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      600MW直接空冷機組抽汽預(yù)干燥褐煤的熱經(jīng)濟性分析

      2016-11-12 03:08:26張利張義江
      綜合智慧能源 2016年9期
      關(guān)鍵詞:干燥機褐煤抽汽

      張利,張義江

      (神華國能蒙東能源有限公司,內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021000)

      600MW直接空冷機組抽汽預(yù)干燥褐煤的熱經(jīng)濟性分析

      張利,張義江

      (神華國能蒙東能源有限公司,內(nèi)蒙古呼倫貝爾021000)

      褐煤水分高、熱值低,對褐煤進(jìn)行預(yù)干燥可以提升煤質(zhì),進(jìn)而可提高電站鍋爐熱效率、降低發(fā)電煤耗。以某超臨界600MW燃燒褐煤的直接空冷發(fā)電機組為例,建立了抽汽預(yù)干燥褐煤發(fā)電系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性分析模型。主蒸汽流量一定,褐煤收到基水分由38.4%干燥至15.0%時,鍋爐的熱效率由91.5%提升至92.9%,節(jié)約濕褐煤22g/(kW·h)。

      燃煤電站;直接空冷機組;褐煤預(yù)干燥;熱經(jīng)濟性

      0 引言

      我國褐煤儲量豐富,目前已探明儲量多達(dá)1300億t,主要分布在內(nèi)蒙古、東北、四川和云南東部等地區(qū)[1]。褐煤是煤化程度最低的礦產(chǎn)煤,水分大(15%~60%)、熱穩(wěn)定性差、易自燃、易風(fēng)化,難以洗選和儲存,也不宜長途運輸。隨著我國電力消費的不斷增長,優(yōu)質(zhì)煤炭資源緊缺,近年來在內(nèi)蒙古、東北等地區(qū)新建了一批燃用褐煤的坑口電廠[2]。

      我國東北和內(nèi)蒙古地區(qū)的褐煤熱值低,含水量普遍在30%左右,水分氣化吸收大量煙氣熱量,導(dǎo)致褐煤直接燃燒熱效率較低、排煙溫度較高,燃用褐煤的電站鍋爐熱效率普遍較低,而且輔機容量大、能耗高,導(dǎo)致供電煤耗比較高。對褐煤進(jìn)行預(yù)干燥,降低褐煤中的水分,可提高鍋爐效率,進(jìn)而降低機組發(fā)電煤耗[3]。

      褐煤預(yù)干燥技術(shù)主要有煙氣干燥技術(shù)、蒸汽干燥技術(shù)、水熱脫水技術(shù)、機械熱力脫水技術(shù)和熱油干燥技術(shù)等[4],目前,國內(nèi)對煙氣干燥技術(shù)和蒸汽干燥技術(shù)研究較多。李勤道等[5]利用滾筒煙氣預(yù)干燥技術(shù),分析了某600MW凝汽式機組進(jìn)行鍋爐煙氣干燥后的熱經(jīng)濟性,結(jié)果表明機組效率相對提高1.12%,發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗下降3.18g/(kW·h);從1kg褐煤中每多干燥出0.1kg的水分,可多節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤0.60g/(kW·h)。韓小渠等[6]研究發(fā)現(xiàn),某600MW機組采用煙氣預(yù)干燥技術(shù),機組熱耗保證(THA)工況標(biāo)準(zhǔn)煤耗下降9.91g/(kW·h),當(dāng)負(fù)荷降低至50%THA工況時,節(jié)煤量下降9.30 g/(kW·h)。蔣斌等[7]探討了褐煤過熱蒸汽預(yù)干燥技術(shù),指出該技術(shù)較為成熟,有極大的應(yīng)用潛力。嚴(yán)俊杰等[8]基于等效焓降法研究了回?zé)岢槠A(yù)干燥褐煤發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性,給出了褐煤預(yù)干燥的節(jié)能條件,研究發(fā)現(xiàn),某600MW機組額定工況采用抽汽預(yù)干燥可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤11.21g/(kW·h)。郭曉克等[9-10]系統(tǒng)地分析了超臨界600MW機組采用褐煤預(yù)干燥的技術(shù)經(jīng)濟性,理論分析表明,該基準(zhǔn)工況可降低發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗12.00g/(kW·h),提高鍋爐效率2.00%以上,降低廠用電率0.56%,減少冷端損失6%以上,如果對預(yù)干燥尾氣的廢熱進(jìn)行回收,節(jié)煤量可達(dá)14.65g/(kW·h)[10]。吳威等[11]研究了某300MW機組采用抽汽干燥褐煤對電廠熱經(jīng)濟性的影響,得出了可提升電廠經(jīng)濟效益的結(jié)論。許誠等[12]提出了一種新型低溫?zé)峒珊置焊稍锵到y(tǒng),并針對某1000MW燃煤電站進(jìn)行了熱力學(xué)和經(jīng)濟性評價,新型褐煤干燥系統(tǒng)能夠使電站效率提高3.6百分點,降低發(fā)電成本1.83美元/(MW·h)。方亞雄等[13]在抽汽褐煤預(yù)干燥系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提出了一種機爐熱集成優(yōu)化系統(tǒng),該系統(tǒng)每年可減少標(biāo)煤量1.29萬t。

      已有研究表明,回?zé)岢槠稍锖置嚎捎行岣唠姀S的經(jīng)濟效益,并且蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥技術(shù)是最成熟的一種褐煤干燥技術(shù),得到了廣泛應(yīng)用[1,9,11-12,14]。蒙東能源有限公司鄂溫克電廠超臨界600MW直接空冷機組燃用伊敏河?xùn)|煤礦的褐煤,水分高、熱值低,鍋爐效率低,因此,本文建立了回?zé)岢槠A(yù)干燥褐煤發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,分析了褐煤干燥后的鍋爐效率和發(fā)電煤耗率,為機組節(jié)能改造提供參考。

      1 抽汽預(yù)干燥褐煤系統(tǒng)模型

      回?zé)岢槠A(yù)干燥褐煤系統(tǒng)如圖1所示,由第5級抽汽口分流部分蒸汽(圖1中A所示),經(jīng)蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機的汽室進(jìn)入換熱管;濕褐煤經(jīng)原煤倉進(jìn)入干燥機的筒側(cè),與換熱管充分接觸被加熱,褐煤中的水分不斷吸熱蒸發(fā)。干燥機的筒體有一定傾斜度,隨著筒體的轉(zhuǎn)動,濕褐煤一邊被加熱一邊朝出口流動,當(dāng)煤的水分達(dá)到要求時從出料箱排出,預(yù)干燥的褐煤送往制粉系統(tǒng)[15];而蒸汽冷凝后的疏水經(jīng)疏水泵加壓后送往除氧器。蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機間接干燥濕褐煤,不會攜帶走褐煤揮發(fā)分,考慮到長時間干燥褐煤會導(dǎo)致?lián)]發(fā)分流失,溫度過高導(dǎo)致褐煤自燃,因此,干燥機采用順流式,即由汽輪機抽取的蒸汽與濕褐煤的流動方向相同。

      圖1 回?zé)岢槠A(yù)干燥褐煤發(fā)電系統(tǒng)

      通過利用部分低壓抽汽的熱量干燥褐煤,提升了煤質(zhì),增加了干燥煤的低位發(fā)熱量,降低了鍋爐排煙中水蒸氣攜帶走的熱量,可提高鍋爐效率;高溫?zé)煔獾哪芰科肺桓?,因此回?zé)岢槠A(yù)干燥褐煤相當(dāng)于利用抽汽的低品位能量替代被煤中水分利用的高品位能量,從熱力學(xué)第二定律的角度分析也是節(jié)能的。抽取蒸汽干燥褐煤,降低了單位質(zhì)量蒸汽的做功量;干燥褐煤抽汽的疏水注入回?zé)嵯到y(tǒng),以及抽取該蒸汽引起的低壓級抽汽壓力變化,亦會對回?zé)嵯到y(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。因此,本文將分別建立蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機、鍋爐、汽輪機及回?zé)嵯到y(tǒng)的計算模型,分析抽汽預(yù)干燥褐煤對機組熱力性能的影響。

      1.1蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機

      圖2示意了干燥機的熱平衡,根據(jù)能量守恒定律有[10]

      式中:qmd為干燥褐煤的抽汽量,kg/s;h5和hs分別為干燥褐煤的抽汽比焓及其疏水的比焓,kJ/kg;ηd為干燥機效率,%;qm為鍋爐消耗的濕褐煤量,kg/s;w為1kg濕褐煤被干燥去的水分,kg/kg;hw和hv分別為煤中水分干燥前和干燥后的比焓,kJ/kg;qm′=(1-w)qm為預(yù)干燥褐煤量,kg/s;hL和hL′分別為預(yù)干燥煤進(jìn)入和排出干燥機的比焓,kJ/kg。

      圖2 干燥機熱平衡圖

      預(yù)干燥煤相比濕褐煤顯熱增加,計算煤的顯熱一般采用下式[16]:

      式中:ir為煤的物理顯熱,kJ/kg;cp,ar為煤的收到基比定壓熱容,kJ/(kg·℃);tr為煤的溫度,℃;cdr為褐煤干燥基比熱容,根據(jù)文獻(xiàn)[16]的數(shù)據(jù)插值計算,kJ/(kg·℃);Mar為煤中水分,%。

      假設(shè)濕褐煤中水分為Mar,則干燥煤中水分Mar′與Mar的關(guān)系為

      干燥煤的收到基Car′,Har′,Sar′,Oar′,Nar′和Aar′則分別是濕褐煤收到基Car,Har,Sar,Oar,Nar和Aar的1/(1-w)。

      1.2鍋爐

      鍋爐的熱平衡方程為

      式中:Qr為鍋爐輸入熱量,kW;Q1為鍋爐有效利用的熱量,kW;Q2為排煙熱損失,kW;Q3為可燃?xì)怏w不完全燃燒熱損失,kW;Q4為固體不完全燃燒熱損失,kW;Q5為鍋爐散熱損失,kW;Q6為其他熱損失,kW。

      式(5)兩邊同除以Qr,即用方程右邊各項熱量占鍋爐輸入熱量的百分比來表示為

      鍋爐效率為

      因此結(jié)合式(6)可得反平衡法表示的鍋爐效率

      排煙熱損失為[16]

      鍋爐輸入熱量為

      式中:Qar,net為煤的低位發(fā)熱量,kJ/kg。

      在計算鍋爐煙氣量和煙氣比焓時,一般都是以1kg燃料收到基為基礎(chǔ),所以排煙熱損失可表示為

      式中:hpy為排煙比焓,kJ/kg;αpy為排煙處的過量空氣系數(shù);h01k為進(jìn)入鍋爐的冷空氣比焓,kJ/kg。

      排煙比焓為

      式中:Vgy為每kg收到基燃料燃燒生成的干煙氣量,m3/kg;VH2O為煙氣中所含水蒸氣的容積,m3/kg;cgy和cH2O分別為干煙氣和水蒸氣平均比熱容,kJ/(m3·℃);t為煙氣溫度,℃;hfh為煙氣中的飛灰比焓,kJ/kg。

      彰武是三北防護林重點建設(shè)縣。在與風(fēng)沙的長期抗?fàn)幹校梦溆楷F(xiàn)出楊海清、董福財、馬輝、李東魁、侯貴等一批治沙先進(jìn)人物。彰武縣有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)說:“四十年來,彰武累計完成三北治沙造林一百二十三萬畝,封山育林二十四萬畝,飛播造林十八萬畝,一百六十六萬畝農(nóng)田得到保護,糧食產(chǎn)量由新中國成立初期一億公斤增長到現(xiàn)在的十四億公斤?!?/p>

      干煙氣量為

      水蒸氣容積為

      式中:V0為理論煙氣量。

      干煙氣平均比熱容采用下式近似計算

      式中:RO2′是指CO2和SO2在干煙氣中的比例,%;cCO2,cN2和cH2O采用文獻(xiàn)[16]所列數(shù)據(jù)。

      濕褐煤經(jīng)干燥后,水分減少,低位發(fā)熱量Qar,net增大,干燥煤的顯熱ir也高于濕褐煤;1kg干燥煤的干煙氣量相比濕褐煤增加,雖然水分減少導(dǎo)致水蒸氣容積VH2O下降,但是排煙比焓相比濕褐煤的變化不大。綜上所述,由于干燥煤低位發(fā)熱量和顯熱的顯著上升,排煙熱損失q2下降,提高了鍋爐效率。q3,q4,q5和q6可視為定值,因此,確定排煙熱損失即可確定鍋爐熱效率,進(jìn)而由式(7)和式(10)得燃煤消耗量為

      其中,鍋爐有效利用熱量

      本文分析定流量工況,即汽輪機主蒸汽流量不變,鍋爐沒有汽水損失,主蒸汽參數(shù)、鍋爐給水參數(shù)為定值,機組燃用濕褐煤或預(yù)干燥煤Q1相同。

      1.3汽輪機

      主蒸汽流量不變,抽取部分蒸汽用于干燥褐煤,則單位質(zhì)量蒸汽的做功量降低,并且會影響該級抽汽后的各級抽汽參數(shù),進(jìn)而影響相應(yīng)低壓加熱器的運行參數(shù)。抽汽壓力隨流量的改變根據(jù)弗留格爾公式可表示為

      式中:下標(biāo)A和B分別表示兩種工況;qm表示通過該級組的流量;p為該級組的級前壓力。

      通過迭代重新求得抽取干燥褐煤蒸汽后的各級抽汽壓力和抽汽流量,進(jìn)而計算汽輪機組的發(fā)電功率為

      式中:qm0為主蒸汽流量,為1 kg凝汽流在汽輪機中的比焓降,kJ/kg;h0為主蒸汽比焓,kJ/kg;hc為排汽比焓,kJ/kg;σ為再熱吸熱焓升,kJ/kg;qm為第i級抽汽量kJ/kg;hi為第i級抽汽比焓,kJ/kg;qmzf為各股軸封漏汽量為各股軸封漏汽的比焓,kJ/kg;ηm和ηg分別為機械效率和發(fā)電機效率,%;qmd為抽取的用于褐煤干燥的蒸汽流量,kg/s;Pe為汽輪機組的發(fā)電功率,kW。

      2 算例分析

      某超臨界600MW直接空冷機組,鍋爐為一次中間再熱、墻式切圓燃燒、平衡通風(fēng)、緊身封閉、干排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)П型布置、帶啟動循環(huán)泵的變壓運行的直流鍋爐。THA工況鍋爐過熱器出口蒸汽溫度為571℃,再熱器出口蒸汽溫度為569℃,鍋爐燃用褐煤的元素分析結(jié)果見表1,濕褐煤的低位發(fā)熱量為13.487MJ/kg,鍋爐效率為91.53%。汽輪機型號為600-24.2/566/566,THA工況主蒸汽壓力為24.2MPa,主蒸汽溫度為566℃,主蒸汽流量為1700t/h,再熱蒸汽溫度為566℃,排汽壓力為10kPa,發(fā)電功率為600MW?,F(xiàn)由第5級抽汽口抽取蒸汽通往褐煤干燥機,對褐煤進(jìn)行干燥,假設(shè)每kg濕褐煤蒸發(fā)209.7g水分,預(yù)干燥煤的煤質(zhì)見表1,低位發(fā)熱量為17.731MJ/kg,干燥機效率假設(shè)為96%,運行參數(shù)見表2。假設(shè)對褐煤預(yù)干燥后,排煙溫度由139.4℃下降至130.0℃,機組燃燒預(yù)干燥褐煤的熱經(jīng)濟性指標(biāo)見表3。

      對濕褐煤預(yù)干燥至含水率只有15.0%,需抽取第5級抽汽80.4t/h,主蒸汽流量不變,則發(fā)電功率由600MW下降至588MW,雖然汽輪機的絕對內(nèi)效率由47.4%下降至46.6%,汽輪機組的熱耗率由7689kJ/(kW·h)上升至7830kJ/(kW·h),但是鍋爐熱效率由原來燃燒濕褐煤的91.53%上升至燃燒預(yù)干燥煤的92.90%,每小時消耗原煤量下降,每kW·h發(fā)電量相比燃用濕褐煤,可節(jié)約原煤22g。假設(shè)1臺機組年發(fā)電量為24億kW·h,則采用抽汽預(yù)干燥,可每年節(jié)約褐煤52800t,假設(shè)褐煤價格為180元/t,則每年可節(jié)約950萬元燃料費用,所以采用抽汽預(yù)干燥褐煤具有顯著的節(jié)能效果。

      表1 煤質(zhì)分析結(jié)果%

      表2 干燥機的熱力參數(shù)[10]

      表3 機組燃用褐煤和預(yù)干燥煤的熱經(jīng)濟性指標(biāo)

      3 結(jié)論

      針對某超臨界600MW燃燒褐煤的直接空冷發(fā)電機組,建立了THA工況褐煤干燥機、鍋爐和汽輪機的能量平衡方程,分析了采用回?zé)岢槠A(yù)干燥褐煤的熱經(jīng)濟性。如果將褐煤收到基水分38.4%降低至15.0%,其低位發(fā)熱量則可從13.487MJ/kg提升至17.731MJ/kg,主蒸汽流量不變,燃燒預(yù)干燥褐煤鍋爐的熱效率可提升至92.9%,雖然機組的絕對內(nèi)效率有所降低,但是采用預(yù)干燥褐煤,發(fā)電煤耗可降低22g/(kW·h)。

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      (本文責(zé)編:白銀雷)

      TK212

      B

      1674-1951(2016)09-0048-04

      2016-06-15;

      2016-08-12

      張利(1983—),男,內(nèi)蒙古呼倫貝爾人,助理工程師,從事火力發(fā)電廠熱工自動化方面的工作(E-mail:zl18518@ 126.com)。

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