火電機組熱力系統(tǒng)全工況優(yōu)化與能耗控制策略研究

火力發(fā)電在我國電力供應中的角色由主體向基礎能源轉變，為消納風能、太陽能發(fā)電，火電機組長期頻繁深度變負荷運行，還需面臨燃料與環(huán)境多變的運行挑戰(zhàn)。因此，開展火電機組全工況節(jié)能的基礎理論與關鍵技術研究，對我國“節(jié)能優(yōu)先”的能源戰(zhàn)略至關重要。本項目從熱力設備的全工況性能研究出發(fā)，研究獲得了熱力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)變工況和瞬態(tài)過程的能耗特性，從設計、運行及節(jié)能改造等三個方面提出了火電機組全工況優(yōu)化與能耗控制策略。（1）通過熱力設備動態(tài)響應時間的尺度分析，發(fā)現(xiàn)傳熱設備是制約火電機組熱力系統(tǒng)瞬態(tài)過程持續(xù)時間及能源轉化的關鍵，進而建立了換熱設備非穩(wěn)態(tài)過程的熵產(chǎn)分析模型，發(fā)現(xiàn)了換熱設備瞬態(tài)過程中存在附加熵產(chǎn)的特殊現(xiàn)象，從而實現(xiàn)了熱力設備穩(wěn)態(tài)變工況及瞬態(tài)過程性能的精細表征；（2）建立了火電機組模型，驗證了模型的可靠性，研究獲得了內(nèi)外因素耦合作用下熱力系統(tǒng)能耗特性，研究獲得了熱電聯(lián)產(chǎn)機組耦合熱電解耦措施運行域的擴展規(guī)律及運行域內(nèi)復雜能耗特性，將瞬態(tài)過程附加能耗分為“可避免”、“不可避免”兩個部分，研究獲得了火電機組瞬態(tài)過程能耗特性的變化規(guī)律。（3）研究獲得了火電機組內(nèi)外因素耦合變工況及瞬態(tài)過程的能耗控制策略。通過氣液固三相凝并吸收抑制低溫腐蝕機理的研究，提出了將低溫省煤器布置在除塵器前的余熱回收新方案，實現(xiàn)了余熱回收系統(tǒng)全工況高效運行；揭示了通過瞬態(tài)過程流量/溫度調控降低瞬態(tài)過程熵產(chǎn)的機理，提出通過蓄熱及蓄熱分布修正的優(yōu)化控制策略，可實現(xiàn)瞬態(tài)過程節(jié)能，將熱力系統(tǒng)節(jié)能由穩(wěn)態(tài)工況拓展至瞬態(tài)過程。基于以上研究，發(fā)表SCI論文42篇（2篇入選ESI）、國內(nèi)期刊論文18篇，申請專利17件，培養(yǎng)博士研究生3名、碩士研究生15名，主辦國際、國內(nèi)學術會議各1個，受邀在國際會議做主旨報告6個，獲國家科技進步二等獎1項，省部級一等獎3項。研究成果在煙氣余熱高效回收、高參數(shù)二次再熱機組設計及運行優(yōu)化、熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱電解耦與運行節(jié)能等得到應用。 2100433B

我國火力發(fā)電行業(yè)消耗了近一半的一次能源，火電機組的高效清潔運行對節(jié)能減排具有重要意義。本項目針對我國火電機組調峰頻繁、燃料多變和環(huán)境溫度差異大的現(xiàn)狀，以及普遍存在的設計、制造和運行等方面的缺陷展開研究，采用理論分析、實驗研究以及數(shù)值模擬等方法，建立基于單元過程的火電機組熱力設備計算模型，獲得深度調峰工況及瞬態(tài)過程熱力設備的性能，查清燃煤機組、燃氣聯(lián)合循環(huán)機組及供熱機組熱力系統(tǒng)多因素耦合工況及機組快速升、降負荷等典型瞬態(tài)過程的能耗特性，綜合考慮負荷、燃料和環(huán)境等外部因素的時變特性，從設計、運行及余熱深度回收利用等三個方面建立火電機組熱力系統(tǒng)全工況優(yōu)化與能耗控制策略。通過本項目的研究，可完善火電機組熱力系統(tǒng)能量轉換及傳輸理論，為我國火電機組深層次節(jié)能降耗提供理論依據(jù)。通過推廣本項目研究成果，可降低火電機組能耗，對我國火電行業(yè)的節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

本書以通信基站的能耗控制為例，進行能耗控制的策略研究。通信基站是整個通信網(wǎng)絡設備運行與維護中的能耗大戶。通信基站的能耗主要是指由機房空調系統(tǒng)引起的數(shù)額巨大的耗電量?？照{系統(tǒng)的熱環(huán)境是不確定的環(huán)境，在這種環(huán)境下，空調的頻繁啟停形成大量的能耗，造成高額的運行成本，降低基站能耗已成為有關部門及企業(yè)重點關注的內(nèi)容。本書研究空調系統(tǒng)的節(jié)能，提出節(jié)能降耗問題及對策；考慮到空調系統(tǒng)的熱環(huán)境具有不確定性，采用模糊、模糊隨機等技術，研究不確定環(huán)境下的能耗控制理論與方法；提出一系列通信機房空調系統(tǒng)節(jié)能降耗的溫度控制方法。本書能夠對通信基站能耗管理的智能化起到一定的推動作用，為節(jié)能化的研究指出一個新的方法。本書在管理理論上，豐富不確定環(huán)境下的能耗決策問題的理論；在管理實際中，為能耗控制問題提供科學的定量分析模型。

水輪機效率最高的工況稱為水輪機的最優(yōu)工況，其余工況均稱為水輪機的非最優(yōu)工況。

水輪機在最優(yōu)工況運行時，水力損失最小。理論上，最優(yōu)工況應發(fā)生在進口水流無撞擊、出口水流呈法向的條件下。

1、無撞擊進口

當轉輪進口水流的相對速度的方向與葉片剖面的中線在進口處的切線相一致的時候，水流繞流平順，不產(chǎn)生撞擊、脫流等現(xiàn)象，水力損失最小，稱為無撞擊進口。

但當水流相對速度與葉片剖面中線在進口處的切線方向不一致的時候，就會發(fā)生撞擊時，會出現(xiàn)脫流和漩渦區(qū)，產(chǎn)生撞擊損失，使水輪機效率下降。

2、最優(yōu)水流出口

不同水頭下的反擊式水輪機對最優(yōu)水流出口的要求略有不同。對高水頭水輪機，最理想的轉輪出流是法向出口；而對中、低水頭混流式水輪機及軸流式水輪機，轉輪的略具正環(huán)量的水流出口是有利的。

（1）法向出口。當從轉輪流出的水流是沿著軸面流動且無旋時，稱為法向出口，此時出口水流角α₂=90°，出口速度三角形為直角三角形。

（2）略具正環(huán)量的水流出口。當轉輪出口水流略具正環(huán)量時，出口水流角α₂略小于90°，V_u2略大于零，此時V_u2的方向與轉輪轉動的方向一致。此出流與法向出口相比，對混流式水輪機及軸流式水輪機，反而能減少水力損失，改善水輪機的效率及汽蝕性能。

原因如下：

①具微量正向旋轉的水流，在水流自身的離心力作用下，將緊貼尾水管的管壁流動，因而不易發(fā)生脫流及滯水區(qū)，從而減少尾水管的能量損失；

②由于轉輪進、出口環(huán)量的增大，相應使轉輪進、出口水流相對流速w₁、w₂減少，從而也能降低轉輪中的水力損失。

對于形狀和尺寸均已確定的水輪機，最優(yōu)工況只會在某個水頭、流量和轉速的條件下出現(xiàn)。但水輪機在實際運行中，水頭、流量總是變化的，因此不可避免地要偏離最優(yōu)工況運行。

下圖《水輪機非最優(yōu)工況》為水頭固定、導葉開度減小和導葉開度固定、水頭降低時的轉輪進、出口速度三角形的變化情況，其中虛線表示最優(yōu)工況。

對于軸流轉槳式水輪機，轉輪槳葉可隨著工況的改變而轉動到相應的角度，使轉輪進口水流接近無撞擊和出口接近最優(yōu)出流，因而轉輪可以在相當大的水頭和流量變化范圍內(nèi)具有高的效率和穩(wěn)定性。 2100433B