CN113268887B - 一种煤电机组锅炉暖风器最佳热源确定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤电机组锅炉暖风器最佳热源确定系统及方法，采用理论计算和单变量对比法，以供电负荷和暖风器进/出口风温给定条件下暖风器热源系统静态投资回收期最低为目标函数，通过各热源方案在不同供电负荷工况下的的锅炉热效率、汽轮机热耗率和厂用电率结果，得出对应供电煤耗值，再根据供电负荷分布特性加权求出各热源方案平均供电煤耗值。以投资最小的热源方案为对比基准，其他热源方案先与基准热源进行平均供热煤耗值对比：若大于，该热源不能作为最优方案；若小于，则选取静态回收期最小值对应的方案，作为煤电机组锅炉暖风器最佳热源方案。

Description

一种煤电机组锅炉暖风器最佳热源确定系统及方法

技术领域

本发明属于节能降耗技术领域，涉及一种煤电机组锅炉暖风器最佳热源确定系统及方法。

背景技术

煤电机组将向电网提供稳压、调频、调峰等有价值的电力主体转变，同时承担社会清洁低碳、可靠低成本的供热供冷、污泥消纳等综合能源服务。可以预期，煤电机组年利用小时和负荷率将持续下降，但对变负荷速率等指标的要求则越来越高。

电站燃煤锅炉通常采取设置暖风器来避免尾部受热面发生低温腐蚀的危害。暖风器布置于一次风机(含送风机)出口至空气预热器进口的风道中。部分地区采暖季气温寒冷且持续时间长，暖风器的正常投运对于热电联产机组安全稳定运行、社会民生保障有着至关重要的支撑作用。其中蒸汽暖风器为燃煤电站设计和建设的标准配置，汽源取自辅汽联箱。全厂多台机组辅汽联箱汽源互联互备，当前暖风器汽源设计选取辅汽，多出于安全方面的权重，但忽略了节能运行方面的考虑，分析如下。

机组辅汽联箱汽源有高压和低压两种，高压为冷再抽汽，低压为中压缸排汽。辅汽联箱除供给暖风器外，还有轴封、空预器吹灰、炉底加热、除氧器、给水泵小汽轮机等。机组辅汽联箱汽源在热电联产机组高负荷时以中压缸排汽为主，中低负荷以冷再抽汽为主。在当前以风、光等新能源电力大幅发展及高比例消纳为典型特征的电力能源结构转型及升级过程中，要求煤电机组具备安全可靠、灵活可调的热电双供应，采暖季供热负荷根据需求要保质保量，供电负荷根据电网需求要可高可低，但低电负荷随时间分布占据绝大多数比例。在低电负荷条件下，暖风器汽源本质上仍为机组冷再抽汽。分析可知，暖风器热源对温度的要求远高于压力，从温度匹配、品质接近的角度出发，暖风器热源应进行合理优化，以提升煤电机组整体经济性。

关于煤电机组锅炉暖风器最佳热源确定方法的相关研究，目前尚未有公开报道。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种煤电机组锅炉暖风器最佳热源确定系统及方法，本发明在对外供电负荷给定的情况下，以暖风器热源系统静态投资回收期最低为目标函数，采用理论计算和单变量对比法，得出煤电机组锅炉暖风器的最佳热源。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种煤电机组锅炉暖风器最佳热源确定方法，包括以下步骤：

建立煤电机组锅炉暖风器可选热源；

针对热源方案，计算给定供电负荷定和空气预热器入口风温条件下的供电煤耗变化；

以投资最小的热源方案为对比基准，以静态回收期最低为目标函数，确定最佳热源。

一种煤电机组锅炉暖风器最佳热源确定系统，包括：

可选热源建立模块，所述可选热源建立模块用于建立煤电机组锅炉暖风器可选热源；

供电煤耗变化计算模块，所述供电煤耗变化计算模块用于针对热源方案，计算给定供电负荷定和空气预热器入口风温条件下的供电煤耗变化；

最佳热源确定模块，所述最佳热源确定模块用于以投资最小的热源方案为对比基准，以静态回收期最低为目标函数，确定最佳热源。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用理论计算和单变量对比法，以供电负荷和暖风器进/出口风温给定条件下暖风器热源系统静态投资回收期最低为目标函数，通过各热源方案在不同供电负荷工况下的锅炉热效率、汽轮机热耗率和厂用电率结果，得出对应供电煤耗值，再根据供电负荷分布特性加权求出各热源方案平均供电煤耗值。以投资最小的热源方案为对比基准，其他热源方案先与基准热源进行平均供热煤耗值对比：若大于，该热源不能作为最优方案；若小于，则选取静态回收期最小值对应的方案，作为煤电机组锅炉暖风器最佳热源方案。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为煤电机组锅炉暖风器热源系统示意图。

图2为煤电机组锅炉暖风器最佳热源确定流程图。

其中：1-锅炉，2-高压缸，3-中压缸，4-低压缸5-凝汽器，6-8号低压加热器， 7-7号低压加热器，8-6号低压加热器，9-5号低压加热器，10-给水泵，11-高压加热器组，12-空气预热器，13-暖风器，14-风机，15-低温省煤器，16-除尘器，17-引风机，18-脱硫塔，19-烟囱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所述的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，图1为煤电机组锅炉暖风器可选热源示意图。其中：

发电汽水循环模块：锅炉1过热器出口蒸汽进入高压缸2做功，排汽进入锅炉1再热器二次提温后再进入中压缸3做功，排汽分为两路，一路进入低压缸4 做功，排汽进入凝汽器5冷凝；另一路进入高压蒸汽暖风器13。高压缸2、中压缸3和低压缸4同轴连接，共同驱动发电机发电。凝汽器5出口凝结水依次经过 8号低压加热器6、7号低压加热器7、6号低压加热器8、5号低压加热器9、给水泵10和高压加热器组11升温升压后，进入锅炉，完成热力循环。

锅炉烟气流程：锅炉1省煤器出口热烟气进入空气预热器12加热暖风器13 出口热风后，再依次流经低温省煤器15、除尘器16、引风机17、脱硫塔18和烟囱19，经脱硫脱硝除尘降温后，排入大气环境。

锅炉空气流程：风机14出口冷风经暖风器13加热升温后进入锅炉空气预热器12。

参见图2，本发明实施例公开了一种煤电机组锅炉暖风器最佳热源确定方法，包括以下步骤：

步骤1，建立煤电机组锅炉暖风器可选热源及系统。

根据电站热力循环汽水流程，本发明提出6种可选热源，叙述如下：

热源1：6号低压加热器出水，换热后冷侧回凝汽器

热源2：6段抽汽，换热后冷侧回凝汽器

热源3：中压缸排汽，换热后冷侧回凝汽器

热源4：3段抽汽，换热后冷侧回凝汽器

热源5：冷再抽汽，换热后冷侧回凝汽器

热源6：热再抽汽，换热后冷侧回凝汽器

热源7：锅炉给水，换热后冷侧回凝汽器

以蒸汽为热源的暖风器，换热器为管壳式结构，管内通入蒸汽，壳侧流经空气，疏水回至机组凝汽器。以水为热源的暖风器，换热器结构仍为管壳式，管内通入水，壳侧流经空气，放热后冷水回至凝汽器。

暖风器热源系统包括：暖风器本体、热工质(蒸汽、热水)和冷工质(换热器疏水)管路及阀门系统

统计煤电机组所在地最近十年气候数据，气温最低的月份平均气温作为暖风器入口风温t_a。暖风器出口风温70℃作为空气预热器设计入口风温t_o，以煤电机组设计煤质、锅炉BMCR工况下的风量作为空气流量m_a，按照式(1)作为暖风器热负荷Q取值。

Q＝m_a×C_p×(t_o-t_a)/3600 (1)

式中，C_p为暖风器进、出口空气平均比热容。

根据换热器设计手册，进行上述6种热源的暖风器设计，根据热源质量流量选取热工质和冷工质管路及阀门系统的设计选型，确定6种热源的静态投资 C₁～C₆，单位为元。

步骤2，针对6种热源方案，计算下给定供电负荷N_net定和空气预热器入口风温条件下的供电煤耗变化。

煤电机组设计阶段，由汽轮机厂家、锅炉厂家及设计院出具不同供电负荷、空气预热器入口风温条件下的汽轮机热耗率q、锅炉效率η_b及厂用电率η_e后，根据式(2)计算供电煤耗b。

式中，η_p为管道效率，一般取定值0.99。

B为该工况下机组标煤总消耗量，t/h。

其中供电负荷按照以下原则划分：

令N_net,0为额定供电负荷，供电负荷工况为：30％N_net,0、40％N_net,0、50％N_net,0、 60％N_net,0、70％N_net,0、80％N_net,0、90％N_net,0和100％N_net,0

空气预热器入口风温t_o取设计值70℃。

步骤3，以投资最小的热源方案为对比基准，以静态回收期最低为目标函数，进行最佳设计热源确定。

统计煤电机组所在地区邻近煤电机组最近3年的运行数据，统计出30％N_net,0、40％N_net,0、50％N_net,0、60％N_net,0、70％N_net,0、80％N_net,0、90％N_net,0和100％N_net,0分布下的运行时长占比α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7、α8，且α1+α2+α3+α4+α5+α6+α8＝1，以及利用小时H、平均供电负荷N_net,a。

标煤单价s根据供需关系确定，属于市场行为，为已知值，元/t。

根据式(3)计算不同热源方案下的平均供电煤耗值b_a,i。

b_a,i＝b_1,i×α₁+b_2,i×α₂+b_3,i×α₃+b_4,i×α₄+b_5,i×α₅+b_6,i×α₆+b_7,i×α₇+b_8,i×α₈ (3)

式中：i表征第i种热源方案。

b_1,i～b_8,i表征第i种热源方案分别在30％N_net,0、40％N_net,0、50％N_net,0、60％N_net,0、70％N_net,0、80％N_net,0、90％N_net,0和100％N_net,0的供电煤耗值。

6种热源方案在投资(C)及标煤消耗成本(M)均存在差异。

以投资最小的热源方案为对比基准，投资为C₀，平均供电煤耗为b_a,0。

针对其他5种方案，先进行平均供电煤耗对比判定：若b_a,i≥b_a,0，判定该方案不能作为最优热源方案；若b_a,i＜b_a,0，进行下一步热源寻优确定。

投资差异按式(4)计算，标煤消耗成本差异按式(5)计算。

ΔC_i＝C_i-C₀ (4)

ΔM＝(b_a,0-b_a,i)×N_net,a×H×s (5)

静态回收期Y按式(6)计算。

静态回收期Y最低对应的热源方案，认定为暖风器最佳热源方案。

本发明还公开了一种煤电机组锅炉暖风器最佳热源确定系统，包括：

可选热源建立模块，所述可选热源建立模块用于建立煤电机组锅炉暖风器可选热源；

供电煤耗变化计算模块，所述供电煤耗变化计算模块用于针对热源方案，计算给定供电负荷定和空气预热器入口风温条件下的供电煤耗变化；

最佳热源确定模块，所述最佳热源确定模块用于以投资最小的热源方案为对比基准，以静态回收期最低为目标函数，确定最佳热源。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种煤电机组锅炉暖风器最佳热源确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立煤电机组锅炉暖风器可选热源；

针对热源方案，计算给定供电负荷定和空气预热器入口风温条件下的供电煤耗变化；所述针对热源方案，计算下给定供电负荷N_net和空气预热器入口风温条件下的供电煤耗变化的具体方法如下：

煤电机组设计阶段，由汽轮机厂家、锅炉厂家及设计院出具不同供电负荷、空气预热器入口风温条件下的汽轮机热耗率q、锅炉效率η_b及厂用电率η_e后，计算供电煤耗b：

式中，η_p为管道效率，取定值0.99；B为供电负荷工况下机组标煤总消耗量，t/h；供电负荷按照以下原则划分：令N_net,0为额定供电负荷，供电负荷工况为：30％N_net,0、40％N_net,0、50％N_net,0、60％N_net,0、70％N_net,0、80％N_net,0、90％N_net,0和100％N_net,0

空气预热器入口风温t_o取值70℃；

以投资最小的热源方案为对比基准，以静态回收期最低为目标函数，确定最佳热源；所述以投资最小的热源方案为对比基准，以静态回收期最低为目标函数，确定最佳热源的具体方法如下：

统计煤电机组所在地区邻近煤电机组最近3年的运行数据，统计出30％N_net,0、40％N_net,0、50％N_net,0、60％N_net,0、70％N_net,0、80％N_net,0、90％N_net,0和100％N_net,0分布下的运行时长占比：α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7、α8，且α1+α2+α3+α4+α5+α6+α8＝1，以及利用小时H、平均供电负荷N_net,a；

标煤单价s根据市场供需关系确定，元/t；

计算不同热源方案下的平均供电煤耗值b_a,i：

b_a,i＝b_1,i×α₁+b_2,i×α₂+b_3,i×α₃+b_4,i×α₄+b_5,i×α₅+b_6,i×α₆+b_7,i×α₇+b_8,i×α₈ (3)

式中：i表征第i种热源方案；b_1,i～b_8,i表征第i种热源方案分别在30％N_net,0、40％N_net,0、50％N_net,0、60％N_net,0、70％N_net,0、80％N_net,0、90％N_net,0和100％N_net,0的供电煤耗值；

以投资最小的热源方案为对比基准，投资为C₀，平均供电煤耗为b_a,0；

针对其他热源方案，先进行平均供电煤耗对比判定：若b_a,i≥b_a,0，判定该热源方案不能作为最优热源方案；若b_a,i＜b_a,0，进行下一步热源寻优确定；

计算投资差异和标煤消耗成本差异：

ΔC_i＝C_i-C₀ (4)

ΔM＝(b_a,0-b_a,i)×N_net,a×H×s (5)

其中，C_i为热源的静态投资，且i＝1,2,3,4,5,6；

计算静态回收期Y：

静态回收期Y最低对应的热源方案，为暖风器最佳热源方案。

2.根据权利要求1所述的煤电机组锅炉暖风器最佳热源确定方法，其特征在于，所述建立煤电机组锅炉暖风器可选热源的具体方法如下：

根据电站热力循环汽水流程，可选热源如下：

热源1：6号低压加热器出水，换热后冷侧回凝汽器；

热源2：6段抽汽，换热后冷侧回凝汽器；

热源3：中压缸排汽，换热后冷侧回凝汽器；

热源4：3段抽汽，换热后冷侧回凝汽器；

热源5：冷再抽汽，换热后冷侧回凝汽器；

热源6：热再抽汽，换热后冷侧回凝汽器；

热源7：锅炉给水，换热后冷侧回凝汽器；

统计煤电机组所在地最近十年气候数据，气温最低的月份平均气温作为暖风器入口风温t_a；暖风器出口风温70℃作为空气预热器设计入口风温t_o，以煤电机组设计煤质、锅炉BMCR工况下的风量作为空气流量m_a，暖风器热负荷Q取值如下：

Q＝m_a×C_p×(t_o-t_a)/3600 (1)

式中，C_p为暖风器进、出口空气平均比热容；

根据热源质量及流量选取热工质和冷工质管路及阀门系统，确定热源的静态投资C₁～C₆，单位为元。

3.根据权利要求2所述的煤电机组锅炉暖风器最佳热源确定方法，其特征在于，以蒸汽为热源的暖风器，换热器为管壳式结构，管内通入蒸汽，壳侧流经空气，疏水回至机组凝汽器；以水为热源的暖风器，换热器结构仍为管壳式，管内通入水，壳侧流经空气，放热后冷水回至凝汽器。

4.根据权利要求2或3所述的煤电机组锅炉暖风器最佳热源确定方法，其特征在于，所述热工质为蒸汽和热水，冷工质为换热器疏水。

5.一种用于实现权利要求1-4任一项所述方法的煤电机组锅炉暖风器最佳热源确定系统，其特征在于，包括：

可选热源建立模块，所述可选热源建立模块用于建立煤电机组锅炉暖风器可选热源；

供电煤耗变化计算模块，所述供电煤耗变化计算模块用于针对热源方案，计算给定供电负荷定和空气预热器入口风温条件下的供电煤耗变化；

最佳热源确定模块，所述最佳热源确定模块用于以投资最小的热源方案为对比基准，以静态回收期最低为目标函数，确定最佳热源。

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