45，代表45股能量流；所述事件矩阵F的元素Fxy表示第x行第y列的数，Fxy是0、1、-1的其中一个数，Fxy＝1表示第y股能量流进入第x个部件，Fxy＝-1表示第y股能量流出第x个部件，Fxy＝0表示第y股能量流未进入或流出第x个部件，其中，x表示不大于22的正整数，y表示不大于45的正整数；
建立所述输入能量事件矩阵Fin，Fin是一个22×45的矩阵，所述输入能量事件矩阵Fin的元素Fin,xy示第x行第y列的数，Fin,xy是0或1，Fin,xy＝1表示第y股能量流进入第x个部件，Fin,xy＝0表示第y股能量流未进入第x个部件，
建立所述能量流的流向量Es＝[Es1,Es2,Es3,...,Es45]T，其中，Esy表示第y股能量流的值，Esy＝msy[hsy-h0-T0(ssy-s0)]，其中，msy表示第y股能量流的质量，hsy表示第y股能量流的焓值，ssy表示第y股能量流的熵值，T0表示环境的绝对温度，s0表示环境的绝对熵值，h0表示环境温度的绝对焓值，22个部件的损向量为Ir＝FEs。
5.根据权利要求4所述的地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能发电量评估方法，其特征在于：在所述步骤4中，建立所述地热能份额向量G＝[G1，G2，G3，...，G45]T，其中，Gy表示第y股能量流的地热能份额；
建立所述部件地热能输入份额向量Gin＝[Gin，1，Gin,2,Gin,3,...，Gin,22]T，其中，Gin,x表示第x个部件的地热能输入份额，所述地热能份额向量G与所述部件地热能输入份额向量Gin的关系如下：
式(2)：(FinEs)·Gin＝Fin(Es·G)，
式(3)：Ir·Gin＝F(Es·G)；
除此之外，所述地热能份额向量G的部分元素还满足如下条件：
式(4)：
G1＝G2＝G11＝G12＝G30＝G31＝G37＝G38，
式(5)：
G3＝G4＝G5＝G6＝G7＝G8＝G9＝G13＝G14＝G15＝G16＝G17＝G18＝G19
＝G33＝G34＝G35＝G36＝G37＝G39＝G40＝G41＝G42＝G43＝G44＝G45，
式(6)：
Es,20(1-G20)＝Es,21(1-G21)；
根据式(2)、式(3)、式(4)、式(5)和式(6)计算出所述地热能份额向量G与所述部件地热能输入份额向量Gin。
6.根据权利要求5所述的地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能发电量评估方法，其特征在于：在所述步骤5中，输出结果：
向量Ir·Gin的各元素表示各部件的地热能损；
向量Ir-Ir·Gin的各元素表示各部件的燃煤损；
由此即得到所述地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能损分布和燃煤损分布。
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