李慧君，劉學敏

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定071003)

0 引 言

我國對熱經(jīng)濟學的理論研究從20 世紀80年代開始有所發(fā)展［1～3］，且在一定程度上得到廣泛應用［4～10］，其是以火用分析法為基礎，將熱力學分析與經(jīng)濟因素進行統(tǒng)一考慮的一門學科。熱經(jīng)濟學的基本思想為:一是把所要分析的系統(tǒng)同時放到物理環(huán)境和經(jīng)濟環(huán)境中去進行考查;二是將系統(tǒng)劃分為有限個子系統(tǒng)，把連接各子系統(tǒng)及子系統(tǒng)與外界環(huán)境之間相互作用的物質、能量及現(xiàn)金都看成是流［11］。熱經(jīng)濟學分析方法主要包括會計模式、優(yōu)化模式、結構系統(tǒng)模式以及矩陣模式。

在我國，隨著市場機制的逐步建立，企業(yè)的運營狀況直接決定著其經(jīng)濟效益，生產(chǎn)產(chǎn)品的成本形成過程及相關的評估、能量費用及非能量費用統(tǒng)一綜合分析優(yōu)化是電力企業(yè)“廠網(wǎng)分開，競價上網(wǎng)”市場機制形成后關注的熱點［12］。為此，本文采用熱經(jīng)濟學會計模式以亞臨界600 MW 火力發(fā)電機組為例，為機組優(yōu)化改造提供理論依據(jù)。

1 熱力學建模

本文以N600 －16.7/537/537 機組為研究對象，利用75% THA 設計和實驗工況數(shù)據(jù)［13］進行計算，該機組有8 級回熱抽汽，其回熱系統(tǒng)為“三高、四低、一除氧”，采用疏水逐級自流方式，鍋爐給水泵為汽動泵。圖1 為其熱力系統(tǒng)流程圖，該系統(tǒng)共劃分為18 個子系統(tǒng)，46 股物理流。其中BOI 表示鍋爐，其劃分為過熱器B-SH和再熱器RH 兩個子系統(tǒng)，HP、IP 和LP 分別表示汽輪機高壓缸、中壓缸和低壓缸，H 表示給水加熱器，DTR 表示除氧器，CND 表示凝汽器，F(xiàn)WP 表示給水泵，CP 表示凝結水泵，BFPT 表示小汽輪機，GEN 表示發(fā)電機。

圖1 600 MW 機組熱力系統(tǒng)流程圖Fig.1 Schematic diagram of the 600 MW power plant

2 系統(tǒng)火用流計算及分析

2.1 汽輪機系統(tǒng)火用的計算

汽輪機系統(tǒng)包括汽輪機本體及回熱系統(tǒng)，在汽輪機系統(tǒng)的火用分析中，主要涉及到開口系統(tǒng)焓火用的計算，其計算公式［2］:

式中:h0、s0、T0分別為環(huán)境狀態(tài)的焓，kJ/kg、熵，kJ/ (kg·K)及溫度，K。

由式 (1)并根據(jù)文獻［13］ 提供的數(shù)據(jù)，計算得出圖1 中各股能流在75%THA 的設計和實驗工況下的火用值，如表1 所示。

2.2 火用效率、火用損系數(shù)及火用損率

式中:EF為子系統(tǒng)的輸入火用，kW;EP為子系統(tǒng)的產(chǎn)品，kW。

式中:Π 為子系統(tǒng)的火用損失，kW;Ef為系統(tǒng)總燃料，kW。

表1 各股物理流的火用值Tab.1 Exergy value of the physical streams

由表2 的計算結果可以看出:在所有子系統(tǒng)中，過熱器和再熱器的效率最低，且損率和損系數(shù)最高，是系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)，主要原因是二者中存在著較大的熱力學不可逆性，而解決這個問題在很大程度上受到當前技術的限制。在試驗工況下，再熱器和除氧器的效率有所增加，主要是再熱參數(shù)有所提高的緣故。低壓加熱器的火用效率比高壓加熱器的效率低，這是由于低壓加熱器抽汽能級較低所致。6 號低壓加熱器在設計與實驗工況時的火用效率差值較大，故存在一定的節(jié)能潛力，但火用耗最大與經(jīng)濟消耗最大的點有時不重合，因此在熱力學分析后，還要結合經(jīng)濟因素進行熱經(jīng)濟學分析，以免造成“節(jié)而不省錢”。

表2 熱力系統(tǒng)火用分析結果Tab.2 Calculating results of the thermal power system

3 熱經(jīng)濟學計算及分析

根據(jù)表1 及表2 中的數(shù)據(jù)，利用會計模式進行熱力學經(jīng)濟量的計算，其中包括能量費用和非能量費用，在能量費用方面更全面地考慮了火用在系統(tǒng)不同部位或過程不同階段的不等價性，經(jīng)過分析找出系統(tǒng)中耗和經(jīng)濟消耗最大的子系統(tǒng)，為進一步改善系統(tǒng)提供合理依據(jù)。

3.1 非能量費用

由于不知道各設備的價格，因此利用估算方程計算各設備的投資成本。表3 列出了系統(tǒng)中各主要設備的投資成本方程［9，14］，其參數(shù)說明如下:P1為主蒸汽出口壓力，MPa;T1為主蒸汽出口溫度，K;η 為鍋爐效率;B0為鍋爐產(chǎn)品，kW;Q 為加熱器換熱量，kW;tTTD為加熱器出口給水端差，℃;△Pt和△Ps分別為管側和殼側壓力損失，MPa;高壓加熱器a =6，低壓加熱器a =4;W 為級組輸出功率，kW;ηT為級組效率，高壓級組參考效率ηTr=0.95，低壓級組ηTr=0.85;ηp為泵的效率;B 為泵的產(chǎn)品，kW;T0為環(huán)境溫度，K;VW為管內冷卻水流速，m/s;η 為凝汽器效率，其定義為T0(Sin－Sout)/(hn－h(huán)out);ε 為熱效力，其定義為(two－twi)/(tin－twi);two和twi分別為冷卻水出口和進口溫度，℃;tin為凝汽器進口蒸汽溫度，℃;S 為凝汽器生產(chǎn)的負熵，kW;W 為發(fā)電機功率，kW。計算結果如表4 所示。

表3 系統(tǒng)中主要設備投資成本方程Tab.3 Investment equations of the major devices in the system

為簡化計算，非能量費用只計算系統(tǒng)的折舊費，且采用勻速折舊法［11］，即

式中:D 為設備折舊費;L 為設備的經(jīng)濟壽命(年)，取30年;I0為設備的初投資原值;IL為設備的殘值，為簡化取為零。

根據(jù)表4 中的數(shù)據(jù)，由式(5)計算得出各子系統(tǒng)設備的年折舊費，計算結果列入表5。

表4 設備投資成本Tab.4 Investment cost of each device

表5 各子系統(tǒng)的設備年折舊費Tab.5 Annual depreciation charges of each device

經(jīng)濟平衡式［11］只能得到18 個獨立的方程式，但系統(tǒng)具有46 股流，所以需根據(jù)補充方程建立原則增加28 個補充方程，這些補充方程應包括邊界條件和成本分攤方程。其中邊界條件為系統(tǒng)的輸入或輸出流所具有的特定的經(jīng)濟條件，如煤的市場價格。成本分攤的補充方程的建立原則［11，15］為

將系統(tǒng)經(jīng)濟平衡式與補充方程進行聯(lián)立求解，可得圖1 中75%THA 實驗工況下46 股流成本，如表6 所示，計算公式［11］為

3.3 火用單價計算

根據(jù)表6 中的數(shù)據(jù)，可計算得出75%THA 實驗工況下各子系統(tǒng)輸入火用的平均火用單價cFi、產(chǎn)品的平均單價cPi，以及產(chǎn)品與輸入的差價，其計算公式分別為［11］計算結果如表7 所示。

3.4 火用經(jīng)濟系數(shù)計算

表6 各股火用流成本計算結果Tab.6 The results of exergy cost

3.5 結果分析

4 結 論

(1)熱經(jīng)濟學會計模式利用燃料－ 產(chǎn)品的定義來準確描述各個設備的生產(chǎn)功能，且使用相對較少的數(shù)據(jù)(例效率和火用經(jīng)濟系數(shù))，得到較多的熱力學和熱經(jīng)濟學信息，可用來分析系統(tǒng)各設備的性能。

表7 火用平均單價與火用經(jīng)濟系數(shù)計算結果Tab.7 The results of average unit price of exergy and exergy economic coefficient

［1］宋之平，王加璇.節(jié)能原理［M］.北京:水利電力出版社，1985.

［2］朱明善.能量系統(tǒng)的火用分析［M］.北京:清華大學出版社，1988.

［3］王加璇，張樹芳.火用方法及其在火電廠中的應用［M］.北京:水利電力出版社，1993.

［4］王清照，肖衛(wèi)杰，王加璇.運用熱經(jīng)濟學結構理論進行故障診斷的探討［J］.中國電機工程學報，2003，23(9):178 －181.

［5］張曉東，高波，王加璇.熱經(jīng)濟學結構理論與LIFO 法則應用研究［J］.中國電機工程學報，2003，23(6):185 －189.

［6］張超，劉黎明，陳勝，等.基于熱經(jīng)濟學結構理論的熱力系統(tǒng)性能評價［J］.中國電機工程學報，2005，25(24):108 －113.

［7］李永華，李庚生，閆順林.火電機組回熱系統(tǒng)火用損分布的通用矩陣方程［J］.動力工程，2006，26(4):595－598.

［8］程偉良，王清照，王加璇.300MW 凝汽機組的熱經(jīng)濟學成本診斷［J］.中國電機工程學報，2005，25(8):126 －129.

［9］熊杰，張超，趙海波，等.基于熱經(jīng)濟學結構理論的電站熱力系統(tǒng)全局優(yōu)化［J］.中國電機工程學報，2007，27(26):65 －71.

［10］洪慧，金紅光，劉澤龍，等.給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)分析研究［J］.中國電機工程學報，2003，23(2):144－148.

［11］王加旋.動力工程熱經(jīng)濟學［M］.北京:水利電力出版社，1995.

［12］李秀云，嚴峻杰，林萬超.電廠冷端系統(tǒng)評價指標及診斷方法的研究［J］.中國電機工程學報，2001，2(9):94 －98.

［13］錢毓敏.河北國華定洲發(fā)電有限責任公司1 號600MW 汽輪機性能考核試驗報告［R］.西安:西安熱工研究院，2004.

［14］張超.復雜能量系統(tǒng)的熱經(jīng)濟學分析與優(yōu)化［D］.武漢:華中科技大學，2006.

［15］彭啟珍，張樹芳，郭江龍.熱經(jīng)濟學成本分析中補充方程的合理構造［J］.熱力發(fā)電，2003，(10):29 －33.