火電機(jī)組熱力系統(tǒng)全工況優(yōu)化與能耗控制策略研究中文摘要

我國火力發(fā)電行業(yè)消耗了近一半的一次能源，火電機(jī)組的高效清潔運(yùn)行對節(jié)能減排具有重要意義。本項(xiàng)目針對我國火電機(jī)組調(diào)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(shè)計、制造和運(yùn)行等方面的缺陷展開研究，采用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬等方法，建立基于單元過程的火電機(jī)組熱力設(shè)備計算模型，獲得深度調(diào)峰工況及瞬態(tài)過程熱力設(shè)備的性能，查清燃煤機(jī)組、燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組及供熱機(jī)組熱力系統(tǒng)多因素耦合工況及機(jī)組快速升、降負(fù)荷等典型瞬態(tài)過程的能耗特性，綜合考慮負(fù)荷、燃料和環(huán)境等外部因素的時變特性，從設(shè)計、運(yùn)行及余熱深度回收利用等三個方面建立火電機(jī)組熱力系統(tǒng)全工況優(yōu)化與能耗控制策略。通過本項(xiàng)目的研究，可完善火電機(jī)組熱力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換及傳輸理論，為我國火電機(jī)組深層次節(jié)能降耗提供理論依據(jù)。通過推廣本項(xiàng)目研究成果，可降低火電機(jī)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。

火力發(fā)電在我國電力供應(yīng)中的角色由主體向基礎(chǔ)能源轉(zhuǎn)變，為消納風(fēng)能、太陽能發(fā)電，火電機(jī)組長期頻繁深度變負(fù)荷運(yùn)行，還需面臨燃料與環(huán)境多變的運(yùn)行挑戰(zhàn)。因此，開展火電機(jī)組全工況節(jié)能的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究，對我國“節(jié)能優(yōu)先”的能源戰(zhàn)略至關(guān)重要。本項(xiàng)目從熱力設(shè)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(shè)計、運(yùn)行及節(jié)能改造等三個方面提出了火電機(jī)組全工況優(yōu)化與能耗控制策略。（1）通過熱力設(shè)備動態(tài)響應(yīng)時間的尺度分析，發(fā)現(xiàn)傳熱設(shè)備是制約火電機(jī)組熱力系統(tǒng)瞬態(tài)過程持續(xù)時間及能源轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，進(jìn)而建立了換熱設(shè)備非穩(wěn)態(tài)過程的熵產(chǎn)分析模型，發(fā)現(xiàn)了換熱設(shè)備瞬態(tài)過程中存在附加熵產(chǎn)的特殊現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)了熱力設(shè)備穩(wěn)態(tài)變工況及瞬態(tài)過程性能的精細(xì)表征；（2）建立了火電機(jī)組模型，驗(yàn)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(jī)組耦合熱電解耦措施運(yùn)行域的擴(kuò)展規(guī)律及運(yùn)行域內(nèi)復(fù)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(jī)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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)了余熱回收系統(tǒng)全工況高效運(yùn)行；揭示了通過瞬態(tài)過程流量/溫度調(diào)控降低瞬態(tài)過程熵產(chǎn)的機(jī)理，提出通過蓄熱及蓄熱分布修正的優(yōu)化控制策略，可實(shí)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?；谝陨涎芯?，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(xué)術(shù)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(jìn)步二等獎1項(xiàng)，省部級一等獎3項(xiàng)。研究成果在煙氣余熱高效回收、高參數(shù)二次再熱機(jī)組設(shè)計及運(yùn)行優(yōu)化、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱電解耦與運(yùn)行節(jié)能等得到應(yīng)用。 2100433B

本書以通信基站的能耗控制為例，進(jìn)行能耗控制的策略研究。通信基站是整個通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)中的能耗大戶。通信基站的能耗主要是指由機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)引起的數(shù)額巨大的耗電量?？照{(diào)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(diào)的頻繁啟停形成大量的能耗，造成高額的運(yùn)行成本，降低基站能耗已成為有關(guān)部門及企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。本書研究空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能，提出節(jié)能降耗問題及對策；考慮到空調(diào)系統(tǒng)的熱環(huán)境具有不確定性，采用模糊、模糊隨機(jī)等技術(shù)，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(jī)房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗的溫度控制方法。本書能夠?qū)νㄐ呕灸芎墓芾淼闹悄芑鸬揭欢ǖ耐苿幼饔?，為?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(shí)際中，為能耗控制問題提供科學(xué)的定量分析模型。

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

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

1、無撞擊進(jìn)口

當(dāng)轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流的相對速度的方向與葉片剖面的中線在進(jìn)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(jìn)口。

但當(dāng)水流相對速度與葉片剖面中線在進(jìn)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(jī)效率下降。

2、最優(yōu)水流出口

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

（1）法向出口。當(dāng)從轉(zhuǎn)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(dāng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動的方向一致。此出流與法向出口相比，對混流式水輪機(jī)及軸流式水輪機(jī)，反而能減少水力損失，改善水輪機(jī)的效率及汽蝕性能。

原因如下：

①具微量正向旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪進(jìn)、出口環(huán)量的增大，相應(yīng)使轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口水流相對流速w₁、w₂減少，從而也能降低轉(zhuǎn)輪中的水力損失。

對于形狀和尺寸均已確定的水輪機(jī)，最優(yōu)工況只會在某個水頭、流量和轉(zhuǎn)速的條件下出現(xiàn)。但水輪機(jī)在實(shí)際運(yùn)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(yùn)行。

下圖《水輪機(jī)非最優(yōu)工況》為水頭固定、導(dǎo)葉開度減小和導(dǎo)葉開度固定、水頭降低時的轉(zhuǎn)輪進(jìn)、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(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪槳葉可隨著工況的改變而轉(zhuǎn)動到相應(yīng)的角度，使轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流接近無撞擊和出口接近最優(yōu)出流，因而轉(zhuǎn)輪可以在相當(dāng)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