楊金福，張忠孝，韓東江，楊美，周云龍

新型超臨界參數(shù)燃煤發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

楊金福1,2，張忠孝3，韓東江1,2，楊美4，周云龍4

（1．中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京市 海淀區(qū) 100190；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京市 海淀區(qū) 100049；3．上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海市 閔行區(qū) 200240；4．東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林省 吉林市 132012）

依據(jù)不可逆熱力循環(huán)功效價(jià)值的基本原理，分析熱力循環(huán)系統(tǒng)的不可逆過程，提出“等效卡諾循環(huán)效率”的概念，拓展了經(jīng)典熱力學(xué)理論及分析方法。同時(shí)提出超臨界參數(shù)燃煤發(fā)電熱力循環(huán)機(jī)組“卡諾耗散熱機(jī)”與“動(dòng)力島”設(shè)計(jì)理念，進(jìn)一步給出了供需一體、質(zhì)量耦合、能級(jí)利用的設(shè)計(jì)原則，以及功效價(jià)值的評(píng)價(jià)方法。為超高參數(shù)燃煤發(fā)電熱力循環(huán)機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供了一種更有效的新途徑。

超超臨界參數(shù)；燃煤發(fā)電技術(shù)；不可逆熱力循環(huán)；功效價(jià)值原理；“動(dòng)力島”設(shè)計(jì)方法

0 引言

2002年9月，國家863計(jì)劃“超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)”以及依托工程(華能玉環(huán)電廠)啟動(dòng)并投入商業(yè)化運(yùn)行；2011年6月，中國正式啟動(dòng)700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)研發(fā)計(jì)劃[1]；2018年12月，廣東甲湖灣電廠1000MW超超臨界機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行。這些工作都標(biāo)志著我國超高參數(shù)燃煤發(fā)電機(jī)組，從無到有、從引進(jìn)到創(chuàng)新，效果明顯、成績卓著，并且邁入了世界先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展行列[2-4]。

超超臨界機(jī)組和微小型動(dòng)力裝備性能提高的關(guān)鍵在于熱力循環(huán)系統(tǒng)集成的技術(shù)水平。目前，熱力循環(huán)系統(tǒng)的功能開發(fā)與熱力過程及循環(huán)系統(tǒng)的性能評(píng)估，均是圍繞4個(gè)基本要素開展相關(guān)研究：采用的能源種類、需要的外界條件、取得的效果及對(duì)環(huán)境的影響。因此，只有充分掌握這4個(gè)基本要素之間的相互關(guān)系與變化規(guī)律，才能真正揭示熱力循環(huán)及其變化的機(jī)理，從而正確評(píng)價(jià)熱力循環(huán)系統(tǒng)及其工程方案的科學(xué)性、實(shí)用性，以及結(jié)構(gòu)總成與系統(tǒng)集成的技術(shù)先進(jìn)性[5-6]。

1 超臨界參數(shù)燃煤發(fā)電機(jī)組熱力循環(huán)系統(tǒng)功效原理與循環(huán)效率分析

1.1 熱力循環(huán)系統(tǒng)功效價(jià)值的基本原理

在事物變化的行為過程中，通常將事物發(fā)生內(nèi)存質(zhì)變的響應(yīng)關(guān)系稱為功能，過程的外部環(huán)境及作用關(guān)系稱為條件，如圖1所示，熱力循環(huán)系統(tǒng)的功能是構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)各個(gè)相互關(guān)聯(lián)因素耦合成為一個(gè)整體所具有的效能，性能則是以功能為基礎(chǔ)，進(jìn)一步滿足使用功能要求的安全可靠性、運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)合理性等各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

圖1 不可逆熱力過程模型示意圖

文獻(xiàn)[7]考慮約束火用與環(huán)境火無的影響，基于熱力學(xué)第一定律給出了火用效率表達(dá)式。不可逆熱力循環(huán)功效價(jià)值的基本原理如下：

式中：1為輸入功能響應(yīng)；2為輸出功能響應(yīng)，2=1；m為功效價(jià)值系數(shù)；為功能響應(yīng)變換當(dāng)量系數(shù)或能級(jí)品位當(dāng)量系數(shù)；1為過程約束質(zhì)量；2為過程耗散質(zhì)量；m為過程條件質(zhì)量。

由此可知，不可逆熱力循環(huán)系統(tǒng)的功效價(jià)值，既不單純強(qiáng)調(diào)改善功能，也不單純強(qiáng)調(diào)降低成本，而是需要對(duì)功能、成本進(jìn)行雙目標(biāo)綜合分析與對(duì)比，以實(shí)現(xiàn)熱力循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性、科學(xué)性。

針對(duì)不可逆平衡過程，1+2=1，說明該熱力過程的約束能量與排除所耗散的能量相互抵消的功能響應(yīng)的傳遞過程，并且功效呈現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的能級(jí)特征。以蒸汽輪機(jī)為例，蒸汽輪機(jī)熱電轉(zhuǎn)換動(dòng)力裝置及結(jié)構(gòu)原理見圖2，10為滿足汽缸軸封供汽能量；1為汽輪機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)的輸入能量，包括維持汽輪發(fā)電機(jī)組額定轉(zhuǎn)數(shù)(3000r/min)的空載工況運(yùn)行的能量11，及葉頂間隙漏氣蒸汽能量12、汽缸散熱損失熱量20；2為汽輪機(jī)熱電能量品質(zhì)轉(zhuǎn)換功效而產(chǎn)生電能輸出的能量；21為對(duì)凝汽器及其環(huán)境排放而消耗的能量[8]。

圖2 蒸汽輪機(jī)熱電轉(zhuǎn)換動(dòng)力裝置及其結(jié)構(gòu)原理

由此可知，汽輪機(jī)的能量利用率1、通流熱效率2與通流熱損失率￠2，以及功效值m分別為：

結(jié)合式(1)可知，在燃煤發(fā)電機(jī)機(jī)組的設(shè)計(jì)過程中，無論輸出是汽輪機(jī)的軸功還是發(fā)電機(jī)電能，提高發(fā)電功效才是汽輪機(jī)高效設(shè)計(jì)的優(yōu)化途徑。尤其當(dāng)量系數(shù)體現(xiàn)了功效品位或能級(jí)質(zhì)量，轉(zhuǎn)換過程內(nèi)外條件進(jìn)一步揭示了不可逆過程的損失機(jī)理，并且發(fā)電功效與當(dāng)量系數(shù)、輸入能量1的變化成正比，與過程條件的變化成反比，這就是功效原理能夠呈現(xiàn)高效設(shè)計(jì)的應(yīng)用價(jià)值。同樣，基于式(1)，采用火用平衡及其響應(yīng)的不可逆損失的研究方法，更有助于分析不可逆熱力循環(huán)系統(tǒng)及其工程方案的合理性、經(jīng)濟(jì)性。在不可逆熱力過程中，功能響應(yīng)的大小不僅和過程的初、終狀態(tài)有關(guān)，而且還與工質(zhì)的性質(zhì)及其變化的路徑有關(guān)。因此，功效價(jià)值的基本原理不僅闡述了功能系統(tǒng)產(chǎn)生的質(zhì)量是以過程為條件，而且還更進(jìn)一步揭示了質(zhì)量所需要代價(jià)及其成本的變化機(jī)理。顯然，該原理在不可逆熱力循環(huán)系統(tǒng)功能及性能的分析與評(píng)價(jià)上，更具有普適的應(yīng)用價(jià)值[9-10]。

1.2 超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的循環(huán)效率

蒸汽壓力25MPa、溫度580℃以上的超高參數(shù)燃煤火力發(fā)電機(jī)組，稱“超超臨界機(jī)組”，其發(fā)電效率為43.8%~45.4%，遠(yuǎn)高于亞臨界機(jī)組的37.5%，更高參數(shù)超超臨界機(jī)組的循環(huán)凈效率預(yù)計(jì)可達(dá)到47%~53%[11]。實(shí)際發(fā)電循環(huán)效率與卡諾循環(huán)的差距如圖3，上部10%左右的差距表示熱力學(xué)系統(tǒng)集成完整性的不足，下部10%左右的差距對(duì)應(yīng)電廠各種設(shè)備結(jié)構(gòu)總成的過程損失[12]，顯然，提高燃煤發(fā)電系統(tǒng)的效率還有較大的潛力。

圖3 典型燃煤發(fā)電機(jī)組循環(huán)效率

由不可逆熱力循環(huán)功效價(jià)值的基本原理和卡諾循環(huán)原理[13]可知，提高循環(huán)初參數(shù)、降低排氣參數(shù)、減少過程的不可逆損失，是提高熱力循環(huán)效率的3個(gè)主要途徑[14-15]。近期，采用提高蒸汽初參數(shù)等技術(shù)設(shè)計(jì)的37.25MPa/700℃/720℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，熱耗達(dá)到6608kJ/ (kW×h)，循環(huán)熱效率在48.5%左右。通過提高循環(huán)初參數(shù)、降低排氣參數(shù)、采用熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總成與系統(tǒng)集成等方法，減少熱電轉(zhuǎn)換過程中的不可逆損失，是超超臨界機(jī)組循環(huán)熱效率突破50%的關(guān)鍵。

2 新型超臨界參數(shù)燃煤發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)耦合設(shè)計(jì)

2.1 超臨界水汽工質(zhì)流態(tài)的動(dòng)力特性分析

隨著循環(huán)工質(zhì)參數(shù)的提高，工質(zhì)的狀態(tài)與流態(tài)、不可逆損失及能量傳遞效率關(guān)聯(lián)性研究具有重要的理論研究意義，尤其是開展超臨界水汽工質(zhì)水黏度-溫度流態(tài)的物相特性研究和解決超超臨界水汽工質(zhì)特性帶來的新問題，都更具有工程應(yīng)用價(jià)值。

基于NIST數(shù)據(jù)庫，針對(duì)超臨界水汽工質(zhì)水黏度-溫度流態(tài)物相特性的研究表明，根據(jù)工質(zhì)黏度-溫度流態(tài)相圖的物性來劃分汽水工質(zhì)流態(tài)的動(dòng)力特性區(qū)域，比以壓力、溫度參數(shù)的臨界點(diǎn)來區(qū)分工質(zhì)的動(dòng)力性能更有優(yōu)越性。例如，經(jīng)計(jì)算獲得的水汽黏度-溫度流態(tài)相圖如圖4所示，其中駐點(diǎn)曲線是等壓條件下，黏度關(guān)于溫度的一階導(dǎo)數(shù)等于0的曲線，反映了黏度的變化等于0，該曲線也是劃分氣態(tài)區(qū)域與超臨界區(qū)域的一條曲線；拐點(diǎn)曲線是等壓條件下，黏度關(guān)于溫度的二階導(dǎo)數(shù)等于0的曲線，反應(yīng)黏度的變化能力等于0，拐點(diǎn)曲線將以往定義的超臨界區(qū)域劃分成2部分，分別具有汽液2種不同的流態(tài)特性。因此，以黏度對(duì)溫度的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)曲線為工質(zhì)性能分界線，將水汽黏度-溫度流態(tài)相圖劃分為液態(tài)、汽態(tài)、汽液兩相、超臨界性能、液體超參數(shù)、汽體亞參數(shù)等6個(gè)特性區(qū)域。

圖4 水汽黏度-溫度流態(tài)相圖

在水黏度相圖4中，將經(jīng)過臨界點(diǎn)的等溫線，經(jīng)過臨界點(diǎn)的拐點(diǎn)曲線，以及黏度關(guān)于溫度的駐點(diǎn)曲線所包圍的區(qū)域D作為超臨界性能區(qū)域。因?yàn)轳v點(diǎn)曲線可以從分子層面表征黏性產(chǎn)生的機(jī)理，駐點(diǎn)曲線右側(cè)，黏度的產(chǎn)生主要是由于分子間無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的能量交換，介質(zhì)表現(xiàn)為氣體性質(zhì)，在駐點(diǎn)曲線的左側(cè)，黏性的產(chǎn)生主要是因?yàn)榉肿娱g的作用力(范德華力)，介質(zhì)表現(xiàn)為超臨界性質(zhì)或者液體性質(zhì)。過臨界點(diǎn)的等溫線和拐點(diǎn)曲線所夾的區(qū)域E為液體超參數(shù)區(qū)域。過臨界點(diǎn)的等壓線、相變曲線的下半部分和駐點(diǎn)曲線所夾區(qū)域F為氣體亞參數(shù)區(qū)域。氣體亞參數(shù)區(qū)域從黏度關(guān)于溫度一階導(dǎo)數(shù)的角度來考慮并不能當(dāng)成純粹的氣體，因?yàn)樵搮^(qū)域介質(zhì)的黏度并不是隨著溫度的升高而升高，并不吻合氣體黏度的性質(zhì)。

針對(duì)超超臨界汽水工質(zhì)所具有的動(dòng)力學(xué)特性，在熱力循環(huán)及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)該給予高度的重視，尤其換鍋爐熱器、管道阻力、流動(dòng)特性與汽輪機(jī)通流部分、軸承及密封等動(dòng)力部件設(shè)計(jì)的特性、過程不可逆損失，以及熱力循環(huán)效率的分析都能提供可借鑒的性能依據(jù)。

2.2 機(jī)爐一體化“動(dòng)力島”的設(shè)計(jì)技術(shù)

2.2.1 “鍋爐”換熱器結(jié)構(gòu)總成的設(shè)計(jì)技術(shù)

鍋爐基于化石燃料煤的燃燒而產(chǎn)生煙氣熱能，通過換熱器將煙氣熱量傳遞給熱力循環(huán)水汽工質(zhì)的能量而形成蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功發(fā)電，并且汽輪機(jī)的乏汽進(jìn)入凝汽器凝結(jié)后，再通過凝結(jié)水泵與給水泵增壓進(jìn)入高低壓回?zé)峒訜崞骷訜崤c除氧器，最后返回鍋爐煙氣蒸汽換熱器，這就構(gòu)成了燃煤發(fā)電機(jī)組的汽水熱力循環(huán)系駛統(tǒng)[16]，如圖5所示。針對(duì)超超臨界參數(shù)下的燃煤發(fā)電鍋爐，由于水汽工質(zhì)在超臨界參數(shù)區(qū)域加熱，因而不存在明顯的汽水分離界面，如圖6所示。

因此，嚴(yán)格地講，超超臨界參數(shù)下的燃煤發(fā)電機(jī)組只有爐而沒有鍋，這就是超高參數(shù)與亞臨界參數(shù)的燃煤發(fā)電熱力循環(huán)熱力特性呈現(xiàn)較大區(qū)別的本質(zhì)。

圖5 燃煤發(fā)電機(jī)組的汽水熱力循環(huán)系統(tǒng)

圖6 超臨界參數(shù)燃煤發(fā)電熱力過程及煙/汽耦合傳熱特性

超臨界參數(shù)的“鍋爐”換熱器的功能在于燃料燃燒而放熱，與汽水循環(huán)工質(zhì)升壓汽化而吸熱，從而導(dǎo)致能量傳遞的過程。目前，超超臨界參數(shù)“鍋爐”換熱器有平式、P式、塔式與流化床式等結(jié)構(gòu)的布置形式[17]，主要存在超臨界參數(shù)的換熱器材料昂貴，投資成本高、受煤質(zhì)特性的因素影響比較大的問題；以及在傳熱傳質(zhì)機(jī)理和整體結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)功效分析中，未對(duì)基于熱力學(xué)第二定律的能質(zhì)分析給予足夠的重視。例如，“鍋爐”換熱過程存在較大的溫差，特別是在爐膛水冷壁處最大溫差近1000℃，顯然，在煙氣與蒸汽能量耦合及傳遞的過程中將會(huì)產(chǎn)生明顯的不可逆損失。

煤燃燒是一個(gè)非均相容積反應(yīng)，包括氣固多相流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)、傳熱傳質(zhì)等多個(gè)復(fù)雜過程，特別是在不同煤質(zhì)燃燒的過程中，煙氣特性對(duì)高溫材料界面粘污、積灰特性對(duì)管壁換熱性能影響的程度更要引起高度的重視。同樣，水汽工質(zhì)在加熱汽化過程中，超超臨界流體與亞臨界流體相比呈現(xiàn)不同的變化特性，尤其是在物性流態(tài)相區(qū)存在黏溫相變化的新機(jī)制導(dǎo)致工質(zhì)流動(dòng)阻力、傳熱特性等性能變化更明顯，如圖7所示。因此，如何揭示不同煤質(zhì)燃燒與超超臨界工質(zhì)在物性流態(tài)相區(qū)流動(dòng)機(jī)理及動(dòng)力穩(wěn)定性問題，將是制約管壁兩側(cè)煙氣與蒸汽能量耦合理論的一個(gè)研究瓶頸。

圖7 亞臨界與超臨界汽水工質(zhì)的流態(tài)

基于熱力學(xué)第一定律、第二定律和功效價(jià)值原理可知，高效“鍋爐”換熱器設(shè)計(jì)的核心問題，就是合理控制煤質(zhì)燃燒產(chǎn)生煙氣工質(zhì)流動(dòng)放熱與超臨界水汽循環(huán)工質(zhì)吸熱相耦合的匹配過程，并結(jié)合受熱面布置有效地控制煙氣溫降和水汽溫升特性曲線，尤其是平均放熱、吸熱的溫度差值就能進(jìn)一步體現(xiàn)煙氣與水汽工質(zhì)熱交換過程的不可逆損失的程度。

由此可見，在超臨界參數(shù)“鍋爐”換熱器的設(shè)計(jì)中，既要重視煤質(zhì)由化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿募夹g(shù)轉(zhuǎn)化途徑，又要控制燃燒污染物生成及能否達(dá)標(biāo)排放過程；既要進(jìn)一步揭示超臨界工質(zhì)流態(tài)穩(wěn)定性的機(jī)理，又要解決超臨界流體的動(dòng)力特性與高效傳熱問題。尤其是基于傳熱、傳質(zhì)理論，進(jìn)一步揭示燃料傳熱材料界面粘污和兩側(cè)(煙氣與水汽)傳熱的機(jī)理，合理匹配確定煙氣輻射、對(duì)流、導(dǎo)熱放熱過程與受熱面結(jié)構(gòu)參數(shù)，開發(fā)燃料分級(jí)燃燒合理、溫度曲線可控、耦合傳熱高效的新技術(shù)，以及受熱面結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，都有極其重要的研究價(jià)值。

2.2.2 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)及熱力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)

目前，國際上普遍認(rèn)為，在常規(guī)超臨界參數(shù)的基礎(chǔ)上壓力和溫度再提升一個(gè)檔次，也就是工作壓力超過24.2MPa，主/再汽溫都超過566℃，都屬于超超臨界機(jī)組。為了論證自主開發(fā)大型超超臨界機(jī)組的技術(shù)方案，國內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)都針對(duì)國內(nèi)外各大公司在發(fā)展超超臨界技術(shù)中解決的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等關(guān)鍵技術(shù)水平與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了綜合分析，并提出了適合我國發(fā)展的超超臨界機(jī)組參數(shù)(25~28MPa/600℃)、一次中間再熱方式、600~1000MW容量的設(shè)計(jì)方案。

對(duì)比分析國內(nèi)上海汽輪機(jī)廠、東方汽輪機(jī) 廠[18]、哈爾汽輪機(jī)廠三大主機(jī)廠新型1000MW機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)：1）國內(nèi)三大主機(jī)功率等級(jí)與主蒸汽壓力、溫度參數(shù)選擇一致，并且在 1000MW機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都采用小直徑、多級(jí)數(shù)、小焓降、高效率的通流設(shè)計(jì)原則，尤其上海汽輪機(jī)廠采取高壓通流全周進(jìn)汽并取消調(diào)節(jié)級(jí)、除末三級(jí)外全部采用全三維扭葉片以及高壓汽缸采用單流程，葉片級(jí)通流面積比雙流程增加一倍，葉片端損大幅下降[19]；2）高壓切向進(jìn)汽，斜置45°第一級(jí)靜葉，結(jié)構(gòu)緊湊，損失??；3）全部采用“T”型葉根，漏汽損失小等技術(shù)措施，有利于降低通流部分的不可逆損失，進(jìn)一步提高機(jī)組變工況運(yùn)行效率，降低汽隙激振的可能性。但是，夏季工況的補(bǔ)汽運(yùn)行方式又不利于機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。無論是上海汽輪機(jī)廠、東方汽輪機(jī)廠、哈爾汽輪機(jī)廠分別引進(jìn)西門子、日立、東芝等國際知名制造商較為成熟的超超臨界汽輪機(jī)制造技術(shù)，還是近年國內(nèi)相關(guān)單位對(duì)技術(shù)的消化吸收或 升級(jí)，就整體而言，國內(nèi)三大主機(jī)廠在初參數(shù) 600℃/28MPa下，新型1000MW汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有相似的發(fā)展趨勢(shì)，并且發(fā)電循環(huán)效率都接近50%。

在汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，根據(jù)不同地區(qū)的自然環(huán)境及凝汽器乏汽冷卻方式，在汽輪機(jī)主汽與背壓參數(shù)確定的條件下，具體優(yōu)化途徑主要包括：一是如何優(yōu)化選取高、中、低壓氣缸的負(fù)荷分配與進(jìn)排氣參數(shù)以及相對(duì)應(yīng)的葉片級(jí)數(shù)；二是如何優(yōu)化確定幾級(jí)回?zé)岢槠绊憫?yīng)參數(shù)[20]。但是，就近期而言，這2個(gè)方面的整體研究成果及設(shè)計(jì)方案的相關(guān)報(bào)道還很少。上海汽輪機(jī)廠與華東電力設(shè)計(jì)院聯(lián)合設(shè)計(jì)了37.25MPa/700℃/ 720℃參數(shù)下，額定出力為710MW的超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的熱力系統(tǒng)，其發(fā)電循環(huán)熱效率為54.48%，如取廠用電率為5%，那么發(fā)電循環(huán)的凈效率達(dá)51.76%。據(jù)悉，廣東甲湖灣電廠 1000MW超超臨界機(jī)組采用BEST汽動(dòng)給水泵及雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)方案，機(jī)組的熱耗水平在一次再熱機(jī)組達(dá)到最優(yōu)，并接近二次再熱機(jī)組的設(shè)計(jì)水平。

無論是增加超高壓缸(VHP)的水汽循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還是增加BEST汽動(dòng)給水泵及汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的改進(jìn)，都是基于傳統(tǒng)HP-IP-LP結(jié)構(gòu)形式的汽輪機(jī)及其熱力系統(tǒng)的局部節(jié)能改造。前者是基于提高蒸汽初參數(shù)后，更好地解決能的高效梯級(jí)利用問題，后者則是進(jìn)一步解決汽輪機(jī)回?zé)岢槠麉?shù)設(shè)計(jì)不匹配及給水泵電動(dòng)改汽泵能量品質(zhì)高質(zhì)低用的不可逆損失問題。以上2種超超臨界機(jī)組所采取的技術(shù)改進(jìn)措施，其結(jié)果都是局部優(yōu)化，而沒有在初、終參數(shù)確定后，從有效熱力焓降的整體工藝流程角度，開展高、中、低三缸結(jié)構(gòu)參數(shù)合理匹配和回?zé)?、再熱系統(tǒng)參數(shù)質(zhì)量耦合的優(yōu)化設(shè)計(jì)。同樣，采用增加再熱次數(shù)與回?zé)峒?jí)數(shù)及熱泵等技術(shù)，雖然都能夠提高熱力循環(huán)效率，但是如果與汽輪機(jī)通流設(shè)計(jì)、“鍋爐”換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配得不合理，尤其是在變工況運(yùn)行的條件下，整個(gè)系統(tǒng)的不可逆損失都會(huì)有很大的增加。

總之，目前超超臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)方案只重視局部結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的節(jié)能改造技術(shù)，而缺乏從整體到局部優(yōu)化的設(shè)計(jì)理念。

2.2.3 新型機(jī)爐一體化的系統(tǒng)集成技術(shù)

針對(duì)高參數(shù)大容量燃煤發(fā)電過程與系統(tǒng)，尤其是在熱-功-電的能量品位提升過程中，普遍存在以約束、耗散為條件的熱功轉(zhuǎn)化與能量傳遞過程的不可逆性，因此結(jié)合卡諾循環(huán)、朗肯循環(huán)與高參數(shù)大容量燃煤發(fā)電機(jī)組的不可逆損失機(jī)理，進(jìn)一步開發(fā)不可逆熱力循環(huán)的系統(tǒng)集成技術(shù)是必要的和迫切的。

圖8給出了傳統(tǒng)機(jī)爐分體設(shè)計(jì)、機(jī)爐一體化設(shè)計(jì)與“動(dòng)力島”設(shè)計(jì)的整體思路，其中分體設(shè)計(jì)以給水與主、再熱工質(zhì)參數(shù)為界面，進(jìn)行煙氣與水汽及其作功的能量轉(zhuǎn)換與熱量傳遞，機(jī)爐一體化是采用結(jié)構(gòu)總成與系統(tǒng)成集方法將煙氣與水汽系統(tǒng)能量進(jìn)行耦合的整體設(shè)計(jì)，“動(dòng)力島”則是考慮機(jī)、爐冷源能量回收及熱泵提質(zhì)等方法進(jìn)行完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

基于超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組存在變工質(zhì)煙氣/水汽耦合的熱能動(dòng)力不可逆循環(huán)過程的特點(diǎn)，尤其“鍋爐”換熱器的燃料燃燒和煙氣溫降與水汽溫升的特性曲線，以及平均放熱、吸熱的溫度差導(dǎo)致能量傳遞的換熱本質(zhì)，提出相應(yīng)地?zé)煔?水汽工質(zhì)“等效卡諾循環(huán)效率”的不可逆能量損失概念及其相應(yīng)的分析方法，如圖9所示。提高煙氣與水汽系統(tǒng)能量耦合換熱和熱功轉(zhuǎn)換的效率，關(guān)鍵在于采用合理組織燃料分級(jí)燃燒，放/吸熱溫度曲線可控，耦合換熱平均溫差最小；結(jié)構(gòu)焓降分配合理，回?zé)峒?jí)數(shù)優(yōu)化得當(dāng)，熱功轉(zhuǎn)換梯級(jí)高效，盡可能實(shí)現(xiàn)冷源余熱回收利用等節(jié)能降耗的新型技術(shù)，因此達(dá)到盡可能地降低整個(gè)系統(tǒng)及其熱力過程不可逆損失而提升超高參數(shù)動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)高效集成的目的。

圖8 機(jī)爐一體化耦合設(shè)計(jì)技術(shù)

圖9 煙氣與水汽能量耦合換熱系統(tǒng)

顯然，“等效卡諾循環(huán)效率”概念是基于熱力學(xué)卡諾循環(huán)原理提出的，重點(diǎn)揭示“鍋爐”換熱器煙氣與水汽工質(zhì)不可逆換熱過程的不可逆損失的程度，具體表達(dá)式如下：

式中：￠k為等效卡諾循環(huán)的效率；d為低溫?zé)嵩此鼰徇^程的平均溫度；g為高溫?zé)嵩礋煔夥艧徇^程的平均溫度。

由此可見，提高“鍋爐”換熱器效率的核心問題就是如何控制減小煙氣與水汽工質(zhì)的平均換熱溫差。所以，在超臨界參數(shù)“鍋爐”換熱器優(yōu)化布置的設(shè)計(jì)中，采用燃料流化、氣化分級(jí)溫控燃燒，兩側(cè)循環(huán)工質(zhì)逆向流動(dòng)布置的流化床技術(shù)較為合理，也許是未來發(fā)展更有性能優(yōu)勢(shì)的技術(shù)途徑。

3 燃煤發(fā)電機(jī)組功效評(píng)價(jià)的新方法

根據(jù)熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)第二定律和功效價(jià)值原理，以及“等效卡諾循環(huán)效率”概念，結(jié)合煙氣與水汽工資能量耦合系統(tǒng)，研究燃煤發(fā)電機(jī)組熱力循環(huán)系統(tǒng)的不可逆損失機(jī)理，從而能夠形成機(jī)爐一體化“動(dòng)力島”的設(shè)計(jì)技術(shù)和評(píng)價(jià)方法，如圖10所示。

基于卡諾循環(huán)構(gòu)成的原理熱機(jī)、朗肯循環(huán)構(gòu)成的技術(shù)熱機(jī)、實(shí)際循環(huán)構(gòu)成的產(chǎn)品熱機(jī)、煙氣布雷頓(Brayton)循環(huán)構(gòu)成的等效“卡諾耗散熱機(jī)”的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，來指導(dǎo)超高參數(shù)燃煤動(dòng)力系統(tǒng)工程技術(shù)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且卡諾循環(huán)效率揭示的是以可逆循環(huán)過程為基礎(chǔ)而形成的原理熱機(jī)，朗肯循環(huán)效率揭示的是以技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范而形成的技術(shù)熱機(jī)，而產(chǎn)品樣機(jī)則是針對(duì)實(shí)際循環(huán)系統(tǒng)及其環(huán)境條件，基于熱力學(xué)第一定律給出的優(yōu)化結(jié)果。

根據(jù)功效價(jià)值原理及熱力學(xué)第二定律來進(jìn)一步研究不可逆熱力循環(huán)的指標(biāo)評(píng)價(jià)問題，首先要基于“鍋爐”燃燒能量轉(zhuǎn)化的“等效卡諾耗散熱機(jī)”概念及其相應(yīng)的分析方法，結(jié)合汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)加熱器熱負(fù)荷品位及溫度、壓力參數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)爐一體、爐膛加熱器重構(gòu)的結(jié)構(gòu)總成與系統(tǒng)集成的新型結(jié)構(gòu)技術(shù)；其次，基于供需一體、質(zhì)量耦合、能級(jí)利用的功能設(shè)計(jì)原則，分析能量轉(zhuǎn)換過程中的不可逆損失分布機(jī)理，結(jié)合煙氣與水汽能量耦合動(dòng)力系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換與傳遞過程及環(huán)境特性影響，從能的“質(zhì)”和“量”相結(jié)合的思路，構(gòu)建資源、能源、環(huán)境與動(dòng)力裝置及系統(tǒng)一體化的工程技術(shù)方案，從而進(jìn)一步提出高參數(shù)燃煤動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)不可逆過程的分析及優(yōu)化方法，簡稱功效價(jià)值評(píng)價(jià)方法。

圖10 典型熱力循環(huán)系統(tǒng)或熱機(jī)的效率評(píng)價(jià)方法

由此可見，原理樣機(jī)是以科學(xué)原理為基礎(chǔ)、功能創(chuàng)新為目的，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)功能創(chuàng)新的新穎性；技術(shù)樣機(jī)是以先進(jìn)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、性能創(chuàng)新為目的，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)樣機(jī)或系統(tǒng)性能的提升；產(chǎn)品樣機(jī)則是以價(jià)值創(chuàng)新為目的、響應(yīng)優(yōu)化為手段，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)提升功能響應(yīng)的應(yīng)用價(jià)值與降低約束、消耗的過程條件及其響應(yīng)的成本。顯然，要通過降低成本和改善功能2個(gè)方面，來實(shí)現(xiàn)成本與功能的合理化，從而達(dá)到提高循環(huán)及系統(tǒng)價(jià)值的目的。

4 結(jié)論

基于熱功轉(zhuǎn)化與能量傳遞的不可逆過程研究，提出“等效卡諾循環(huán)效率”與“動(dòng)力島”及過程條件的概念，從而形成了機(jī)爐一體化、“動(dòng)力島”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析與評(píng)價(jià)方法；基于供需一體、質(zhì)量耦合、能級(jí)利用的功能設(shè)計(jì)原則，分析超臨界參數(shù)工質(zhì)在能量轉(zhuǎn)換過程中的不可逆損失分布機(jī)理，結(jié)合煙氣與水汽能量耦合動(dòng)力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換與傳遞的過程條件，從能的“質(zhì)”和“量”相結(jié)合的思路，構(gòu)建資源、能源、環(huán)境與動(dòng)力裝置及系統(tǒng)一體化的超臨界參數(shù)燃煤發(fā)電機(jī)組的工程技術(shù)方案。具體結(jié)論如下：

1）依據(jù)煙氣與水汽耦合循環(huán)的功效價(jià)值原理的研究，初步形成了機(jī)爐專業(yè)深度交叉與融合的動(dòng)力結(jié)構(gòu)總成、熱力系統(tǒng)集成的新型重構(gòu)技術(shù)思路，以及“動(dòng)力島”設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)的方法研究。提出功效價(jià)值與原理熱機(jī)、技術(shù)熱機(jī)、產(chǎn)品熱機(jī)及“卡諾耗散熱機(jī)”等性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法，更具有合理性、先進(jìn)性。

2）在超臨界參數(shù)“鍋爐”換熱器優(yōu)化布置的設(shè)計(jì)中，采用燃料流化、氣化分級(jí)溫控燃燒，兩側(cè)循環(huán)工質(zhì)逆向流動(dòng)布置的流化床技術(shù)較為合理，也許是未來更有性能優(yōu)勢(shì)的技術(shù)途徑。

3）基于超臨界汽水黏度-溫度流態(tài)相圖與動(dòng)力特性研究，提出一種按工質(zhì)變化特性來劃分6個(gè)特性區(qū)域的新方法。該方法能夠?yàn)槌R界參數(shù)下的換熱器設(shè)計(jì)、管道阻力與流動(dòng)特性分析、軸承與葉輪等動(dòng)力部件的設(shè)計(jì)，以及熱力循環(huán)效率的分析論證，提供一種更有效的新途徑。

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New Supercritical Parameter Coal-Fired Power Generation System Structure Design Technology

YANG Jinfu1,2, ZHANG Zhongxiao3, HAN Dongjiang1,2, YANG Mei4, ZHOU Yunlong4

(1. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100190, China; 2. Chinese Academy of Sciences University, Haidian District, Beijing 100049, China; 3. School of Mechanical and Power Engineering, Shanghai Jiaotong University, Minhang District, Shanghai 200240, China; 4. School of Energy and Power Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China)

According to the basic principle of the irreversible thermodynamic cycle value, the irreversible process of the thermodynamic cycle system was analyzed. The concept of "equivalent Carnot cycle efficiency" was proposed, and the classical thermodynamic theory and analysis method were expanded. At the same time, the design concept of "Cano consumption heat sink" and "power island" for supercritical parameters coal-fired power generation thermodynamic cycle unit was proposed, and the design principle of supply and demand integration, mass coupling and energy level utilization, and evaluation method of efficacy value were further given. These provide a more effective new approach for optimized designs of ultra-high-parameter coal-fired power generation thermodynamic cycle units.

ultra-supercritical parameters; coal-fired power generation technology; irreversible thermodynamic cycle; efficacy value principle; power island design method

10.12096/j.2096-4528.pgt.19125

2019-10-10。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFB0604404)。

Project Supported by National Key Research and Development Program of China (2018YFB0604404).

(責(zé)任編輯 車德競(jìng))