火电机组热力系统全工况优化与能耗控制策略研究

火力发电在我国电力供应中的角色由主体向基础能源转变，为消纳风能、太阳能发电，火电机组长期频繁深度变负荷运行，还需面临燃料与环境多变的运行挑战。因此，开展火电机组全工况节能的基础理论与关键技术研究，对我国“节能优先”的能源战略至关重要。本项目从热力设备的全工况性能研究出发，研究获得了热力系统稳态变工况和瞬态过程的能耗特性，从设计、运行及节能改造等三个方面提出了火电机组全工况优化与能耗控制策略。（1）通过热力设备动态响应时间的尺度分析，发现传热设备是制约火电机组热力系统瞬态过程持续时间及能源转化的关键，进而建立了换热设备非稳态过程的熵产分析模型，发现了换热设备瞬态过程中存在附加熵产的特殊现象，从而实现了热力设备稳态变工况及瞬态过程性能的精细表征；（2）建立了火电机组模型，验证了模型的可靠性，研究获得了内外因素耦合作用下热力系统能耗特性，研究获得了热电联产机组耦合热电解耦措施运行域的扩展规律及运行域内复杂能耗特性，将瞬态过程附加能耗分为“可避免”、“不可避免”两个部分，研究获得了火电机组瞬态过程能耗特性的变化规律。（3）研究获得了火电机组内外因素耦合变工况及瞬态过程的能耗控制策略。通过气液固三相凝并吸收抑制低温腐蚀机理的研究，提出了将低温省煤器布置在除尘器前的余热回收新方案，实现了余热回收系统全工况高效运行；揭示了通过瞬态过程流量/温度调控降低瞬态过程熵产的机理，提出通过蓄热及蓄热分布修正的优化控制策略，可实现瞬态过程节能，将热力系统节能由稳态工况拓展至瞬态过程。基于以上研究，发表SCI论文42篇（2篇入选ESI）、国内期刊论文18篇，申请专利17件，培养博士研究生3名、硕士研究生15名，主办国际、国内学术会议各1个，受邀在国际会议做主旨报告6个，获国家科技进步二等奖1项，省部级一等奖3项。研究成果在烟气余热高效回收、高参数二次再热机组设计及运行优化、热电联产机组热电解耦与运行节能等得到应用。 2100433B

我国火力发电行业消耗了近一半的一次能源，火电机组的高效清洁运行对节能减排具有重要意义。本项目针对我国火电机组调峰频繁、燃料多变和环境温度差异大的现状，以及普遍存在的设计、制造和运行等方面的缺陷展开研究，采用理论分析、实验研究以及数值模拟等方法，建立基于单元过程的火电机组热力设备计算模型，获得深度调峰工况及瞬态过程热力设备的性能，查清燃煤机组、燃气联合循环机组及供热机组热力系统多因素耦合工况及机组快速升、降负荷等典型瞬态过程的能耗特性，综合考虑负荷、燃料和环境等外部因素的时变特性，从设计、运行及余热深度回收利用等三个方面建立火电机组热力系统全工况优化与能耗控制策略。通过本项目的研究，可完善火电机组热力系统能量转换及传输理论，为我国火电机组深层次节能降耗提供理论依据。通过推广本项目研究成果，可降低火电机组能耗，对我国火电行业的节能减排与可持续发展具有重要意义。

本书以通信基站的能耗控制为例，进行能耗控制的策略研究。通信基站是整个通信网络设备运行与维护中的能耗大户。通信基站的能耗主要是指由机房空调系统引起的数额巨大的耗电量。空调系统的热环境是不确定的环境，在这种环境下，空调的频繁启停形成大量的能耗，造成高额的运行成本，降低基站能耗已成为有关部门及企业重点关注的内容。本书研究空调系统的节能，提出节能降耗问题及对策；考虑到空调系统的热环境具有不确定性，采用模糊、模糊随机等技术，研究不确定环境下的能耗控制理论与方法；提出一系列通信机房空调系统节能降耗的温度控制方法。本书能够对通信基站能耗管理的智能化起到一定的推动作用，为节能化的研究指出一个新的方法。本书在管理理论上，丰富不确定环境下的能耗决策问题的理论；在管理实际中，为能耗控制问题提供科学的定量分析模型。

水轮机效率最高的工况称为水轮机的最优工况，其余工况均称为水轮机的非最优工况。

水轮机在最优工况运行时，水力损失最小。理论上，最优工况应发生在进口水流无撞击、出口水流呈法向的条件下。

1、无撞击进口

当转轮进口水流的相对速度的方向与叶片剖面的中线在进口处的切线相一致的时候，水流绕流平顺，不产生撞击、脱流等现象，水力损失最小，称为无撞击进口。

但当水流相对速度与叶片剖面中线在进口处的切线方向不一致的时候，就会发生撞击时，会出现脱流和漩涡区，产生撞击损失，使水轮机效率下降。

2、最优水流出口

不同水头下的反击式水轮机对最优水流出口的要求略有不同。对高水头水轮机，最理想的转轮出流是法向出口；而对中、低水头混流式水轮机及轴流式水轮机，转轮的略具正环量的水流出口是有利的。

（1）法向出口。当从转轮流出的水流是沿着轴面流动且无旋时，称为法向出口，此时出口水流角α₂=90°，出口速度三角形为直角三角形。

（2）略具正环量的水流出口。当转轮出口水流略具正环量时，出口水流角α₂略小于90°，V_u2略大于零，此时V_u2的方向与转轮转动的方向一致。此出流与法向出口相比，对混流式水轮机及轴流式水轮机，反而能减少水力损失，改善水轮机的效率及汽蚀性能。

原因如下：

①具微量正向旋转的水流，在水流自身的离心力作用下，将紧贴尾水管的管壁流动，因而不易发生脱流及滞水区，从而减少尾水管的能量损失；

②由于转轮进、出口环量的增大，相应使转轮进、出口水流相对流速w₁、w₂减少，从而也能降低转轮中的水力损失。

对于形状和尺寸均已确定的水轮机，最优工况只会在某个水头、流量和转速的条件下出现。但水轮机在实际运行中，水头、流量总是变化的，因此不可避免地要偏离最优工况运行。

下图《水轮机非最优工况》为水头固定、导叶开度减小和导叶开度固定、水头降低时的转轮进、出口速度三角形的变化情况，其中虚线表示最优工况。

对于轴流转桨式水轮机，转轮桨叶可随着工况的改变而转动到相应的角度，使转轮进口水流接近无撞击和出口接近最优出流，因而转轮可以在相当大的水头和流量变化范围内具有高的效率和稳定性。 2100433B